单光子计数试验

单光子计数实验讲义

一 实验目的

1. 掌握使用光子技术的方法对微弱信号进行检测及实验的操作过程;

2. 2.了解光子计数方法的基本原理光电倍增管（PMT ）的工作原理。

二 实验仪器

光源，PMT ，制冷器，外光路,计算机。

三 实验原理

在弱光信号检测中，当光强微弱到一定程度时，光的量子特征开始突出起来。例如：He-Ne 激光光源，其每个光子的能量为3.19 10-19焦耳。当光功率小于10-11瓦时，相当光子的发射率为108

光子数/秒，即光子的发射周期约为10-8秒，刚好是PMT 输出脉冲可分辨的极限宽度（即PMT 响应时间）。这样，PMT 的输出呈现出脉冲序列的特点，可测得一个个不重叠的光子能量脉冲。光子计数器就是利用光信号脉冲和噪声脉冲之间的差异，如幅度上的差异，通过一定的鉴别手段进行工作，从而达到提高信噪比的目的。单光子试验框图入图1所

示。

（一）基本原理

单光子计

数法利用在弱

光下光电倍增管输出信号自然离散化的特点，采用精密的脉冲幅度甄别技术和数字计数技术，可把淹没在背景噪声中的弱光信号提取出来。当弱光照射到光电子阴极时，每个入射光子以一定的概率（即量子效率）使光阴极发射一个电子。这个光电子经倍增系统的倍增最

后在阳极回路中形成一个电流脉冲，通过负载

电阻形成一个电压脉冲，这个脉冲称为单光子

脉冲。如图1所示，横坐标表示PMT 输出的噪

声与单光子的幅度电平（能量），纵坐标表示

其幅度电平的分布概律。可见，光电子脉冲与

噪声分布位置不同。由于信号脉冲增益相近，

其幅度相当好的集中在一个特定的围，光阴机

反射的电子形成的脉冲幅度较大，而噪声脉冲

图1 单光子实验框图

图2 PMT 输出脉冲分布

则比较分散，它在阳极上形成的脉冲幅度较低，因而出现了“单光电子峰”。用脉冲幅度鉴别器把幅度低于的脉冲抑制掉，只让幅度高于的脉冲通过就实现了单光子计数。

放大器的功能是把光电子脉冲和噪声脉冲线性放大，应友谊顶的增益，上升时间≤3ns，这就要求放大大器的通频带宽达到100MHz，并且有较宽的线性动态围和较低的热噪声，经过放大后的信号要便于脉冲幅度鉴别器的鉴别。

脉冲幅度甄别器的主要任务就是剔除噪声脉冲，把淹没在噪声信号中的光子信号筛选出来，以达到真正的光子计数的目的。在脉冲幅度甄别器里设置有一个连续可调的比较电压Vh。只有高于Vh的脉冲，才能通过甄别器得到输出。如果把甄别电平选在图2的谷点对应的脉冲高度上，就能去掉大部分噪声脉冲而只有光电子脉冲通过，从而提高信噪比。以上为一般模式（积分模式）下甄别器工作原理，图3—a为放大后信号脉冲，图3—b为甄别后输出脉冲。

图3—a 图3—b

图4—a 图4—b 在另外一种模式下（微分模式），仪器提供两个鉴别电平，即Vh及VL。在该模式下，仪器只对VL及Vh-VL的值进行控制。即逐步增加VL的值，另外提供Vh-VL的一个常量，在这里我们把Vh-VL的这个常量称为道宽。图4—a和图4—b描述了微分模式下甄别器的工作原理。它反应的是在某个信号高度，信号拥有脉冲数的多少。图4—a为鉴别前信号，4—b为鉴别后输出脉冲，其中平行于X轴的两条线分别表示上甄电平和下甄电平，平行线间的电平差值称为道宽。脉冲幅度怎别电平稳定；灵敏度高；死时间小，建立时间短，脉冲对分辨率小于10ns，以保证不漏。甄别器输出经过整形的脉冲。

计数器的作用是在规定的测量时间间隔将

甄别器的输出脉冲累加计数。

（二）光最倍增及其在探测弱光时输出信号的特

征

1、光电倍增管（英文简称PMT ）的结构与工作

原理

一个典型的PMT 的结构如图5所示，其供电

原理如图6所示。当一个光子入射到光阴极K

上，可能使光阴极上以几率η逸出电子称为量子

效率。这个光电子继续被更高的电压加速而飞向

第二倍增极。若每一前级光电子打出m 2个次级电子，如此下去，到达阳极时总电子数可倍增管的效益 A ＝m 1.m 2 m n-1.m n ， （1）

给出，式中n 为倍增级的数目。如是，当光阴极

上逸出一个光电子，将在阳极回路中输出电荷Q a

＝A ⨯1.6⨯10-19库仑。

由于各光电子到达一倍增极的时间和路径不

完全相同（称为渡越时间的离散）而使输出的阳

极电流脉冲d Qa ／d t 呈一定的宽度τR [图7（a ）]。

τR 的典型值为10～20ns （纳秒）。为简单起见，

设输入脉冲呈矩形[图7（b ）]，其半高宽为t ω，

则电流Ia ＝Q a ／t ω。对t ω＝10ns 的情况且管增

益A ＝105

时

I a ＝1.6⨯10-14／10-8＝1.6Ma ， （2） I a 在负载电阻R a 上产生一个电压脉冲，称为单光子电压脉冲。τR 决定于PMT 的时间特性及阳极回路的时

间常数R a C a （C a 为阳极回路的分布电容和放大器输入电容之和）。在光子计数器中宜用较低的负载电阻以获得大的时间常数将输入脉冲积分成一个高的直流信号形成对照[图7（c ）]。当选用R a ＝50Ω，则前面所举例中光电倍增管的输出脉冲幅度V a ＝I a ⨯R a ＝1.6⨯10-6

⨯50＝80μV 。 除入射光子产生光脉冲外，光电倍增管的光阴极还因热而发射电子产生阳极输出脉冲。在相同的工作条件下，这种脉冲也约为80μV ，难以与真正的光信号脉冲相区别。只有通过选择适当的光电倍增管（要

求低暗电流、小的光阴面积、最小的红波响应等）和采用致冷技术对它加以限制。各倍增极的热发射电子图5 光电倍增管结构

图6 光电倍增管负高压供电及阳极电路