光子计数技术.ppt

光子光子计计数器数器1.光子光子计计数器数器 1 概述概述 2 光光电电倍增管及偏置倍增管及偏置电电路与接地方式路与接地方式 3 光子光子计计数数过过程中的噪声程中的噪声4 光子光子计计数器中的放大器数器中的放大器 5 光子光子计计数器数器测测量弱光的上限量弱光的上限 6 光子光子计计数器中的数器中的鉴别鉴别器器 7 光光电电倍增管的倍增管的单单光子响光子响应应峰峰 8 光光电电倍增管的倍增管的计计数坪区数坪区最佳偏最佳偏压压的的选择选择2.一、一、单单光子光子计计数技数技术术利利用用弱弱光光照照射射下下光光电电探探测测器器输输出出电电信信号号自自然然离离散散的的特特点点，采采用用脉脉冲冲甄甄别别技技术术和和数数字字计计数数技技术术把把极极其其微微弱弱的的信信号号识识别别并并提取出来。提取出来。单单光子光子计计数探数探测测技技术术是一种是一种极微弱光探极微弱光探测测法。法。它它所所探探测测的的光光的的光光电电流流强强度度比比光光电电检检测测器器本本身身在在室室温温下下的的热热噪噪声声水水平平（10-14W）还还要要低低，用用通通常常的的直直流流检检测测方方法法不不能能把把这这种湮没在噪声中的信号提取出来。种湮没在噪声中的信号提取出来。1 概述概述 3.单单光子探光子探测测技技术应术应用用：高分辨率的光高分辨率的光谱测谱测量、量、非破坏性物非破坏性物质质分析、高速分析、高速现现象象检测检测、精密分析、大气精密分析、大气测污测污、生物、生物发发光、光、放射探放射探测测、高能物理、天文、高能物理、天文测测光、光、量子密量子密钥钥分分发发系系统统等等领领域。域。单单光光子子探探测测器器在在高高技技术术领领域域具具有有重重要要地地位位，成成为为各各国国光光电电子学界重点研究的子学界重点研究的课题课题之一之一。4.这这种技种技术术和模和模拟检测拟检测技技术术相比有如下相比有如下优优点点：测测量量结结果果受受光光电电探探测测器器的的漂漂移移、系系统统增增益益变变化化以以及及其其它它不不稳稳定因素的影响定因素的影响较较小小；消消除除了了探探测测器器的的大大部部分分热热噪噪声声的的影影响响，大大大大提提高高了了测测量量结结果的果的信噪比信噪比；有比有比较宽较宽的的线线性性动态动态区区；输输出数字信号，出数字信号，适合适合与与计计算机接口算机接口连连接接进进行行数字数据数字数据处处理理。5.二、二、单单光子光子计计数的光数的光电电器件器件可用来作可用来作为单为单光子光子计计数的光数的光电电器件有器件有许许多种，多种，光光电电倍增管（倍增管（PMT）、）、雪崩光雪崩光电电二极管（二极管（APD）、）、增增强强型光型光电电二极管（二极管（IPD）、）、微通道板（微通道板（MCP）、）、微球板（微球板（MSP）真空光真空光电电二极管（二极管（VAPD）6.1.光光电电倍增管（倍增管（PMT）单单光子探光子探测测器器 单单光子探光子探测测需要的光需要的光电电倍增管要求增益高、暗倍增管要求增益高、暗电电流小、流小、噪声低、噪声低、时间时间分辨率高、量子效率高、分辨率高、量子效率高、较较小的上升和下小的上升和下降降时间时间。特点特点：具有高的增益（具有高的增益（104107）；）；大光敏面大光敏面积积；低噪声等效功率（低噪声等效功率（NEP）；）；体体积庞积庞大、量子效率低下、反向偏大、量子效率低下、反向偏压压高；高；仅仅能能够够工作在工作在UV和可和可见见光光谱谱范范围围内；内；抗外部磁抗外部磁场场能力能力较较差。差。7.2、雪崩光、雪崩光电电二极管（二极管（APD）雪崩光雪崩光电电二极管不同于光二极管不同于光电电倍增管，它是一种建立在内光倍增管，它是一种建立在内光电电效效应应基基础础上的光上的光电电器件。器件。雪崩光雪崩光电电二极管具有内部增益和放大的作用，一个光子可二极管具有内部增益和放大的作用，一个光子可以以产产生生10100对对光生光生电电子空穴子空穴对对，从而能，从而能够够在器件内部在器件内部产产生很大的增益。生很大的增益。8.目前目前应应用的用的APD主要有三种，即主要有三种，即Si-APD、Ge-APD和和InGaAs-APD。它。它们们分分别对应别对应不同不同的波的波长长。Si-APD主要工作在主要工作在400nm1100nm，Ge-APD在在800nm1550nm，InGaAs-APD则则在在900nm1700nm。已已经经有了相关的有了相关的报报道：在光通信三个波段（即道：在光通信三个波段（即850nm、1310nm和和1550nm）的）的单单光子探光子探测测器用于量子密器用于量子密钥钥系系统统。9.APD单单光子光子计计数具有量子效率高、功耗低、工作数具有量子效率高、功耗低、工作频谱频谱范范围围大、体大、体积积小、工作小、工作电压较电压较低等低等优优点点。但是同但是同时时也有增益低、噪声大，外也有增益低、噪声大，外围围控制控制电电路及路及热电热电制制冷冷电电路路较较复复杂杂等等缺点缺点。10.3、真空雪崩光、真空雪崩光电电二极管（二极管（VAPD）针对针对PMT和和APD的缺点，目前开的缺点，目前开发发出一种真空雪崩光出一种真空雪崩光电电二二极管（极管（VAPD）单单光子探光子探测测器，器，它是由光阴极和一个具有大它是由光阴极和一个具有大光敏区面光敏区面积积的半的半导导体硅体硅APD组组成成。光阴极和光阴极和APD之之间间保持高真空保持高真空态态，光子信号打到光阴极上，光子信号打到光阴极上，产产生光生光电电子，子，这这些光些光电电子在高子在高压电场压电场的作用下加速，然后再的作用下加速，然后再打到打到APD上。上。对对于硅于硅APD，这这些光些光电电子的能量子的能量约为约为硅禁硅禁带带能量的能量的2000倍，倍，这样这样一个光一个光电电子就能子就能产产生大于生大于2000对对的的电电子空穴子空穴对对。在。在VAPD中，中，Si-APD的典型增益的典型增益为为500倍，因而倍，因而VAPD的增益可的增益可以达到以达到106倍。倍。11.VAPD单单光子探光子探测测器是一种器是一种PMT和和APD相相结结合的合的产产物，物，具有具有许许多多PMT和和APD无法比无法比拟拟的的优优点。点。其其主要特点主要特点有：低噪声、有：低噪声、动态动态范范围围大、分辨率高、抗磁大、分辨率高、抗磁干干扰扰能力能力强强、探、探测测光光谱谱范范围宽围宽等特点。等特点。12.三、三、单单光子探光子探测测器的器的现现状及其状及其发发展展对对于可于可见见光探光探测测，光，光电电倍增管有很好的响倍增管有很好的响应应度，暗度，暗电电流流也非常小，很早就用于也非常小，很早就用于单单光子光子计计数，数，现现在技在技术术已已经经比比较较成成熟，市熟，市场场上也有了不少上也有了不少类类似的似的产产品。品。随着人随着人们对红们对红外光研究的不断深入，特外光研究的不断深入，特别别是近年来是近年来量子量子通信技通信技术术、量子密、量子密码术码术的研究不断引起各国的重的研究不断引起各国的重视视，对红对红外通信波段（外通信波段（850nm、1310nm和和1550nm）单单光子探光子探测测器器的研究尤的研究尤为为迫切。迫切。光光电电倍增管却倍增管却显显得无能得无能为为力力，即使是最好的，即使是最好的红红外光阴极外光阴极-Si阴极，光阴极，光谱谱响响应应到到1050nm就已就已经经截止了，截止了，仅这仅这一点就排一点就排除了光除了光电电倍增管在倍增管在红红外通信波段的外通信波段的应应用。用。13.在在850nm波段，考波段，考虑虑到光到光电电倍增管工作倍增管工作电压电压很高和使用很高和使用维护维护的复的复杂杂程度，在程度，在实际应实际应用中人用中人们还们还是是选选用用Si-APD雪崩雪崩光光电电二极管。二极管。现现在在对对Si的研究已的研究已经趋经趋于成熟，于成熟，Si-APD也已也已经经有了比有了比较较好的制造工好的制造工艺艺。国外已。国外已经经有公司开有公司开发发出了出了专门针对专门针对850nm单单光子探光子探测测的商用的商用Si-APD。在在1310nm和和1550nm波段，波段，Si-APD已已经经不能用于不能用于进进行行单单光子探光子探测测了，一般了，一般选选用用InGaAs-APD，但由于制造工，但由于制造工艺艺的的问题问题，目前，目前还还没有没有专门针对单专门针对单光子探光子探测测的商用的商用InGaAs-APD。目前。目前对这对这两个波段的两个波段的单单光子探光子探测测一般都是关于利用一般都是关于利用现现有有针对针对光光纤纤通信的商用通信的商用APD，通，通过优过优化外化外围驱动电围驱动电路，路，改善工作改善工作环环境，使其达到境，使其达到单单光子探光子探测测的目的。的目的。14.目前目前对对单单光子探光子探测测器将主要从两个方面去研究器将主要从两个方面去研究一方面，研制和开一方面，研制和开发发有有高灵敏度新型高灵敏度新型结结构的光探构的光探测测器器；另一方面，另一方面，研究和改研究和改进进探探测测器的外器的外围围控制控制驱动驱动技技术术，利，利用用现现有的探有的探测测器器进进行行单单光子探光子探测测。15.四、四、PMT单单光子光子计计数器的数器的组组成成 单单光子光子计计数器由光数器由光电电倍增管（倍增管（PMT），前置放大器，），前置放大器，幅度幅度鉴别鉴别器和器和计计数器构成。数器构成。高高压电压电源源来是来是PMT正常工作；正常工作；PMT必必须须配配备备制冷器制冷器以以减少阴极的减少阴极的热电热电子子发发射。射。16.PMT单单光子光子计计数系数系统统工作原理工作原理PMT接受光接受光辐辐射；射；阳极阳极产产生生电电流脉冲并流脉冲并经过经过阳极阳极负载输负载输出；出；经过经过放大器信号放大后送到放大器信号放大后送到鉴别鉴别器；器；鉴别鉴别器通器通过设过设置第一置第一鉴别电鉴别电平和第二平和第二鉴别电鉴别电平来减少暗平来减少暗电电流和干流和干扰扰；计计数器数器计计得信号脉冲的个数并得信号脉冲的个数并显显示出来。示出来。17.光光电电倍倍增增管管是是光光子子计计数数器器的的核核心心部部体体，它它将将接接收收到到的的一一个一个光子个一个光子转变为电转变为电脉冲信号。脉冲信号。要使光要使光电电倍增管正常工作，必倍增管正常工作，必须须配配备备致冷器和高致冷器和高压电压电源。源。并不是所有的光并不是所有的光电电倍增管都适于制作光子倍增管都适于制作光子计计数器。数器。对对用用于光子于光子计计数器的光数器的光电电倍增管有一些特殊的要求倍增管有一些特殊的要求。2 光光电电倍增管及偏置倍增管及偏置电电路与接地方式路与接地方式18.1.光光电电倍增管的工作原理回倍增管的工作原理回顾顾 光光电电倍增管是利用外光倍增管是利用外光电电效效应应把入射光子把入射光子转变为转变为光光电电信号的探信号的探测测器。器。光光电电倍增管的倍增管的结结构示意构示意图图如如图图所示。所示。D1 D3 D5 D7 D 9 D2 D4 D6 D8 D10 19.2.倍增极倍增极结结构与渡越构与渡越时间时间的关系的关系 光光电电倍倍增增管管的的渡渡越越时时间间：从从光光电电阴阴极极K接接受受一一个个光光子子开开始始，到到阳阳极极收收集集到到D10发发射射的的二二次次电电子子为为止止，所所需需的的时时间间为为。渡渡越越时时间间是一个是一个平均平均值值。渡渡越越时时间间离离散散：由由于于各各极极二二次次电电子子飞飞越越的的轨轨道道不不可可能能完完全全一一致致，渡渡越越时时间间也也就就不不可可能能完完全全相相等等，因因此此，阳阳极极从从收收集集到到第第一一个个二二次次电电子子和和最最后后一一个个二二次次电电子子的的时时间间是是不不同同的的，这这个个时时间间差差称称为为渡越渡越时间时间离散离散，记为记为。渡越渡越时间时间离散离散和渡越和渡越时间时间都和光都和光电电倍增管的倍增管的结结构有关构有关。渡越渡越时间时间离散降低了离散降低了PMT的的频频率响率响应应特性。特性。20.渡越渡越时间时间离散的影响离散的影响阳极阳极电电流脉冲的流脉冲的宽宽度度：阳极：阳极电电流脉冲的形状中，流脉冲的形状中，tw为为光光电电流脉流脉冲的半冲的半宽宽度，即幅度下降至一半度，即幅度下降至一半时时所所对应对应的脉的脉宽宽。阳极阳极电电流脉冲的流脉冲的宽宽度与渡越度与渡越时间时间离散程度成正比，越离散程度成正比，越宽宽就越就越容易容易产产生交叠。目前，用于光子生交叠。目前，用于光子计计数的光数的光电电倍增管的倍增管的输输出阳极出阳极电电流脉冲半流脉冲半宽宽度度约为约为1030ns。为为了充分利用光了充分利用光电电倍增管的响倍增管的响应应速度，光速度，光电电倍增管的倍增管的电电路路时时间间常量常量应应小小于小小于tw。21.直列聚焦式光直列聚焦式光电电倍增管倍增管，结结构如构如图图所示。它的渡越所示。它的渡越时间时间离散离散很小，渡越很小，渡越时间时间也也较较小。若将其光阴极也制成曲面形状，小。若将其光阴极也制成曲面形状，则这则这种管子种管子最最为为适宜作光子适宜作光子计计数器使用数器使用。聚焦聚焦电电极极KA22.3.PMT的增益与二次的增益与二次电电子子发发射系数回射系数回顾顾 倍增管的增益倍增管的增益G定定义为义为二次二次电电子子发发射系数射系数又称又称为为倍增系数倍增系数值值一般一般为为36，视视倍增极的材料和工作偏倍增极的材料和工作偏压压而定。而定。23.在在理理想想情情况况下下，设设阴阴极极和和倍倍增增极极发发射射的的电电子子都都被被阳阳极极所所收收集集，则则光光电电倍倍增增管管的的增增益益G和和倍倍增增极极的的二二次次电电子子发发射射系系数数m之之间间的关系的关系为为:n为为倍增极的个数，一般倍增极的个数，一般为为914；若倍增系数相等，若倍增系数相等，m的取的取值值范范围围按按36计计，n按按914计计，则则光光电电倍增管的增益倍增管的增益G可高达可高达7.81010，一般，一般为为105108之之间间。24.一一个个光光子子被被光光电电倍倍增增管管的的光光阴阴极极吸吸收收后后，如如果果能能在在阳阳极极形形成成一一个个电电流流脉脉冲冲，则则其其形形状状如如图图（b）所所示示。其其中中图图（a）为电为电荷累荷累积积的的时间时间。电电流流的的脉脉冲冲宽宽度度tw的的典典型型值值一一般般为为1020ns。取取 光光 电电 倍倍 增增 管管 的的 增增 益益 G=106，tw=20ns，则则可可计计算算出出阳阳极极电电流流脉脉冲冲的的高度高度为为：4.光光电电倍增管的阳极倍增管的阳极电电流脉冲与流脉冲与输输出出电压电压脉冲脉冲25.阳阳极极输输出出电电压压脉脉冲冲Va的的形形状状与与大大小小，与与阳阳极极负负载载Ra和和分分布布电电容容Ca有有很很大大的的关关系系。对对于于设设计计得得好好的的光光子子计计数数器器，Ca20pF，取取阳阳极极负负载载Ra=50，则则阳阳极极时时间间常常数数RaCa=1ns。在在这这种种情情况况下下，电电压压脉脉冲冲与与电电流流脉脉冲冲形形状状相相同同，如如图图（c）所示。）所示。加大加大电电容将使脉冲容将使脉冲变变小小变宽变宽；加加大大电电阻阻则则将将使使脉脉冲冲变变大大变变宽宽，均均不符合光子不符合光子计计数的要求。数的要求。26.在正常的在正常的RaCa情况下，阳极情况下，阳极电压电压的幅度的幅度为为注意注意，这这个数据是以光个数据是以光电电倍增管的增益倍增管的增益G=106为为例例计计算得出的，不同算得出的，不同的光的光电电倍增管，其增益倍增管，其增益G是不同的，且是不同的，且G与偏置与偏置电压电压有关。有关。为为了使得光子了使得光子计计数器的光数器的光电电倍增管正常地工作，倍增管正常地工作，获获得得稳稳定的增益定的增益G并并使阳极使阳极输输出出电压电压有最大的信噪比和窄的脉冲高度，必有最大的信噪比和窄的脉冲高度，必须设计须设计合理的偏合理的偏置置电电路。路。27.光光电电倍增管的偏置倍增管的偏置电电路都是用路都是用电电阻分阻分压压器器组组成如成如图图。一般一般总电压总电压Vak在在9002000V之之间间，由，由实验实验确定。确定。各倍增极各倍增极电压电压在在80150V之之间间。各倍增极各倍增极电压电压的的稳稳定与否定与否将将严严重地影响光重地影响光电电倍增管的增益倍增管的增益G的的稳稳定性。定性。5.光光电电倍增管的偏置倍增管的偏置电电路路28.为为了了减减小小倍倍增增极极电电流流变变化化带带来来的的倍倍增增极极电电压压不不稳稳，要要求求各各分分压压电电阻阻取取得得适适当当值值以以保保证证流流过过电电阻阻链链的的电电流流IR比比最最大大阳阳极极电电流流Iamax大得多大得多。通常要求通常要求IR20Iamax但是但是IR值值也不能取得太大也不能取得太大，否，否则则分分压电压电阻的功耗增大，分阻的功耗增大，分压电压电阻的功耗阻的功耗过过大会使光大会使光电电倍增管的管壳内温度明倍增管的管壳内温度明显显升高，从而增升高，从而增加加热电热电子子发发射，即增加了噪声。射，即增加了噪声。分分压电压电阻阻值值通常在通常在20K1M范范围围内内。分分压电压电阻的阻的选选取取29.由由于于最最后后几几级级倍倍增增极极的的瞬瞬时时电电流流很很大大，会会使使R9R11上上的的压压降降产产生生明明显显的的跳跳变变，导导致致倍倍增增极极电电压压不不稳稳。在在最最后后三三级级电电阻阻上并上并联稳压电联稳压电容容C2、C2和和C3，使，使电电阻阻链链上的分上的分压压基本不基本不变变。电电容容值值的大小，可根据的大小，可根据稳压稳压要求决定要求决定。通常并通常并联电联电容容值值在在0.0020.05F之之间间。末极并末极并联稳压电联稳压电容容选选取取30.光光电电倍增管工作倍增管工作时时，阳极阳极电压总电压总是高于阴极是高于阴极电压电压。但其接地。但其接地方式有两种。方式有两种。一种是阳极一种是阳极为为正高正高压压的的阴极接地阴极接地；另一种是阴极；另一种是阴极为负为负高高压压的的阳极接地阳极接地。接地方式接地方式31.阴极接地阴极接地时时，阳极，阳极输输出必出必须须接一个耐高接一个耐高压压的的电电容器，以容器，以便将阳极高便将阳极高压压和前置前大器隔离，和前置前大器隔离，这这个个电电容器的接入使容器的接入使得得输输出端出端RaCa时间时间常数常数变变大，破坏了大，破坏了输输出的高出的高频频特性。特性。两种接地方式的两种接地方式的优优缺点缺点32.阳极接地的阳极接地的优优点：点：可直接与前置放大器耦合可直接与前置放大器耦合。缺点是。缺点是噪声比噪声比较较大大。这这种接法：阴极种接法：阴极为负为负高高压压，光，光电电倍增管工作倍增管工作时为时为了安全了安全一般一般外罩必外罩必须须接地接地，这这就意味着外罩的壁和光就意味着外罩的壁和光电电倍增管内部倍增管内部电电极极之之间间有很大的有很大的负压负压，特，特别别是是对对阳极和靠近阳极的倍增极，由阳极和靠近阳极的倍增极，由于于这这个高个高压压，可能在阴极和倍增极与外罩，可能在阴极和倍增极与外罩间间形成漏形成漏电电流，流，这这个漏个漏电电流流流流经经玻璃玻璃时时会会产产生生荧荧光。光。荧荧光光发发射的光子将会到达射的光子将会到达光阴极，光阴极，产产生生误计误计数数。解决方法：在光解决方法：在光电电倍增管的管壁和外罩内壁之倍增管的管壁和外罩内壁之间间加一屏蔽，加一屏蔽，并一并一电电阻阻联联到阳极，以避免漏到阳极，以避免漏电电流流流流经经光光电电倍增管的管壁，倍增管的管壁，从而消除了从而消除了荧荧光光带带来的来的误计误计数。数。33.3 光子光子计计数数过过程中的噪声程中的噪声一、光子噪声一、光子噪声目前，目前，PMT的光的光谱谱响响应应受光阴极材料的限制，通常只工作在可受光阴极材料的限制，通常只工作在可见见光和近光和近红红外光外光谱谱段。在段。在这这个光个光谱谱区域，光子的区域，光子的发发射可射可视为视为泊泊松松过过程。程。光阴极光阴极发发射光射光电电子数目的方差子数目的方差34.二、暗二、暗计计数噪声数噪声来源来源1.环环境温度的影响境温度的影响造成光阴极造成光阴极发发射的射的热电热电子子(称称为为暗暗电电子子)。发发射射的的热电热电子在子在PMT中中获获得的增益得的增益较较小，因而在阳极小，因而在阳极输输出的出的电电流脉流脉冲的冲的幅度亦幅度亦较较低，可以来用脉冲幅度低，可以来用脉冲幅度鉴别鉴别的方法消除。的方法消除。2.由于由于PMT工作在高工作在高压压偏置状偏置状态态，各，各电电极之极之间间有可能有可能产产生放生放电电而引起而引起场场致致发发光光。这这种种发发光将引起光阴极的光将引起光阴极的电电子子发发射，射，产产生暗生暗计计数噪声。数噪声。3.PMT内部可能存在的内部可能存在的各种离子在高各种离子在高压电场压电场作用下以作用下以较较大的能大的能量量轰击轰击光阴极光阴极而使光阴极而使光阴极产产生生电电子子发发射。由于射。由于轰击轰击的能量的能量较较大，大，一般情况下会同一般情况下会同时时激激发发出两个以上的出两个以上的电电子。子。这样这样得到的阳极得到的阳极电电流流脉冲幅度脉冲幅度较较大，也可以采取脉冲幅度大，也可以采取脉冲幅度鉴别鉴别的的办办法消除。法消除。35.热热噪声噪声引起的暗引起的暗计计数方差数方差总总的噪声方差的噪声方差光子光子计计数数过过程中的程中的信噪比信噪比36.4 光子光子计计数器中的放大器数器中的放大器光子光子计计数器中的光数器中的光电电倍增管倍增管一般采用阳极接地方式工作一般采用阳极接地方式工作，这样这样阳极阳极输输出出电电流脉冲可直接耦合到一个低流脉冲可直接耦合到一个低输输入阻抗的入阻抗的宽频带宽频带放大器的放大器的输输入端。入端。37.如果阳极脉冲如果阳极脉冲电电流幅度流幅度为为8A，宽宽度度为为20ns，前置放大，前置放大器的器的输输入阻抗入阻抗为为50，则则前放前放输输入端入端电压电压脉冲幅度脉冲幅度为为0.4mV，脉冲，脉冲宽宽度亦度亦为为20ns。假定。假定该该脉冲近似脉冲近似为为矩形方波，矩形方波，该该信号的信号的带宽带宽Bf=50MHz；如果如果tw=10ns，则则B=100MHz。因此前置放大器的通因此前置放大器的通频带频带必必须须大于大于100MHz。所以，与光所以，与光电电倍增管阳极倍增管阳极输输出相出相连连的前置放大器的前置放大器 应应是是低低噪声噪声宽带宽带放大器放大器。38.光光子子计计数数器器是是测测量量弱弱光光的的仪仪器器，只只能能对对一一定定光光子子速速率率以以下下的的光子束光子束进进行行计计数数测测量。量。这这个个速速率率是是由由光光电电倍倍增增管管的的渡渡越越时时间间离离散散决决定定的的。若若其其决决定定的的输输出出电电流流脉脉冲冲的的半半宽宽度度tw为为1020ns，假假定定后后续续的的放放大大器器有有足足够够的的带带宽宽，鉴鉴别别器器和和脉脉冲冲计计数数器器有有足足够够高高的的速速率率，为为了了分辨每个光分辨每个光电电脉冲，可求出允脉冲，可求出允许许的光子速率最大的光子速率最大值为值为：5 光子光子计计数器数器测测量弱光的极限量弱光的极限 39.以以发发射射560nm波波长长黄黄绿绿光光的的发发光二极管光二极管为为例，例，计计算其允算其允许许的最大的最大辐辐射通量射通量为为：实际实际上光子上光子计计数器可以数器可以测测量量计计数的数的弱光的光弱光的光强强要要远远低于低于这这个数个数值值，约约在在10-14瓦以下瓦以下。有的甚至达到。有的甚至达到 10-18W。40.用光子用光子计计数器数器对对波波长为长为560nm的弱光的弱光进进行探行探测时测时，在示波器上在示波器上显显示的光示的光电电倍增倍增管管输输出出电电流波形如流波形如图图所示。所示。光功率光功率为为10-13瓦瓦时时，已看不，已看不到清晰的脉冲到清晰的脉冲说说明光明光电电管倍管倍增管已来不及分辨增管已来不及分辨单单个光子个光子了。了。（a）光强10-13瓦光电速率脉冲及噪声（b）光强10-14瓦光电速率脉冲及噪声（c）光强10-15瓦光电速率脉冲及噪声（d）光强10-16瓦光电速率脉冲及噪声 41.光子速率光子速率R（光子数（光子数/秒）和光功率秒）和光功率P之之间间的的对应对应数数值值关系及适关系及适应应的的检测检测方法如下表方法如下表:光子光子计计数器数器只能只能测测量微弱光和超微弱光的功率量微弱光和超微弱光的功率，不能，不能测测量功率大于量功率大于10-10W的光束功率，即的光束功率，即不能不能测测量含有多光子量含有多光子的光脉冲功率。的光脉冲功率。42.鉴别鉴别器的任器的任务务是是要将由光子要将由光子产产生的脉冲生的脉冲电压选择电压选择出来出来进进行行计计数数而将倍增极而将倍增极热电热电子子发发射射产产生的小脉冲去掉生的小脉冲去掉。光阴极的光阴极的热电热电子子发发射射产产生的暗生的暗计计数脉冲，由于它和光子数脉冲，由于它和光子产产生的生的脉冲幅度一脉冲幅度一样样，因此，因此鉴别鉴别器是无法将它去掉的，器是无法将它去掉的，这这种暗种暗计计数数只只有通有通过过两次两次测测量量进进行扣除行扣除。在在进进行行高光功率的高光功率的测测量量时时，可能，可能存在双光子存在双光子峰，因此峰，因此鉴别鉴别器器还还必必须对这须对这种脉冲幅度是正常种脉冲幅度是正常单单光子脉冲光子脉冲2倍的双光子脉冲要倍的双光子脉冲要输输出出2个脉冲供个脉冲供计计数器数器计计数。数。6 光子光子计计数器中的数器中的鉴别鉴别器器43.双双阀值鉴别阀值鉴别器器方框方框图图如如图图所示所示:这这种种鉴别鉴别器由于有二个器由于有二个阀值电阀值电平，故可平，故可设设有三种工作方式，。有三种工作方式，。44.这这种种鉴别鉴别器由于有二个器由于有二个阀值电阀值电平，故可平，故可设设有有三种工作方式三种工作方式（1）单电单电平工作方式平工作方式（2）窗口工作方式窗口工作方式（3）校正工作方式校正工作方式45.第一第一鉴别电鉴别电平和第二平和第二鉴别电鉴别电平平值值，由，由PMT的的脉冲高度分脉冲高度分布布（PHD）曲）曲线线决定决定46.可以通可以通过实验过实验来来获获得光得光电电倍增管的脉冲高度分布曲倍增管的脉冲高度分布曲线线。下下图为图为测测量光量光电电倍增管的脉冲高度分布曲倍增管的脉冲高度分布曲线线的原理的原理框框图图。7 光光电电倍增管的倍增管的单单光子响光子响应应峰峰47.典型的典型的PHD曲曲线线 窗口比窗口比较较器有两个比器有两个比较电较电平平VH和和VL。VH为为上限上限电电平，平，VL为为下限下限电电平，平，当当输输入脉冲高度入脉冲高度Vi在在VH和和VL之之间时间时，即即VHViVL，窗口比，窗口比较较器器输输出一出一个个计计数脉冲数脉冲，供，供计计数器数器计计数。数。选选定定不同的窄窗口，不同的窄窗口，对对确定的确定的时间间时间间隔隔进进行行计计数，即可作出光数，即可作出光电电倍增管的倍增管的PHD曲曲线线。为为了分析和比了分析和比较较的需要，的需要，定定义义峰谷比和分辨率：峰谷比和分辨率：48.光子光子计计数器中使用的光数器中使用的光电电倍增管除了要达到前述的有关倍增管除了要达到前述的有关特性和要求之外，特性和要求之外，还应该还应该有明有明显显的的单单光子响光子响应应峰峰。峰谷比越大或分辨率越小峰谷比越大或分辨率越小的光的光电电倍增管越适合于光子倍增管越适合于光子计计数器使用。数器使用。在低在低计计数率的弱光下不存在明数率的弱光下不存在明显显的双光子峰的双光子峰。49.对对同同一一个个光光电电倍倍增增管管测测量量它它的的计计数数率率和和阳阳极极与与阴阴极极高高压压之之间间的关系的关系时时，发现发现当高当高压压增加增加时时，计计数率增加。数率增加。随随着着高高压压的的增增加加，计计数数率率逐逐渐渐出出现现一一个个变变化化缓缓慢慢的的坪坪区区。将将光光电电倍倍增增管管置置于于完完全全黑黑暗暗状状态态测测量量其其暗暗计计数数，则则发发现现暗暗计计数数与与高高压压的的关关系系不不存存在在坪坪区区，暗暗计计数数是是随随高高压压增增加加而不断增加。而不断增加。8 光光电电倍增管的倍增管的计计数坪区数坪区最佳偏最佳偏压压的的选择选择50.PMT的的计计数坪区数坪区 51.为为了了获获得得最最大大信信噪噪比比，阳阳极极对对阴阴极极的的高高压压应应选选择择为为ua1即即计计数率开始数率开始进进入坪区入坪区时时的高的高压压，这这是最佳偏置是最佳偏置电压电压。小的暗小的暗计计数适合于光子数适合于光子计计数器使用数器使用。52.