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單光子計數實驗系統原理

單光子計數器方法利用弱光下光電倍增管輸出電流信號自然離散的特征，采用脈沖高度甄別和數字計數技術將淹沒在背景噪聲中的弱光信號提取出來。當弱光照射到光陰極時，每個入射光子以一定的概率(即量子效率)使光陰極發射一個電子。這個光電子經倍增系統的倍增后在陽極回路中形成一個電流脈沖，通過負載電阻形成一個電壓脈沖，這個脈沖稱為單光子脈沖。除光電子脈沖外，還有各倍增極的熱反射電子在陽極回路中形成的熱反射噪聲脈沖。熱電子受倍增的次數比光電子少，因而它在陽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，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“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的脈沖通過就能實現單光子計數。

單光子計數器中使用的光電倍增管其光譜響應應適合所用的工作波段，暗電流要小（它決定管子的探測靈敏度），響應速度及光陰極穩定。光電倍增管性能的好壞直接關系到光子計數器能否正常工作。

放大器的功能是把光電子脈沖和噪聲脈沖線性放大，應有一定的增益，上升時間≤3ns,即放大器的通頻帶寬達100Mz；有較寬的線性動態范圍及低噪聲，經放大的脈沖信號送至脈沖幅度甄別器。

單光子計數器的框圖見圖2-2。

在脈沖幅度甄別器里設有一個連續可調的參考電壓Vh。如圖2-3所示，當輸入脈沖高度低于Vh時，甄別器無輸出。只有高于Vh的脈沖，甄別器輸出一個標準脈沖。如果把甄別電平選在圖2-3中的谷點對應的脈沖高度上，就能去掉大部分噪聲脈沖而只有光電子脈沖通過，從而提高信噪比。脈沖幅度甄別器應甄別電平穩定；靈敏度高；死時間小、建立時間短、脈沖對分辨率小于10ns，以保證不漏計。甄別器輸出經過整形的脈沖。

 

圖2-3  甄別器工作示意圖    (a)放大器輸出   (b)甄別器輸出

計數器的作用是在規定的測量時間間隔內將甄別器的輸出脈沖累加計數