單光子計數(shù)實驗系統(tǒng)原理

單光子計數(shù)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(shù)字計數(shù)技術(shù)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(fā)射一個電子。這個光電子經(jīng)倍增系統(tǒng)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(shù)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(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的脈沖通過就能實現(xiàn)單光子計數(shù)。

單光子計數(shù)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(wěn)定。光電倍增管性能的好壞直接關(guān)系到光子計數(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(tài)范圍及低噪聲，經(jīng)放大的脈沖信號送至脈沖幅度甄別器。

單光子計數(shù)器的框圖見圖2-2。

在脈沖幅度甄別器里設(shè)有一個連續(xù)可調(diào)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(wěn)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(jīng)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(shù)器的作用是在規(guī)定的測量時間間隔內(nèi)將甄別器的輸出脈沖累加計數(shù)