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光子计数器的基本原理 及其应用研究 2011/6/20 分析了单光子计数器的基本原理，主要组成部件。重点介绍了光电倍增管，放大器，甄别器，计数器等各部件在微光信号检测中的功能。及光子计数器的应用。 光子计数器的基本原理及其应用研究 摘要： 分析了单光子计数器的基本原理，主要组成部件。重点介绍了光电倍增管，放大器，甄别器，计数器等各部件在微光信号检测中的功能。介绍了光子计数器的主要误差来源。总结出光子计数器的优点从而介绍其在科学技术总的广泛应用，侧重的说明了光子计数技术在激光脉冲探测中的应用还有光子图像的探测技术。 关键词： 光子计数；光电倍增管；激光脉冲探测；光子图像 引言 随着近代科学技术的发展，人们对极微弱光的信息检测产生越来越浓厚的兴趣。单光子探测技术再高分辨率的光谱测量，非破坏性物质分析，高速现象检测，精密分析，大气测污，生物发光，放射探测，高能物理，天文测光，光时域反射，量子密钥分发系统等领域有着广泛应用。它已经成为各个发达国家光电子学界研究的课题之一 。 所谓弱光，是指光电流强度比光电倍增管本身在室温下的热噪声水平（10-14W）还要低的光。因此，用通常的直流测量方法，已不能把淹没在噪声中的信号提取出来。近年来，由于锁定放大器在信号频带很宽或噪声与信号有同样频谱时就无能为力了，而且它还受模拟积分电路飘移的影响，因此锁定放大器在弱光测量受到一定的限制。 现代光子计数技术的优点是：有很高的信噪比。基本上消除了光电倍增管的高压直流漏电流和各倍增极的热电子发射形成的暗电流所造成的影响。可以区分强度有微小差别的信号，测量精度很高。抗漂移性很好。在光子计数测量系统中，光电倍增管增益的变化、零点漂移和其他不稳定因素对计数影响不大，所以时间稳定性好。有比较宽的线性动态范围，最大计数率可达测106s-1。量数据以数字显示，并以数字信号形式直接输入计算机进行分析处理。 基本原理 1、光子的量子特性 光是由光子组成的光子流，光子是静止质量为零，有一定能量的粒子。一个光子的能量可用下式确定 式中=3.0×108m/s是真空中的光速，h=6.6×10-34J.S是普朗克常数。光流强度常用光功率表示，单位为W。单色光的光功率可用下式表示 式中R为单位时间通过某一截面的光子数。即只要测得R，就可得到。 2、光子计数器原理 光子计数器主要由光电倍增管、放大器、甄别器和计数器组成。 光电计数器工作时，光电倍增管的光电阴极接受光辐射的照射，在光电倍增光的负载上形成了一系列的电脉冲，把它连接到放大器上。这些脉冲经放大器放大后，加在甄别器的输入器上，甄别器滤除部分噪音脉冲，只允许那些和光辐射功率成正比的脉冲通过，并送入计数器。 光子计数器的组成 2.1光电倍增管 光电倍增管(PMT)是一种高灵敏度电真空光敏器件，在弱光测量中，人们首先选用它人微言轻光信号的探测器件。光电倍增管由光窗、光阴极、倍增极和阳极组成。常用的光电倍增管有盒式结构、直线聚焦结构和百叶窗结构。 光窗：光线或射线射入的窗口，检测不同的波长的光，应选择不同的光窗玻璃。 光阴极：这是接受光子产生光电子的电极，它由光电效应概率大而光子逸出功小的材料制造。 倍增极：管内光电子产生倍增的电极，在光电倍增管的光阴极及各倍增极上加有适当的电压，构成电子光学聚集系统。当光电倍增管光阴极产生的光电子打到倍增极上产生二次电子时，这些电子被聚焦到下一级倍增极上又产生二次电子，因此使管内电子数目倍增。倍增极的数目有8～13个，一般电子放大倍数达106-109。 阳极：这是最后收集电子的电极，经过多次倍增后的电子被阳极收集，形成输出信号，阳极与末级倍增极间要求有最小的电容。 光电倍增管有两种高压偏置方式：一种是阴极接地，阳极接一个高的正电压；另一种是阳极经过一个适当的负载电阻接地，而使阴极具有一个高的负电压。 光电倍增管性能的好坏直接关系到光子计数器能否正常工作。对光电倍增管的主要要求有：光谱响应适合于所用的工作波段，暗电流要小（它决定管子的探测灵敏度）；响应速速度快、后续脉冲效应小及光阴极稳定性高。 光电倍增管结构 光电倍增管的典型输出脉冲高度分布 2.2放大器 放大器把光电倍增管阳极回路输出的光电子脉冲及其他的噪声脉冲线性放大, 因而放大器的设计要有利于电子脉冲的形成和传输, 要求: 有一定的增益; 上升时间, 即放大器的通频带宽达100MH z; 有较宽的线性动态范围及低噪声系数。 放大器的输出脉冲 2.3甄别器 甄别器的作用是弃除低幅度的噪声脉冲，降低光子计数器的背景计数率，提高检测结果的信噪比。通过选择甄别器的第一甄别电平V1和第二甄别电平V2，可实现只将阴极发射而形成的单光子脉冲和热电子脉冲转换为标准脉冲参加计数，而扣除掉其他噪声脉冲。 甄别器可以具有第一甄别电平和第二甄别电