主要内容
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光子探测器的种类 光子计数器的原理 光子计数系统 光子计数器的测量方法
光子探测器的种类
可以作为光子计数的光电器件有很多，如光电倍增管（PMT）、雪崩二 极管（APD）、增强型光电极管（IPD）、微通道板（MCP）、微球板 （MSP）、真空光电二极管（VAPD）等。下面简单介绍几个光电器件：
计时器C
光子计数器的测量方法
假定两个PMT特性相同，其量子效率为1，T为试验样品的透过率，则计 数器A的值为：
RA N A TR A t T N RC
式中RA/RC是分光镜的分光比，等于一常数。由上式可知，计数器A的 计数值NA与辐射强度的波动无关，从而消除了因辐射源波动而产生的 误差。
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光子计数技术的优点
它与传统的光电流测量法相比，有以下优点： 1. 这一技术是通过分立光子产生的电子脉冲来测量，因此 系统的探测灵敏度高、抗噪声能力强； 2. 大大提高了系统的稳定性；
3. 可以排除光电探测器的漂移、系统增益变化等原因所造 成的测量误差；
4. 输出是数字量，因此可直接与计算机连接，构成自动测 试与数据处理系统；
光子计数系统
右图为典型的脉冲高度分布图： 图中有三个峰值。第一个峰值是 光电倍增管打拿极的热激发和前 脉 置放大器的噪声峰，脉冲数量很 冲 速 大而幅度较小，随脉冲幅度增高 率 /( 脉冲速率减小。第二个峰是单个 计 数 光子打到阴极形成的单光子响应 /s 峰，脉冲数量大而且幅度较噪声 ) 的大。第三个脉冲是双光子堆积 峰。光强很弱时，双光子堆积现 象几乎不会出现，光强很强时还 会出现多光子脉冲重叠现象。
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光子计数技术 Photon-counting technique
简介

光子计数技术是一种检测微弱光信号的重要技 术，它在一些基础科学研究，特别是在某些科学前 沿中得到了广泛的应用。例如，在激光研究；拉曼 散射；荧光、磷光检测；质谱、X射线测量；基本 粒子分析；光吸收研究等。 光子计数技术是利用了微弱光中光的量子性明 显表现的特点，对光电探测器输出的离散脉冲信号 按数学方法进行统计处理。
放大器
鉴别器
计数器
显示
光子计数系统
常用的是双通道鉴别计数系统，下图是一个双通道鉴 别计数系统框图：
制 冷 高 压 源 鉴别器A 光信号 PMT 放大器 运算 A-B 鉴别器B 计数器B 计数器A
光子计数系统
利用双通道鉴别计数系统，能够测量光电倍增管输出 脉冲的幅度分布。
从光电倍增管输出的信号经前置放大器方大后，同时 送到鉴别器A和B，若鉴别器A和B的阈值电压为VA和VB， 有一微小的差值△V，则A-B输出为介于VA和VB之间的脉 冲数，若以VA和VB之间的差值△V为步距，从0到最大值 以一定速率进行同步扫描，即可得到各个幅度范围内的 脉冲个数。以脉冲幅度为横坐标，脉冲计数速率为纵坐 标可以得到脉冲幅度分布图。
光子计数器的原理
单个光子被光电倍增管阴极吸收后激发出光电子，经 过倍增系统，在阳极上可以收集到105~108个电子。光电 流通过负载电阻和放大器将输出一个脉冲半宽度为几个 到几十个纳秒的电压信号，这个信号再经鉴别器后被计 数器计数。微弱光信号由几个到几百万个光子组成，所 发射的每个光子之间有随机的时间间隔，记录由他们引 起的电脉冲数，从而得到光子速率，确定被测信息量。 光子的速率用单位时间内发射的光子数表示，记为R， 光强度用光功率P表示，则单色光的光功率P与光子的速 率R之间的关系是：
光子计数技术就是利用光阴极发射的光电脉冲与各倍增极发射 的噪声脉冲幅度分布不同，用鉴别器从诸多脉冲中鉴别出高的 信号脉冲供计数器计数，而倍增极产生的噪声则被消除。热噪 声无法用鉴别器除掉，通过冷却和减小光阴极的面积来减弱。
光子计数系统
下图是一个简单的光子计数系统框图：
制 冷
高 压 源
光信号 PMT
N A RC RA RA t N
光子计数器的测量方法
2.源补偿测量法
分光器 辐射
由于常用光源的辐射强 度不十分稳定，所以在直 接测量法中不能消除辐射 源的波动所带来的误差。 采用源补偿测量法可消除 此误差。
试验样品 t Rc
PMT
放大鉴别器
显示 PMT 停止
计数A
预制 （N）
启 动
放大鉴别器
PMT和放 大器噪声 单光子峰
第一鉴 别电平
第二鉴 别电平 双光子电平峰
脉冲幅度/N
光子计数系统
幅度鉴别器
脉冲幅度鉴别器通常采用电压比较器来实现，电压比 较器的阈值（鉴别电平）作为参考电压，用它来鉴别信 号脉冲幅度的大小。 在理想情况下，可以在第一个谷值处设置第一个鉴别 器的阈值电平，在第二个谷值处设置第二个鉴别器的阈 值电平。
试验样品 放大鉴别器
PMT
t 显示 计数器A
停止 预置 （N） 启 动
时钟发生器 Rc
计时器C
光子计数器的测量方法
由于RC是恒定的时钟脉冲频率，那么计数器C达到预置值N 所需的时间为：
N t Rc
在测量时间t内计数器A累加的数值为：
N N A RA t RA RC
则鉴别器输出的光子脉冲平均速率为：
光子计数器的测量方法
光子计数器常用的测量方法有两种：光子速率直接测量 法和源补偿测量法。
1.光子速率直接测量法
当按下启动，计数器A开始 Rs 对鉴别器来的信号脉冲计数， 同时计数器C开始对石英晶体振 荡器来的时钟脉冲计数。计数 器C的累加数达到预置的N值时， 电路将产生一个脉冲使计数器A 和C同时停止计数，此时计数器 A的计数为NA。
P R E R h
光子计数器的原理
右图是对黄绿色发光二级管发出 的560nm弱光进行探测时，在示 波器上显示的光电倍增管的输出 电流波形。 当光功率为10-16W时，在1ms内 出现几个高脉冲，当光功率增加 到10-14 W时则在1ms内可出现几 十到几百个幅度较大的脉冲，也 会交杂着几个电流脉冲堆积而成 的高脉冲，光功率为10-13W时已 看不到清晰的脉冲。光子计数是 建立在光的粒子特性的基础之上。
光子计数器的原理
光子计数过程中的噪声
散粒噪声：由于光子发射的随机性，不可能希望每次测量都得 到精确的光子速率，这些光子速率的起伏是造成检测过程中出 现散粒噪声的原因。 暗计数：光阴极的热发射而产生的计数称为暗计数，它不仅随 阴极面积的减小而减小，而且还与阴极材料有关。
热噪声：无光照射时，由于温度影响光阴极和倍增极也会发射 热电子，这种载流子的发射速率随光电倍增管的冷却而减小。
PMT：优点：响应快、增益高、噪声放大低、光敏面大、工作在紫外和可见光 范围、 缺点：体积大、量子效率低、反向偏压高、寿命短、价格昂贵 APD：优点：量子效率高，功耗低、体积小、工作电压低、工作频谱范围大 （近红外范围） 缺点： 增益低、噪声大、 外围控制电路及热电制冷电路较复杂
这里以PMT为例进行讲解