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單光子計(jì)數(shù)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理

單光子計(jì)數(shù)器方法利用弱光下光電倍增管輸出電流信號(hào)自然離散的特征，采用脈沖高度甄別和數(shù)字計(jì)數(shù)技術(shù)將淹沒(méi)在背景噪聲中的弱光信號(hào)提取出來(lái)。當(dāng)弱光照射到光陰極時(shí)，每個(gè)入射光子以一定的概率(即量子效率)使光陰極發(fā)射一個(gè)電子。這個(gè)光電子經(jīng)倍增系統(tǒng)的倍增后在陽(yáng)極回路中形成一個(gè)電流脈沖，通過(guò)負(fù)載電阻形成一個(gè)電壓脈沖，這個(gè)脈沖稱(chēng)為單光子脈沖。除光電子脈沖外，還有各倍增極的熱反射電子在陽(yáng)極回路中形成的熱反射噪聲脈沖。熱電子受倍增的次數(shù)比光電子少，因而它在陽(yáng)極上形成的脈沖幅度較低。此外還有光陰極的熱反射形成的脈沖。噪聲脈沖和光電子脈沖的幅度的分布如圖2-1所示。脈沖幅度較小的主要是熱反射噪聲信號(hào)，而光陰極反射的電子（包括光電子和熱反射電子）形成的脈沖幅度較大，出現(xiàn)“單光電子峰”。用脈沖幅度甄別器把幅度低于Vh的脈沖抑制掉。只讓幅度高于Vh的脈沖通過(guò)就能實(shí)現(xiàn)單光子計(jì)數(shù)。

單光子計(jì)數(shù)器中使用的光電倍增管其光譜響應(yīng)應(yīng)適合所用的工作波段，暗電流要小（它決定管子的探測(cè)靈敏度），響應(yīng)速度及光陰極穩(wěn)定。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。

放大器的功能是把光電子脈沖和噪聲脈沖線性放大，應(yīng)有一定的增益，上升時(shí)間≤3ns,即放大器的通頻帶寬達(dá)100Mz；有較寬的線性動(dòng)態(tài)范圍及低噪聲，經(jīng)放大的脈沖信號(hào)送至脈沖幅度甄別器。

單光子計(jì)數(shù)器的框圖見(jiàn)圖2-2。

在脈沖幅度甄別器里設(shè)有一個(gè)連續(xù)可調(diào)的參考電壓Vh。如圖2-3所示，當(dāng)輸入脈沖高度低于Vh時(shí)，甄別器無(wú)輸出。只有高于Vh的脈沖，甄別器輸出一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)脈沖。如果把甄別電平選在圖2-3中的谷點(diǎn)對(duì)應(yīng)的脈沖高度上，就能去掉大部分噪聲脈沖而只有光電子脈沖通過(guò)，從而提高信噪比。脈沖幅度甄別器應(yīng)甄別電平穩(wěn)定；靈敏度高；死時(shí)間小、建立時(shí)間短、脈沖對(duì)分辨率小于10ns，以保證不漏計(jì)。甄別器輸出經(jīng)過(guò)整形的脈沖。

 

圖2-3  甄別器工作示意圖    (a)放大器輸出   (b)甄別器輸出

計(jì)數(shù)器的作用是在規(guī)定的測(cè)量時(shí)間間隔內(nèi)將甄別器的輸出脈沖累加計(jì)數(shù)