单光子计数实验报告.doc

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1、单光子计数实验报告实验时间：2013年3月7日摘要本实验中，我们学习了PMT为探测器的光子计数技术的基础实验方法，并通过实验了解光子计数方法和弱光检测中的一些特殊问题。得出最佳甄别电平为20V，单光子计数信噪比RSN与测量时间t的0.5003次幂成正比；信噪比随入射光功率Po的增大而增大；并发现暗记数率Rd随温度T减低而逐渐减小，而光计数率R与温度T的变化无关，只在小范围内随机涨落。关键词单光子计数，甄别电平，光计数，暗计数，信噪比引言现代光测量技术已步入极微弱发光分析时代。在诸如生物微弱发光分析、化学发光分析、发光免疫

2、分析等领域中，辐射光强度极其微弱，要求对所辐射的光子数进行计数检测。对于一个具有一定光强的光源，若用光电倍增管接收它的光强，如果光源的输出功率及其微弱，相当于每秒钟光源在光电倍增管接收方向发射数百个光子的程度，那么，光电倍增管输出就呈现一系列分立的尖脉冲，脉冲的平均速率与光强成正比，在一定的时间内对光脉冲计数，便可检测到光子流的强度，这种测量光强的方法称为光子计数。单光子计数是目前测量弱光信号最灵敏和有效的实验手段，这种技术中，一般都采用光电倍增管作为光子到电子的变换器(近年来，也有微通道板和雪崩光电二极管），通过分辨率

3、单个光子在光电倍增管中激发出来的光电子脉冲，利用脉冲高度甄别技术和数字计数技术，把光信号从热噪声中以数字话的方式提取出来。与模拟检测技术相比，单光子计数技术有如下的优点：1.消除了光电倍增管高压直流漏电流和各倍增极的热发射噪声的影响，提高了测量的信噪比。2.时间稳定性好。在单光子计数系统中，光电倍增管漂移、系统增益的变化，零点漂移和其他因素对计数影响不大。3.可输出数字信号，能够直接输出给计算机进行分-17析处理。4有比较宽的探测灵敏度，目前一般的光子计数器探测灵敏度优于10W，这是其他探测方法达不到的。本实验学习PMT

4、为探测器的光子计数技术的基础实验方法，并通过实验了解光子计数方法和弱光检测中的一些特殊问题。原理1.光子流量和光流强度光是有光子组成的光子流，单个光子的能量ε与光波频率ν的关系是ε=hν=hc/λ(1）式中c是真空中的光速，h是普朗克常数，λ是波长。光子流量可用单位时间内通过的光子数R表示，光流强度是单位时间内通过的光能量，常用光功率P表示。单色光的光功率P与光子流量R的关系是：P=Rε(2）如果光源发出的是波长为500nm的近单色光，可以计算出一个光子的能量ε为-19Ε=3.98×10J-16当光功率为10W时，这种近

5、单色光的光子流量为2-1R=2.5×10s-16当光流强度小于10W时通常称为弱光，此时可见光的光子流量可降到一毫秒内不到一个，光子，因此实验中要完成的将是对单个光子进行检测，进而得出弱光的光流强度，这就是单光子计数。2.PMT输出信号波形PMT是一种从紫外到近红外都有极高灵敏度和超快时间相应的真空电子管类光探测器件，用于各种微弱光的测量。图1PMT的结构示意图由图1所示，光阴极上发射出的电子，经聚焦和加速打在第一倍增极上面，将在第一倍增极上打出几倍于入射电子数目的二次电子。这些电子被加速后达到第二倍增极上，接连经过几个

6、或十几个倍增极的增殖作用后，电子数目最高可增加到108。最后由阳极收集所有的电子，在阳极回路中形成一个电脉冲信号。在非弱光测量中由于光子流量较大测得的PMT输出信号为连续信号。而在弱光测量，光子流量较小，相邻两光子间的时间间隔可达毫秒量级，阳极回路中输出的是一个个离散的尖脉冲。尽管光信号可以是由一连续发光的光源发出的，而光电倍增管输出的电信号却是一个一个无重叠的尖脉冲，光子流量与这些脉冲的平均计数率成正比。只要用计数的方法测出单位时间内的光电子脉冲数，就相当于检测了光的强度。3.单光电子峰将光电倍增管的阳极输出脉冲接到脉

7、冲高度记录器作脉冲高度分布分析，可以得到单光电子峰分布，如图2所示。图2PMT输出的脉冲幅度分布曲线脉冲幅度较小的主要是热发射噪声信号，而光阴极发射的电子形成的脉冲，其幅度集中在横坐标的中部，形成所谓“单光电子峰”。形成这种分布的原因是：(1）光阴极发射的电子，包括光电子和热发射电子，都受到了所有倍增电极的增殖。因此它们的幅度大致接近。(2）各倍增极的热发射电子经受倍增的次数要比光阴极发射的电子经受的少，因此前者在阳极上形成的脉冲幅度要比后者低。所以途中脉冲幅度较小的部分主要是热噪声脉冲。(3）各倍增极的倍增系数不是一定

8、值，有一定统计分布，大体上遵守泊松分布。所以，如果用脉冲高度甄别器将幅度高于谷底的脉冲加以甄别、输出并计数显示，就可能实现高信噪比的单光子计数，大大提高检测灵敏度。4.光子计数器的组成为了能够实现对弱光经过光电倍增管放大后产生的单光子电压脉冲的准确计数，必须设法消去光电倍增管噪声脉冲特别是倍增极产生的热反射噪声脉冲对