微弱信号检测学-第5章-弱离散信号的检测课件

第5章

弱离散信号的检测第5章弱离散信号的检测第5章

弱离散信号的检测本章主要内容：5-1离散信号检测的特点5-2光子计数器的结构5-3光子计数器的使用与应用

第5章弱离散信号的检测本章主要内容：5-1离散信号检测的特点

一、离散信号、弱离散信号的概念1.（时间）连续信号信号总是随时间变化的，如果信号在所研究的时间域内都有定义，则称（时间）连续信号。连续信号的研究重点是单个信号的波形。2.（时间）离散信号如果信号仅在一些离散的时间点上才有定义，则称（时间）离散信号。离散信号：各种粒子流（光子流、电子流、质子流、中子流、原子流、分子流等）、各种数字信号等。离散信号的研究重点是信号的重复规律，即“信号密度”及其随时变化。离散信号可看成是多个“单体”组成的“群体”。如果把每个单体看成是极窄的脉冲，则整个离散信号可看成是脉冲列。5-1离散信号检测的特点一、离散信号、弱离散信号的概念5-1离散信号检测的特点一、离散信号、弱离散信号的概念3.弱离散信号

是指离散信号的幅度与噪声幅度相当或更小（此时噪声的幅度是指噪声脉冲的幅度）。换句话说，是指相对于探测器的灵敏度而言，离散信号幅度较小。

注意：信号按幅度分强弱的概念，是随探测器噪声水平、测量方法的发展而变化的。例如，光的强、弱概念的变化，充分说明了这一点。（1）没有光电器件时，测量毫瓦级的光已经很困难，因此，毫瓦级光束算是弱光流；5-1离散信号检测的特点一、离散信号、弱离散信号的概念5-1离散信号检测的特点一、离散信号、弱离散信号的概念3.弱离散信号（2）光电晶体管、光电倍增管出现后，利用静电计等电量、电流、电压检测设备，可检测到10-6—10-12W（107光子/秒）的光。此时，只有低于微瓦量级的光，才是弱光。（3）应用斩波器和锁相放大器，可从暗电流噪声中检测出10-16W的光，相当于103光子/秒的光。此时，只有低于微微瓦量级的光，才算是弱光。（4）目前，还有比103光子/秒的光更弱的光，例如几个光子，这就要求更弱光的检测。当然，若能作单光子检测，那将获得最高检测极限，所有弱光检测问题就都解决了。目前，已能够作单光子检测.5-1离散信号检测的特点一、离散信号、弱离散信号的概念5-1离散信号检测的特点二、弱离散信号测量必须解决的问题

1.单体信号探测方面离散信号的测量侧重于其“密度”（信号流强），但首先要解决单个“信号”的探测问题。解决这一问题要做到：（1）对非电弱离散信号，要有灵敏的传感器，将其转换为电信号，传感器的噪声要低；（2）对弱离散电信号，要有低噪声放大器；

（3）要想从大量噪声脉冲中，提取离散信号，需要幅度甄别器，利用其把幅度相差较大的噪声脉冲剔除。甄别器的甄别范围应是可调的，以适应各种情况的需要。为提高甄别的灵敏度，甄别器前应有放大器；5-1离散信号检测的特点二、弱离散信号测量必须解决的问题5-1离散信号检测的特点二、弱离散信号测量必须解决的问题

1.单体信号探测方面（4）为甄别可行，要求探测器输出的离散信号幅度要尽量一致。例如，利用光电倍增管将光子信号转换为电脉冲时，希望每个光子都能产生相差不多的电脉冲幅度。（5）弱离散信号检测的传感器和其它部件，必须是低噪声的，且频率响应要快。频响快才能测计高流强的离散信号。

2.快速计数方面（1）各种离散信号的脉冲流速率差别很大。例如，测光子流密度，测量要求范围为1—107光子/秒。对流强大的信号，计数器的计数速度要快，能测计的最大数额要大；

5-1离散信号检测的特点二、弱离散信号测量必须解决的问题5-1离散信号检测的特点二、弱离散信号测量必须解决的问题

2.快速计数方面（2）要解决信息脉冲计数问题。由于目前能快速、准确计数的仪器是电脉冲计数器，故非电的离散信号必须用频响高的传感器转换成电脉冲信号；（3）测计时间间隔要能在较大范围内调节，以适应各种流强和各类随机规律的信号，并且测计的时间间隔要准确。只有这样，所测数值才能准确。5-1离散信号检测的特点二、弱离散信号测量必须解决的问题5-1离散信号检测的特点二、弱离散信号测量必须解决的问题

3.确定合适的测量时间对于随机的离散信号，必须根据其统计规律，确定计测时间间隔，以保证大多数测量值与数学期望值的偏差在允许的范围以内。因此，最好能知道所测信号的统计分布规律，由统计分布规律来确定测量时间。若不知其统计规律，则需作多次测量，以找出标准偏差在允许值内的计测时间。

5-1离散信号检测的特点二、弱离散信号测量必须解决的问题5-1离散信号检测的特点三、光子流强测量的特点和要求光子流强（极弱光强）测量，即平常所说的光子计数，是离散信号测量中，最成熟、应用最广泛的一种。

1.光子计数器用PMT作光电探测器通常，光电倍增管（PMT）的增益在105～109之间，若取G=107，则一个光电子产生的阳极输出脉冲的总电量为107×e，用其除以脉冲宽度10-7s（由PMT的渡越时间散差决定），则可求出脉冲电流的幅度，约为1.6×10-5A。若PMT的负载电阻取50Ω，则输出脉冲幅度约为1mV。此信号经放大后，可用于甄别计数。故PMT的增益能满足要求。

PMT对每个光子输出的电脉冲幅度，虽因二次电子发射的量子起伏而有不同，但幅度变化不大，仍能适应要求。

5-1离散信号检测的特点三、光子流强测量的特点和要求5-1离散信号检测的特点三、光子流强测量的特点和要求

2.用PMT时，光子流强的最大计测值为107

光子计数用的传感器是光电倍增管。在一般光检测时，PMT的输出是与光强成比例的模拟电流信号。但在光子计数时，PMT是输出单个、单个的电脉冲。每个光子产生一个电脉冲，脉冲宽度由光电倍增管的渡越时间散差决定，约10-7s。如果光子流密度大于107个/秒，则这些脉冲会发生重叠，从而变成模拟电流信号。因此，光子计数测量的最大可能值，也是由PMT的渡越时间散差决定的，一般为107

。一个波长为555nm的光子，具有3.56×10-19J的能量，则光子计数测量最大可测10-12W的光强。5-1离散信号检测的特点三、光子流强测量的特点和要求5-1离散信号检测的特点三、光子流强测量的特点和要求

3.PMT作光子计数的优点

PMT作脉冲计数，比作模拟测量有如下优点：（1）PMT作模拟测量时，是把许多干扰和信号脉冲一起叠加后输出，无法利用信号脉冲幅度基本稳定的特性提高信噪比；（2）PMT作脉冲计数时，通过脉冲幅度甄别的方法，使PMT的直流漏电、输出零漂、增益不稳定等因素的影响，降至最低。

4.对计数器和显示器的要求由于使用PMT的光子计数器，计数测量的范围只能是1—107，故对计数器的要求是应有108的最大计数值且108个/秒的计数速率。相应的显示器的也只需要8位十进制数。5-1离散信号检测的特点三、光子流强测量的特点和要求5-1离散信号检测的特点三、光子流强测量的特点和要求

5.需确定合适的测量时间间隔下面介绍如何根据光子、光电子发射、二次电子发射的统计分布规律确定测量时间。光源是以随机方式发射光子的，在不同时间的相同时间间隔内，检测到的光子数是有变化的，它具有离散的概率分布。对于不相干的光源，其概率分布满足Bose-Einstain分布

规律；对于相干光源，例如激光辐射源，则满足Poisson分布。由于泊松分布对光电子发射、二次电子发射，也起着规律性的描述，故下面只讨论泊松分布。5-1离散信号检测的特点三、光子流强测量的特点和要求5-1离散信号检测的特点三、光子流强测量的特点和要求

5.需确定合适的测量时间间隔泊松分布规律：

（5-1）式中R——单位时间内出现的事件数，即事件发生速率，对于光子发射，即是光子的速率；

t——测定时间间隔；

m——在时间间隔t内，测得的光子数；

P（m）——在时间间隔t内，测得的光子数为m的概率。5-1离散信号检测的特点三、光子流强测量的特点和要求5-1离散信号检测的特点三、光子流强测量的特点和要求

5.需确定合适的测量时间间隔为了考察不同的时间间隔t取值对测量精度的影响，引入泊松分布的标准偏差。用其可表示在反复多次测量时，大量测量数据所处的范围，也就是概率较大的区域，即的区域。

例：当R=100光子/秒时，t分别为0.1、1、10s时，则Rt=10、100、1000，σ=101/2、10、10×101/2，测量各自主要集中在6～13、90～110、970～1030之间，σ/Rt分别为1/101/2、1/10、1/（10×101/2）。由此可看出，t越大，测量值偏离平均值的相对偏离越小。5-1离散信号检测的特点三、光子流强测量的特点和要求5-2光子计数器的结构一、光子计数器框图

光子流经过PMT，转换为电脉冲列；然后，随同噪声脉冲输入甄别器，作噪声脉冲的剔出；之后，送入脉冲计数器，作定时间计数；最后，通过数显或模显显示光子流强度变化。5-2光子计数器的结构一、光子计数器框图5-2光子计数器的结构二、作光子计数用的光电倍增管（PMT）

1.要有极低的噪声

当光作为入射射线打到光阴极上时，光阴极将光子转变为光电子，通过后续的打拿级（图中1-9各级）将光电子进行多次倍增。打拿级由电子逸出功较小的材料构成，以使高能快速电子打到打拿级上产生二次电子发射，达到倍增目的。第10极为阳极，也就是收集极，收集倍增后的光电子形成阳极电流。当极间电压一定后，打拿级的倍增因子基本上是一个常数，所以当光信号变化时，倍增后的光电子也随之变化，使输出的阳极电流比例于输入光子数。5-2光子计数器的结构二、作光子计数用的光电倍增管（PM5-2光子计数器的结构二、作光子计数用的光电倍增管（PMT）

1.要有极低的噪声

用作光子计数器的PMT，在光谱响应范围合适的前提下，首先要有极低的噪声。低噪声的概念，主要是指噪声脉冲数要少。

PMT的噪声来源：主要是由于光阴极和第一打拿级热电子发射造成；其次，还有后级打拿级热发射、阳极漏电流、场致发射、光反馈、离子反馈等因素。

PMT的噪声分类：PMT的噪声脉冲按幅度可分为A、B、C、D四类：5-2光子计数器的结构二、作光子计数用的光电倍增管（PM5-2光子计数器的结构二、作光子计数用的光电倍增管（PMT）

1.要有极低的噪声

A类噪声脉冲：是由后级打拿级产生，由于倍增增益小，故幅度小，但数目多；

B类噪声脉冲：主要是由光阴极的热发射电子造成，其幅度与光电发射的脉冲相当；

C类和D类噪声脉冲：是由高能粒子使光阴极一次发射多于两个电子，故其脉冲幅度大于B类。D类脉冲，一次发射多于5个电子，故幅度更大。降低PMT的噪声的措施：C、D类脉冲，主要来源于外部，数量少，可用屏蔽和幅度甄别方法解决；A类脉冲也主要用幅度甄别的方法排除。故降低噪声主要是减少B类噪声脉冲。5-2光子计数器的结构二、作光子计数用的光电倍增管（PM5-2光子计数器的结构二、作光子计数用的光电倍增管（PMT）

1.要有极低的噪声

降低热发射的最佳方法，就是降低温度，一般光子计数用的PMT工作于-40℃~-60℃。除了热噪声外，第二要考虑的是散粒噪声，它来源于光阴极的光电子发射的统计性，也来自于打拿级的二次电子发射的统计性。同样由于前级噪声有大的增益，故散粒噪声主要来源于光阴极和第一打拿级。要减少散粒噪声，需要降低第一打拿级的传输系数、第一打拿级的二次电子发射系数、第一打拿级后的各级平均传输系数、第一打拿级后的各级平均二次电子发射系数。对于其它噪声，在PMT的设计、制作、工艺、选材上都要注意。例如，要防止光反馈、离子反馈，要注意边缘毛刺放电、场致发射等。

5-2光子计数器的结构二、作光子计数用的光电倍增管（PM5-2光子计数器的结构二、作光子计数用的光电倍增管（PMT）

2.要有良好的单光子响应峰用作光子计数的PMT，要有良好的单光子响应峰特性。图5-3所示的脉冲高度分布（PHD）是选择PMT的重要依据。定义:

（5-2）

（5-3）

分析：峰谷比越大、分辨力越小的PMT

越适合用于光子计数。

5-2光子计数器的结构二、作光子计数用的光电倍增管（PM5-2光子计数器的结构二、作光子计数用的光电倍增管（PMT）

2.要有良好的单光子响应峰图5-4是四种适于光子计数的PMT的PHD曲线。图（a）、（b）是国产倍增管GDB-472150V）和GDB-423（-1000V）；图（c）、（d）是国外倍增管RCA-31034（-1450V）和EMI-9558B（1250V）。其性能参见表5-1和表5-2。5-2光子计数器的结构二、作光子计数用的光电倍增管（PM5-2光子计数器的结构二、作光子计数用的光电倍增管（PMT）

2.要有良好的单光子响应峰5-2光子计数器的结构二、作光子计数用的光电倍增管（PM5-2光子计数器的结构二、作光子计数用的光电倍增管（PMT）

3.要有较宽的计数坪区PMT在相同的入射光下，阴极阳极加不同外加电压时，会有不同的信噪比特性，而且计数速率也有所不同。为了减小误差、为了有较宽的使用电压范围，应选用计数坪区特性好的PMT。图5-5是PMT的计数坪区示意图。

5-2光子计数器的结构二、作光子计数用的光电倍增管（PM5-2光子计数器的结构二、作光子计数用的光电倍增管（PMT）

3.要有较宽的计数坪区图中横轴是所加高压值，随高压的增加，无光照时计数速率沿曲线1变化；有光照时，计数速率按曲线2变化。曲线1有一段变化缓慢区域，作光子计数测量时，只能选用该区域。从图中曲线1和曲线2的比较可以看出，坪区的开头处是信噪比（SNR）最大的地方，而坪区的结尾处是信噪比（SNR）最小的地方。因此，实际使用时，应选择在坪区开头附近。坪区可用坪长和坪斜来描述，具体如下：

（5-4）（5-5）式中，为平均计数速率。5-2光子计数器的结构二、作光子计数用的光电倍增管（PM5-2光子计数器的结构二、作光子计数用的光电倍增管（PMT）

3.要有较宽的计数坪区

PMT有坪区特性的存在，也可由其PHD曲线随外加电压变化而得出。图5-6是国产倍增管GDB-47在不同外加电压下的PHD曲线。在低电压时，单峰特性差，其信噪比不好；在高电压时，其单峰特性也会变坏。5-2光子计数器的结构二、作光子计数用的光电倍增管（PM5-2光子计数器的结构二、作光子计数用的光电倍增管（PMT）

4.第一打拿级的电压要高，偏置电路的电流要小除选好合适的PMT外，正确使用PMT也是非常重要的。例如，各倍增极的偏置电压、偏置电路中的偏置电流都是值得注意的。

第一打拿级的电压要高：提高第一打拿级的电压，可使第一打拿级的传输系数和二次电子发射系数降低，这对减小散粒噪声是有利的。同样，若提高第一打拿级的电压，可使整个倍增系统的标准偏差减至最小，使PMT阳极输出脉冲幅度的变化减至最小。这是因为打拿级的二次电子输出个数也是按伯松分布规律进行的，在电压高时，二次电子个数离散偏差减小。5-2光子计数器的结构二、作光子计数用的光电倍增管（PM5-2光子计数器的结构二、作光子计数用的光电倍增管（PMT）

4.第一打拿级的电压要高，偏置电路的电流要小

第一打拿级的偏置电路的电流要小：一般的PMT用作缓变较强光测量时，由于要减小饱和，增加稳定性，一般使偏置电流较大，常取阳极电流的1000倍或更多。例如，若选偏置电流为1mA，此时，偏置电阻的功耗约为103V×10-3A=1W。此热功率会明显使PMT的温度上升，增加噪声，使SNR降低。在作光子计数时，常可使偏置电流减小一个量级，使热功耗也减小一个数量级，管子的温升就不会太大，可获得较大SNR。这是因为此时的PMT电流很小，而且是脉冲工作5-2光子计数器的结构二、作光子计数用的光电倍增管（PM5-2光子计数器的结构二、作光子计数用的光电倍增管（PMT）

4.第一打拿级的电压要高，偏置电路的电流要小的，只要偏置电路中加了稳压电容，就可以利用电容在两个相邻脉冲的时间间隔内，重新充电，保证打拿级电压稳定。

5.阳极电路时间常数要小阳极电路的设计和制作，也应该特别注意。若阳极电路中有一负载电阻Ra和与之并联的一分布电容Ca，由于脉冲电流的到来，将使电容上获得充电和放电。PMT阳极的输出电压脉冲如图5-7所示。5-2光子计数器的结构二、作光子计数用的光电倍增管（PM5-2光子计数器的结构二、作光子计数用的光电倍增管（PMT）

5.阳极电路时间常数要小其中图（a）为电荷积累和时间的关系，即到达阳极的电子数与时间的关系，电荷从零开始，随时间增大到最大值Qa并保持不变；图（b）是阳极电流脉冲曲线，由图（a）求导得到，定义半高度处为脉冲宽度，一般典型值为10-20ns；电阻Ra上的电压脉冲不仅由Ra值决定，还受分布电容Ca的影响。对于精心设计的光子计数系统，Ca可达20pF。于是对Ra=50Ω时，阳极电路的时间常数RaCa=1ns。这种情况下，电压脉冲将5-2光子计数器的结构二、作光子计数用的光电倍增管（PM5-2光子计数器的结构二、作光子计数用的光电倍增管（PMT）

5.阳极电路时间常数要小与电流脉冲相同，如图（c）所示。加大电容，将使脉冲变小变宽；加大电阻，将使脉冲变大变窄。从图中可知，要尽量减小分布电容Ca，而且也不能用太大的负载电阻Ra。

6.接地与屏蔽工艺要认真

PMT的接地方式有两种：

阴极接地：阳极具有一个高的正电压；

阳极经过一个适当的负载电阻接地：阴极具有一个高的负电压。这两种方法各有利弊。

5-2光子计数器的结构二、作光子计数用的光电倍增管（PM5-2光子计数器的结构二、作光子计数用的光电倍增管（PMT）

6.接地与屏蔽工艺要认真在阴极接地的方案中，PMT的输出一般是2kV，所以需要在阳极和输出之间接一个电容器，以免损坏前置放大器或其它与阳极相连的电子线路。这样一个电容器会带来新的问题，即在PMT的内部由最后两个打拿级和阳极所形成的高频传输效应将趋于破坏。5-2光子计数器的结构二、作光子计数用的光电倍增管（PM5-2光子计数器的结构二、作光子计数用的光电倍增管（PMT）

6.接地与屏蔽工艺要认真阳极接地方案，如图（b）所示。优点：可直接将阳极与光子计数系统相连。缺点：PMT放在它的外罩里时，为安全起见，外罩必须接地。这就意味着外罩的壁和PMT内部电极之间有很大负压，特别是对光阴极和靠近光阴极的一些打拿级，由于这个高压，漏电就能从地经外罩、PMT的管壁，流至光阴极或第一打拿级。当电流流经管壁时，如果管壁有荧光，荧光发射的光子将会到达光阴极，产生寄生5-2光子计数器的结构二、作光子计数用的光电倍增管（PM5-2光子计数器的结构二、作光子计数用的光电倍增管（PMT）

6.接地与屏蔽工艺要认真信号。为了克服这一问题，必须在罩里面加一屏蔽，放在PMT的管壁和外罩内壁之间，此屏蔽经一电阻连到阳极电位，这样就不再有漏电流流经PMT的管壁。实际使用时，常在PMT的阳极接入一个100kΩ的电阻接地，作为负载。由于Ra=50Ω，RL=100kΩ，RL//Ra≈Ra，所以放大器的等效输入电阻仍为50Ω，以保证RaCa=1ns而不使阳极电压波形失真。5-2光子计数器的结构二、作光子计数用的光电倍增管（PM5-2光子计数器的结构三、放大器在输入信号具有伏的量级时，鉴别器已能较好的把信号脉冲选出来。而PMT的输出，约为毫伏量级或稍小的窄脉冲，故光子计数器对放大器的增益要求不高，只要达到数百至数千倍就可以了。

注意：PMT的输出脉冲是很窄的（约为10ns）。为了能保持高速计数，放大器的输出脉冲也必须保持原有的宽度，其前后沿时间应尽量短。故需要宽频带放大器。如果能找到符合要求的集成电路放大器芯片，那么放大器是比较好作的。否则只能用分离元件制作。这时，首先要选用截止频率高的晶体管，其次要尽量减少分布电容和分布电感。5-2光子计数器的结构三、放大器5-2光子计数器的结构四、脉冲幅度甄别器

1.脉冲幅度甄别器的工作方式

脉冲幅度甄别器的5种工作方式：单电平工作方式、窗方式、校正方式、PHA（脉冲高度分析）方式、预定标方式。

5-2光子计数器的结构四、脉冲幅度甄别器5-2光子计数器的结构四、脉冲幅度甄别器

1.脉冲幅度甄别器的工作方式（1）单电平工作方式：如果输入脉冲幅度高于第一甄别电平V1，则甄别器输出一个脉冲（注意：不一定是原脉冲幅度）；相反，如果输入脉冲幅度低于第一甄别电平V1，则甄别器无脉冲输出。若将第一甄别电平V1选得略低于入射光子输出的脉冲幅度，则可将大量后级打拿级产生的输出噪声脉冲排出。（2）窗方式：在窗方式下，甄别器设置有两个甄别电平V1和V2，只有输入脉冲幅度在两个甄别电平之间，甄别器才输出一个脉冲。这种方式，要求能把入射光子形成的电脉冲的可能幅度都包括在V1和V2之间。这种方式可将输入脉冲幅度低于V1或高于V2的噪声脉冲排出。

5-2光子计数器的结构四、脉冲幅度甄别器5-2光子计数器的结构四、脉冲幅度甄别器

1.脉冲幅度甄别器的工作方式（3）校正方式：这种方式是考虑到脉冲堆积效应而提出的。脉冲堆积效应：是指有的高于V2幅度的单个脉冲，可能是两个或多个光子同时到达光阴极，或两个或多个光子到达光阴极时间差小于PMT的渡越时间差时，所形成的现象。为此，规定若输入脉冲幅度介于V1和V2之间，则甄别器输出一个脉冲；若输入脉冲幅度大于V2，则甄别器输出两个脉冲，以修正因脉冲堆积而造成的漏计数。（4）PHA方式：在这种方式下，V1和V2非常接近，△V很小且固定，但电压V则从零到最大值以一定的速率扫描（例如5~10次/s）。输出接示波器，可看到PMT完整的脉冲高度分布。

5-2光子计数器的结构四、脉冲幅度甄别器5-2光子计数器的结构四、脉冲幅度甄别器

1.脉冲幅度甄别器的工作方式（5）预定标方式：这种方式是在计数器速率不太高时，使光子计数器能工作于高计数速率的方式。此时，每输入十个幅度在V1和V2之间的脉冲，甄别器只输出一个脉冲。所以，计数器的计数值是实际数值的十分之一。这样，可降低对计数器的计数速率要求。另外，还要求甄别器甄别速度要快，最好完成一次甄别的时间小于10-8s，这样才能测高达107个/s的光子流密度。

2.甄别器的电路最基本的甄别器电路有二极管式、多谐触发器（主要是施密特触发器）式、电压比较器式等。

5-2光子计数器的结构四、脉冲幅度甄别器5-2光子计数器的结构四、脉冲幅度甄别器

2.甄别器的电路（1）二极管甄别器电路图5-10是二极管甄别器电路，用于甄别负脉冲。当输入端无输入或输入脉冲幅度不大（未考虑负号）时，二极管截止，甄别器无输出；当输入脉冲幅度超过V时，甄别器有输出。电路的缺点：输出脉冲幅度决定于输入脉冲幅度，尤其是刚超过V的输入脉冲，其输出脉冲幅度太小。另外，分布电容C`的存在，可能使高频脉冲“飞越”到输出端。

5-2光子计数器的结构四、脉冲幅度甄别器5-2光子计数器的结构四、脉冲幅度甄别器

2.甄别器的电路（1）二极管甄别器电路对5-10略加改动，可甄别正脉冲，如图5-11所示。5-2光子计数器的结构四、脉冲幅度甄别器5-2光子计数器的结构四、脉冲幅度甄别器

2.甄别器的电路（2）施密特触发器式甄别器电路图5-12是施密特触发器电路，它基本可以满足对甄别器的一般要求。如：①输出脉冲幅度固定，与输入脉冲幅度无关；②甄别电平可调，且稳定（受其它因素影响小）；③对输入脉冲的波形要求不高；④甄别灵敏度不差。

5-2光子计数器的结构四、脉冲幅度甄别器5-2光子计数器的结构四、脉冲幅度甄别器

2.甄别器的电路（2）施密特触发器式甄别器电路

电路的工作原理：T1管在有合适电平输入时，开始进入导通，通过耦合使T2管电流减小，射级电阻上的压降减小，进一步使T1管基射电压增大，从而T1管集电极电流更大，这样的正反馈，迅速使T1管饱和导通、使T2管截止。同理，若输入电平较低，会使T1管退出饱和导通，经正反馈后，T1管截止，T2管饱和导通。因此，输入一个脉冲，将有一个输出脉冲。

缺点：甄别时间较长，不适用于高速甄别。要实现高速甄别，可用图5-13所示的电流开关型施密特触发电路。5-2光子计数器的结构四、脉冲幅度甄别器5-2光子计数器的结构四、脉冲幅度甄别器

2.甄别器的电路（2）施密特触发器式甄别器电路图（a）中使用了以T3为主的恒流源，使T1、

T2组成的施密特触发器工作在非饱和区，因而加快了翻转速度。另外，图（a）中还用了齐纳二极管替代耦合电阻，这也提高了翻转速度。图（b）中用射级跟随器与齐纳二极管替代了耦合电阻，隔离了T2管的输入电容对T1管的影响，也可提高翻转速度。5-2光子计数器的结构四、脉冲幅度甄别器5-2光子计数器的结构四、脉冲幅度甄别器

2.甄别器的电路（3）电压比较器式甄别器电路下面介绍一种简易型光子计数器的甄别器电路。图5-14中阈值电位器提供窗中心电平的选择；△V/2电位器提供窗半宽电平选择。两电位器的输出输出电平一起送入加法器和减法器，使加法器和减法器分别输出上、下阈值电平V上与V下。V上与V下各自输入上、下比较器，分别与输入信号脉冲进行比较。

5-2光子计数器的结构四、脉冲幅度甄别器5-2光子计数器的结构四、脉冲幅度甄别器

2.甄别器的电路（3）电压比较器式甄别器电路若信号VS大于阈值电平VC（V上或V下），则输出为与信号脉冲相同的正小脉冲；若VS小于阈值电平VC（V上或V下），则输出为与信号脉冲反相的小脉冲，如图5-15所示。用整形放大器整形后，输入反符合门单元（由正脉冲触发的单稳和双稳组成），上比较脉冲送给双稳态，下比较脉冲送给单稳态。

5-2光子计数器的结构四、脉冲幅度甄别器5-2光子计数器的结构四、脉冲幅度甄别器

2.甄别器的电路（3）电压比较器式甄别器电路若输入信号VS<V下<V上，则上、下比较器皆输出负脉冲，双稳态、单稳态均未被触发，或非门无输出；若V下<VS<V上，则单稳态输出一正脉冲，双稳态无输出，故或非门输出一脉冲；若V下<V上<VS，则上、下比较器皆同时输出脉冲，如果令两者输出脉冲的极性相反，则在或非门输出时抵消。这就是窗工作方式。如果将上比较器与整形器断开，则图5-14电路工作于单电平工作方式；如果要使其工作于校正方式，则需在整形器与双稳间加延时电路，在双稳后加反相器，则或非门在VS>V上时会输出两个脉冲。5-2光子计数器的结构四、脉冲幅度甄别器5-2光子计数器的结构五、计数器

光子计数器用的计数部件，实际上就是一数字频率计。数字频率计应具有测量精度高、速度快、自动化程度高、数显、操作简单等特点，可以用于测量频率、周期、时间间隔、频率比、累加计数、电压（加传感器）、电位等。光子计数器的计数部件，同样具有这些特点和功能。图5-16是其框图。

晶振产生标准的时钟脉冲列，分频后以达到合适的计时单位。门控决定闸门的开关时间间隔△t(以分频后的脉冲周期为单位)。门开启的时间内通过的信号脉冲数，被计数电路计数。设计数为N，则显示器可显示N/△t的频率值。

5-2光子计数器的结构五、计数器5-2光子计数器的结构六、实用光子计数器下面介绍几种实用光子计数器。1.用于交叉分子束的光子计数器

这种光子计数器是由中科院大连化学物理研究所研制的，其性能比较完善，框图如图5-17所示。图5-17的特点：（1）利用了除2电路，使信号光电脉冲落入窗口者除2；大于窗口者，不除2，作为脉冲堆积的校正；（2）附有扫描电路，因此有PHA功能，可作脉冲高度分布谱；

5-2光子计数器的结构六、实用光子计数器5-2光子计数器的结构六、实用光子计数器1.用于交叉分子束的光子计数器（3）由于放大器输出脉冲的上升时间tr和下降时间tf，以及上下甄别阈值的差异，将使上阈比较器与下阈比较器的输出宽度不一致，如图5-18的（b）（c）所示。为了可靠地进行反符合，使电压比较器倒相输出，以提前的后沿（d）驱动D触发器整形，确保上阈整形后的脉冲宽度完全覆盖下阈反符合脉冲（e）。

5-2光子计数器的结构六、实用光子计数器5-2光子计数器的结构六、实用光子计数器1.用于交叉分子束的光子计数器

性能指标：所用的PMT为EMI的9863B/100，光阴极的直径φ=2.5mm，阴极材料为S20，室温下的高压为1860V，暗计数为2光子/s；放大器的上升时间tr=5ns，增益G=200~2（46dB~6dB），噪声为20μV，比较器的响应为12ns，f=40MHz；窗范围为10~100mV。

这种光子计数器已应用于分子束反映化学发光光谱测试中，在光谱的精细结构中具有较好的分辨力。在测定Ne原子谱线时，与英国Brookdeal的9503型锁相放大器作了对比测量，如图5-19所示.5-2光子计数器的结构六、实用光子计数器5-2光子计数器的结构六、实用光子计数器1.用于交叉分子束的光子计数器其中（a）为LIA的测量结果，（b）为光子计数器的测量结果。由图5-19可知，后者比前者具有更好的精细分辨和灵敏度。5-2光子计数器的结构六、实用光子计数器5-2光子计数器的结构六、实用光子计数器2.1109/1121型光子计数器这是由美国PARC公司生产的一种性能较好的光子计数器，其框图如图5-20所示。包括RCA31034光电倍增管、TE-206TSRF型制冷电源、1121放大/甄别器及1109型计数器。1121放大/甄别器可用1120型替换，1109型计数器可用1112替换。这一系统功能齐全，甄别器设有单电平、窗、校正、PHA和预定标五种功能；计数方式也有多种功能；输出方式也比较全面，可作模拟和数字两种输出。

5-2光子计数器的结构六、实用光子计数器5-2光子计数器的结构六、实用光子计数器2.1109/1121型光子计数器图5-21是1121A的简化框图，它除能与1109或1112型计数器等连接外，还有快速NIM输出的BNA插口，及与其它计数系统连接。5-2光子计数器的结构六、实用光子计数器5-2光子计数器的结构六、实用光子计数器2.1109/1121型光子计数器

1109型计数器是一种多功能的8位数字计数器。具有预设时间计数、倒数计数、比例计数等。其计数速率较高，可达100MHz。具有扣除背景的能力，可与计算机相连，能实时程控操作和自动数据采集。计数值可按线性或对数作DAC模拟输出，也可按串行或并行方式作数据输出。

1109/1121型光子计数器的主要性能指标为：阻抗为50Ω；等效噪声为17μV；最小可检测信号幅度为50μV；最小脉冲间隔≥2.5ns；放大器的带宽为150MHz、增益为×1~×100；最大计数率为3.7×107个/s。

5-2光子计数器的结构六、实用光子计数器5-3光子计数器的使用与应用

一、光子计数器的计数方式

目前，光子计数器的计数速率最大约为107个/s，总计数最大值为108。为了有多种测量功能，其计数方式有多种。

1.

定时正常计数光子计数器用的计数器，一般由两个计数电路构成：一个为预置器电路，用于数值设定与比较；另一个计数电路由时钟脉冲发生器组成。这两部分不同的连接会形成不同的计数方式。定时正常计数是最简单的计数方式，如图5-22所示。

5-3光子计数器的使用与应用一、光子计数器的计数方式5-3光子计数器的使用与应用一、光子计数器的计数方式

1.

定时正常计数

定时正常计数方式：预先在预置器上设定预置器动作所需的脉冲数，此脉冲数乘脉冲周期就是设定的采样时间。测定所设定时间内输入的光子脉冲数，即可获得光子流速率RA。

工作过程：当启动信号（目的是使计数器A、C计数同步）到达后，计数器A、C同时开始计数，其中计数器A计来自甄别器的脉冲，直到预置器发出停止脉冲；计数器C计内或外时钟脉冲，其计数值，不断快速通知预置器，一旦计数值达到所设定的值N，则预置器发出停止脉冲，使计数器A、C同时停止计数。5-3光子计数器的使用与应用一、光子计数器的计数方式5-3光子计数器的使用与应用一、光子计数器的计数方式

1.

定时正常计数设恒定的时钟脉冲频率为RC，计数器C达到计数N所需的时间为t，则

（5-6）

在相同的测量时间t内，计数器A的累加计数为

（5-7）由于RC、N为已知数，而NA可从计数器A读出，因此可求得光子流速率RA。5-3光子计数器的使用与应用一、光子计数器的计数方式5-3光子计数器的使用与应用一、光子计数器的计数方式

2.

倒数计数（定数正常计数）倒数计数时，输入信号起外部时钟频率的作用，恒定时钟脉冲频率RC则作为计数器A的输入。预置N后，启动计数器，则测量时间t为

（5-8）计数器A的输出将与信号脉冲的平均时间（1/RA）成比例，即

5-3光子计数器的使用与应用一、光子计数器的计数方式5-3光子计数器的使用与应用一、光子计数器的计数方式

2.

倒数计数（定数正常计数）

（5-9）

故称为倒数计数。

优点：在每一测量过程中利用了恒定数目的信号计数，因此，不论信号强弱，测量精度相同。5-3光子计数器的使用与应用一、光子计数器的计数方式5-3光子计数器的使用与应用一、光子计数器的计数方式

3.

源补偿计数（比例计数）由

（5-7）可知，若计数时间t越长，测量值越接近真实的光子速率。但如果在测量时间内，光源强度不稳定，则加长测量时间会造成更大的计数误差。图5-24是源补偿计数框图，它可以补偿由于光源强度的不稳定造成的计数误差。5-3光子计数器的使用与应用一、光子计数器的计数方式5-3光子计数器的使用与应用一、光子计数器的计数方式

3.

源补偿计数（比例计数）光源发出的光经分束器后，成为两束光束，即光束A和C。光束A经样品到达PMT1，PMT1用来接收样品的透射光，经放大、甄别后的计数速率为RA，它随光源的不稳定而变化；光束C通过PMT2检测，经放大、甄别后的计数速率为RC，它比例于光源强度。5-3光子计数器的使用与应用一、光子计数器的计数方式5-3光子计数器的使用与应用一、光子计数器的计数方式

3.源补偿计数（比例计数）将RA送到图5-22的计数器A，RC送到计数器C（外接计数位置），设定N后，可得输出计数为

（5-10）因此，消除了光源的影响，即RA/RC成比例，是一个常数。5-3光子计数器的使用与应用一、光子计数器的计数方式5-3光子计数器的使用与应用一、光子计数器的计数方式

4.背景扣除（1）简单背景扣除

任何一个光子计数系统，都免不了有背景光和暗电流的计数（如PMT的B类噪声脉冲）。在背景光与系统稳定性能较好时，此背景和暗电流计数可作为一常数进行扣除。这时，一般是作一次无信号光的计数（NN）测量，再作一次有信号光入射且加背景的计数（NS+N=NS+NN），两者相减，即可获得扣除背景和暗电流噪声的计数NS。一般，光子计数器系统可自动完成这种相减的操作。5-3光子计数器的使用与应用一、光子计数器的计数方式5-3光子计数器的使用与应用一、光子计数器的计数方式

4.

背景扣除（2）斩波器自动背景扣除光子计数器测定极弱光子流时，每测定一个值，需要较长的时间。因此，背景噪声不能看成一个常数，这时，可用斩波器扣除背景噪声的方法。

5-3光子计数器的使用与应用一、光子计数器的计数方式5-3光子计数器的使用与应用一、光子计数器的计数方式

4.

背景扣除（2）斩波器自动背景扣除

扣除背景噪声的方法：光源发出的光经斩波器斩波后，经样品到达PMT，产生交替的“S+N”和“N”的计数。利用斩波器输出的同步脉冲，使定时控制器交替的选择使用计数器A和计数器B。用计数器A计“S+N”的计数；用计数器B计“N”的计数。若斩波器的开关时间相等（只需斩波器的通光和遮光区相等即可），最后通过运算电路A-B，即可获得扣除背景的信号计数NS；若斩波器的开关时间不相等，通过比例运算后，也可扣除背景噪声获得信号计数NS。通过运算电路A+B可获得测量时间内的总计数。

5-3光子计数器的使用与应用一、光子计数器的计数方式5-3光子计数器的使用与应用二、取样时间选取引起的误差估计

在随机离散量的测量过程中，测量时间越长，测量值越接近其数学期望值。下面讨论在选定测量时间后，如何估计随机离散量的测量误差。以随机离散量服从泊松分布为例讨论。如果随机离散量服从泊松分布，则其测量误差可表示为

（5-11）

测量时间越长，测量误差σ越大，而相对误差σ/Rt越小。另一方面，从SNR的角度来看，SNR越大，测量误差越小，故可用1/SNR作测量误差估计的度量。可以设想，噪声随机性造成的SNR，应与σ相关，可直接定义:

5-3光子计数器的使用与应用二、取样时间选取引起的误差估5-3光子计数器的使用与应用二、取样时间选取引起的误差估计

SNR=S/σ

（5-12）在斩波器自动扣除背景测量方法中，S=NA-NB，而NA+NB为总测量值。按泊松分布的讨论，

NA+NB=σ2。因此用1/SNR作测量误差估计的度量，则有

（5-13）下面举例说明：设测量时间t=10s，用斩波器扣除背景法测量。5-3光子计数器的使用与应用二、取样时间选取引起的误差估5-3光子计数器的使用与应用二、取样时间选取引起的误差估计（1）NA=106，NB=104

则有

NA-NB=9.99×105；NA+NB=1.01×106；

σ=1.005×103；SNR=994.04；

1/SNR=0.001。

（2）NA=106，NB=105

则有

NA-NB=9.9×105；NA+NB=1.1×106；

σ=1.049×103；SNR=943.9；

1/SNR=1.06×10-3。5-3光子计数器的使用与应用二、取样时间选取引起的误差估5-3光子计数器的使用与应用二、取样时间选取引起的误差估计（3）NA=106，NB=9×105

则有

NA-NB=1×105；NA+NB=1.9×106；

σ=1.38×103；SNR=72.548；

1/SNR=0.013。（4）NA=106，NB=9.99×105

则有

NA-NB=1×105；NA+NB=1.999×106；

σ=1.41×103；SNR=0.71；

1/SNR=1.01。

分析：随着光子流强的减小（NA-NB变小），在同样的测量时间内，却有相差悬殊的误差。

5-3光子计数器的使用与应用二、取样时间选取引起的误差估5-3光子计数器的使用与应用三、脉冲堆积效应

简化：假设PMT的量子效率为100%，即当一个光子到达PMT的光阴极时，便有一个光电子离开光阴极，在阳极得到一个宽度为10～20ns的脉冲。如果现在有三个光子，第二个光子比第一个光子迟5ns到达，第三个光子又比第二个光子迟5ns到达。但是由于PMT渡越时间的分散产生脉冲的宽度为10~20ns，因此三个彼此相隔5ns的光脉冲将在阳极发生重叠，实际输出5-3光子计数器的使用与应用三、脉冲堆积效应5-3光子计数器的使用与应用三、脉冲堆积效应却是一个脉冲，如果简单地用一个普通的放大-甄别器来测量，则获得一个计数，这就是PMT的脉冲堆积效应。它限制光子计数器只能在光子速率小于108（100MHz）的情况下计数。

光子发射的泊松分布实际上表示了PMT的分辨率，也表示了脉冲堆积的概率分布。例如，对于不同的光子速率和不同的PMT（快速PMT与慢速PMT），其脉冲堆积的概率是不同的。对快速PMT，其时间响应为10ns；而慢速PMT的时间响应为50ns。对于相同的光子速率，根据泊松分布，出现脉冲数n的概率也将不同。5-3光子计数器的使用与应用三、脉冲堆积效应5-3光子计数器的使用与应用三、脉冲堆积效应表5-3列出了光子速率R=108(100MHz)和R=107(10MHz)，对于快速与慢速PMT的n出现概率的计算，其中n=0表示零阶计数。5-3光子计数器的使用与应用三、脉冲堆积效应5-3光子计数器的使用三、脉冲堆积效应分析：（1）光子速率R=108