[科普中國(guó)]-光子計(jì)數(shù)器

背景

隨著近代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)極微弱光的信息檢測(cè)產(chǎn)生越來(lái)越濃厚的興趣。單光子探測(cè)技術(shù)再高分辨率的光譜測(cè)量，非破壞性物質(zhì)分析，高速現(xiàn)象檢測(cè)，精密分析，大氣測(cè)污，生物發(fā)光，放射探測(cè)，高能物理，天文測(cè)光，光時(shí)域反射，量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。

所謂弱光，是指光電流強(qiáng)度比光電倍增管本身在室溫下的熱噪聲水平（10-14W）還要低的光。因此，用通常的直流測(cè)量方法，已不能把淹沒(méi)在噪聲中的信號(hào)提取出來(lái)。近年來(lái)，由于鎖定放大器在信號(hào)頻帶很寬或噪聲與信號(hào)有同樣頻譜時(shí)就無(wú)能為力了，而且它還受模擬積分電路飄移的影響，因此鎖定放大器在弱光測(cè)量受到一定的限制。

現(xiàn)代光子計(jì)數(shù)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是：有很高的信噪比?；旧舷斯怆姳对龉艿母邏褐绷髀╇娏骱透鞅对鰳O的熱電子發(fā)射形成的暗電流所造成的影響。可以區(qū)分強(qiáng)度有微小差別的信號(hào)，測(cè)量精度很高?？蛊菩院芎?。在光子計(jì)數(shù)測(cè)量系統(tǒng)中，光電倍增管增益的變化、零點(diǎn)漂移和其他不穩(wěn)定因素對(duì)計(jì)數(shù)影響不大，所以時(shí)間穩(wěn)定性好。有比較寬的線性動(dòng)態(tài)范圍，最大計(jì)數(shù)率可達(dá)測(cè)106s-1。量數(shù)據(jù)以數(shù)字顯示，并以數(shù)字信號(hào)形式直接輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析處理。1

光子計(jì)數(shù)器簡(jiǎn)介光子的量子特性光是由光子組成的光子流，光子是靜止質(zhì)量為零，有一定能量的粒子。一個(gè)光子的能量可用下式確定

式中c=3.0×108m/s是真空中的光速，h=6.6×10-34J.S是普朗克常數(shù)。光流強(qiáng)度常用光功率表示，單位為W。單色光的光功率可用下式表示

式中R為單位時(shí)間通過(guò)某一截面的光子數(shù)。即只要測(cè)得R，就可得到。

光子計(jì)數(shù)器組成部分光子計(jì)數(shù)器主要由光電倍增管、放大器、甄別器和計(jì)數(shù)器組成。

原理光電計(jì)數(shù)器工作時(shí)，光電倍增管的光電陰極接受光輻射的照射，在光電倍增光的負(fù)載上形成了一系列的電脈沖，把它連接到放大器上。這些脈沖經(jīng)放大器放大后，加在甄別器的輸入器上，甄別器濾除部分噪音脈沖，只允許那些和光輻射功率成正比的脈沖通過(guò)，并送入計(jì)數(shù)器。2

（1）光電倍增管

光電倍增管(PMT)是一種高靈敏度電真空光敏器件，在弱光測(cè)量中，人們首先選用它人微言輕光信號(hào)的探測(cè)器件。光電倍增管由光窗、光陰極、倍增極和陽(yáng)極組成。常用的光電倍增管有盒式結(jié)構(gòu)、直線聚焦結(jié)構(gòu)和百葉窗結(jié)構(gòu)。

光窗：光線或射線射入的窗口，檢測(cè)不同的波長(zhǎng)的光，應(yīng)選擇不同的光窗玻璃。

光陰極：這是接受光子產(chǎn)生光電子的電極，它由光電效應(yīng)概率大而光子逸出功小的材料制造。

倍增極：管內(nèi)光電子產(chǎn)生倍增的電極，在光電倍增管的光陰極及各倍增極上加有適當(dāng)?shù)碾妷?，?gòu)成電子光學(xué)聚集系統(tǒng)。當(dāng)光電倍增管光陰極產(chǎn)生的光電子打到倍增極上產(chǎn)生二次電子時(shí)，這些電子被聚焦到下一級(jí)倍增極上又產(chǎn)生二次電子，因此使管內(nèi)電子數(shù)目倍增。倍增極的數(shù)目有8～13個(gè)，一般電子放大倍數(shù)達(dá)106-109。

陽(yáng)極：這是最后收集電子的電極，經(jīng)過(guò)多次倍增后的電子被陽(yáng)極收集，形成輸出信號(hào)，陽(yáng)極與末級(jí)倍增極間要求有最小的電容。

光電倍增管有兩種高壓偏置方式：一種是陰極接地，陽(yáng)極接一個(gè)高的正電壓；另一種是陽(yáng)極經(jīng)過(guò)一個(gè)適當(dāng)?shù)呢?fù)載電阻接地，而使陰極具有一個(gè)高的負(fù)電壓。

光電倍增管性能的好壞直接關(guān)系到光子計(jì)數(shù)器能否正常工作。對(duì)光電倍增管的主要要求有：光譜響應(yīng)適合于所用的工作波段，暗電流要小（它決定管子的探測(cè)靈敏度）；響應(yīng)速速度快、后續(xù)脈沖效應(yīng)小及光陰極穩(wěn)定性高。

（2）放大器

放大器把光電倍增管陽(yáng)極回路輸出的光電子脈沖及其他的噪聲脈沖線性放大，因而放大器的設(shè)計(jì)要有利于電子脈沖的形成和傳輸，要求：有一定的增益；上升時(shí)間，即放大器的通頻帶寬達(dá)100MHz；有較寬的線性動(dòng)態(tài)范圍及低噪聲系數(shù)。

（3）甄別器

甄別器的作用是棄除低幅度的噪聲脈沖，降低光子計(jì)數(shù)器的背景計(jì)數(shù)率，提高檢測(cè)結(jié)果的信噪比。通過(guò)選擇甄別器的第一甄別電平V1和第二甄別電平V2，可實(shí)現(xiàn)只將陰極發(fā)射而形成的單光子脈沖和熱電子脈沖轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)脈沖參加計(jì)數(shù)，而扣除掉其他噪聲脈沖。

甄別器可以具有第一甄別電平和第二甄別電平，兩者相差V。當(dāng)V 為允許脈沖通過(guò)的閥值時(shí)，這種方式稱之為窗式工作方式。V1和V2根據(jù)光電倍增管的脈沖幅度分布曲線設(shè)定，分別抑制脈沖幅度低的暗噪聲與脈沖幅度高的由宇宙射線和天電干擾等造成的外來(lái)干擾脈沖，經(jīng)過(guò)甄別器鑒別的輸出信號(hào)是一個(gè)幅度與寬度標(biāo)準(zhǔn)化的脈沖，最后通過(guò)計(jì)數(shù)器或定標(biāo)器記錄，可測(cè)得排除大部分噪聲的信號(hào)光子數(shù)，由于光子信號(hào)的半寬度約為10~30ns，因此放大器需要足夠的帶寬，常用的放大器帶寬為100~200MHz，上升及下降時(shí)間要求小于3ns，同時(shí)放大器還要求有好的線性度（