[南京大学11级近代物理实验二(大四上学期)]单光子计数v1.1.docx

PAGE \* MERGEFORMAT 1 单光子计数 实验目的 了解单光子计数工作原理。 了解单光子计数器的主要性能，掌握其基本操作方法。 了解用单光计数器系统结检测微弱光信号的方法。 实验仪器 实验系统 单光子计数实验系统由单光子计数器、外光路、制冷系统和电脑控制软件等组成，示意图如图3-1所示。 图3-1 单光子计数实验系统 光子计数器 光子计数器的组成如图3-2所示。以下分别叙述各部分功能。 图3-2 典型的光子计数系统 光电倍增管 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。对光子计数器中所用的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）；响应速度快、后续脉冲效应小及光阴极稳定性高。 为了提高弱光测量的信噪比，在管子选定之后，还要采取一些措施： 屏蔽电磁噪声：电磁噪声对光子计数是非常严重的干扰，因此，作光子计数用的光电倍增管都要加以屏蔽，最好是在金属外套内衬以坡莫合金。 光电倍增管的供电部分减小噪声：通常的光电技术中，光电倍增管采用负高压供电，如图3-7所示,即光阴极对地接负高压，外套接地。阳极输出端可直接接到放大器的输入端。此时，光阴极及各倍增极（特别是第一、第二倍增极）与外套之间存在电位差，漏电流能使玻璃管壁产生荧光，阴极也可能发生场致辐射，造成虚假计数，这对光子计数来讲是相当大的噪声。为了防止这种噪声的发生，可以在管壁与外套之间放置一金属屏蔽层，金属屏蔽层通过一个电阻接到光阴极上，使光阴极与屏蔽层等电位；另一种方法是改为正高压供电，即阳极接正高压，阴极和外套接地，但输出端需要加一个隔直流、耐高压、低噪声的电容，具体接法如图3-3所示。 图3-3 光电倍增管的正高压供电及阳极电路 驱除热噪声：为获得较高的稳定性，降低暗计数率，本系统配有降低光电倍增管工作温度的致冷装置，并选用具有小面积光阴极的光电倍增管，阴极有效尺寸是。 放大器 放大器的功能是把光电倍增管阳极回路输出的光电子脉冲和其它的噪声脉冲线性放大，因而放大器的设计本着有利于光电子脉冲的形成和传输。对放大器的主要要求有：有一定的增益；上升时间tr≤3ns，即放大器的通频带宽达100MHz；有较宽的线性动态范围及噪声系数要低。 图3-4中放大器的输出脉冲放大器的增益可按如下数据估算：光电倍增管阳极回路输出的单光电子脉冲的高度为Va，单个光电子的电量e=1.6×10-19C，光电倍增管的增益G=106，光电倍增管输出的光电子脉冲宽度tw＝10－20ns量级。按10ns脉冲计算，阳极电流脉冲幅度 Ia≈1.6×10-5A=16μA 设阳极负载电阻RL＝50Ω ，分布电容C=20PF 则输出脉冲电压波形不会畸变， 其峰值为： Va＝IaRL≈8.0×10－4V=0.8mV 当然，实际上由于各倍增极的倍增系数遵从泊松分布的统计规律，输出脉冲的高度也遵从泊松分布。上述计算值只是一个光子引起的平均脉冲峰值的期望值一般的脉冲高度甄别器的甄别电平在几十毫伏到几伏内连续可调，所以要求放大器的增益大于100倍即可。 图3-4 放大器的输出脉冲 脉冲高度甄别器 脉冲高度甄别器的功能是鉴别输出光电子脉冲，弃除光电倍增管的热发射噪声脉冲。在甄别器内设有一个连续可调的参考电压——甄别电平Vh。如图3-5所示，当输出脉冲高度高于甄别电平Vh时，甄别器就输出一个标准脉冲；当输入脉冲高度低于Vh时，甄别器无输出。如果把甄别电平选在与图3-10中谷点对应的脉冲高度Vh上，这就弃除了大量的噪声脉冲，因对光电子脉冲影响较小，从而大大提高了信噪比。Vh称为最佳甄别（阈值）电平。 对甄别器的要求：甄别电平稳定，以减小长时间计数的计数误差；灵敏度（可甄别的最小脉冲幅度）较高，这样可降低放大器的增益要求；要有尽可能小的时间滞后，以使数据收集时间较短；死时间小、建立时间短、 脉冲对分辨率≤10ns，以保证一个个脉冲信号能被分辨开来，不致因重叠造成漏计。 图3-5 甄别器的作用：a为放大后，b为甄别后 需要注意的是：当用单电平的脉冲高度甄别器鉴别输出时，对应某一电平值V，得到的是脉冲幅度大于或等于V的脉冲总计数率，因而只能得到积分曲线（如图3-6所示），其斜率最小值对应的V就是最佳甄别（阈值）电平Vh，在高于最佳甄别电平Vh的曲线斜率最大处的电平V对应单光电子峰。 图3-6 光电倍增管脉冲高度分布—积分曲线 计数器 计数器的作用是将甄别器输出的脉冲累计起来并予以显示。用于光子计数的计数器要满足高计数率的要求，即要能够分辨时间间隔为10ns的二脉冲，相应的计数率为100MHz。不过当光子计数器用于微弱光的量测时，它的计数率一般很低。因此采用计数率低于10MHz的计数器亦可。这部分还必须有控制计数时间的功能。 光子计数器的噪声和信噪比 光子