單光子計(jì)數(shù)試驗(yàn)(編輯修改稿)
2025-07-21 14:47 本頁(yè)面
【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 時(shí)，雖然光信號(hào)是持續(xù)照射的，但光電倍增管輸出的光電信號(hào)卻是分立的尖脈沖。這些脈沖的平均計(jì)數(shù)率與光子的流量成正比?？梢?jiàn)光子計(jì)數(shù)器在探測(cè)弱光時(shí)發(fā)揮其優(yōu)越性。單光子計(jì)數(shù)系統(tǒng)對(duì)光電倍增管的要求光電倍增管的性能直接關(guān)系到計(jì)數(shù)系統(tǒng)能否正常工作，除要求光電倍增管要有小的暗電流、快的響應(yīng)速度和光陰極穩(wěn)定性高（低的熱發(fā)射率）外，還需采取下列技術(shù)措施以提高信噪比：(1) 對(duì)電磁噪聲的屏蔽，光子計(jì)數(shù)易受電磁噪聲的干擾，必須加以屏蔽，其方法是在光電倍增管的金屑外套內(nèi)襯以玻莫合金；(2)光電倍增的供電，用于光子計(jì)數(shù)器的光電倍增管常采用如圖6中描述的高壓供電電路，即陽(yáng)極輸出電流信號(hào)，光陰極和外殼接地。對(duì)于一定的光照強(qiáng)度，光電倍增管的陽(yáng)極輸出計(jì)數(shù)率（正比于陽(yáng)極電流）隨所加工作電壓而變化，如圖10中曲線（1）。由圖可見(jiàn)，當(dāng)加速電壓較低時(shí)，計(jì)數(shù)率隨加速電壓增大而直線上升。然后計(jì)數(shù)率變化緩慢形成“平臺(tái)”，最后又隨加速電壓迅速上升。而PMT的暗計(jì)數(shù)（主要來(lái)自光陰和各倍增極熱電子發(fā)射）隨加速電壓的變化如曲線（2）。為了獲得最佳信噪比（SNR）和穩(wěn)定的計(jì)數(shù)率，光電倍增管的工作電壓應(yīng)選在平臺(tái)的前端，此處計(jì)數(shù)率不因加速電壓的不穩(wěn)定而產(chǎn)生大的變化，且暗計(jì)數(shù)較小。圖10 光子計(jì)數(shù)率（曲線1）和暗計(jì)數(shù)（曲線2）隨光電倍增管工作電壓的變化（三）光子計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)誤差計(jì)數(shù)誤差主要來(lái)自噪聲。因此，系統(tǒng)的信噪比總是人們最關(guān)心的問(wèn)題。下面將分析幾個(gè)主要誤差源以及它們對(duì)光子計(jì)數(shù)信噪比（SNR）的影響。光子流的統(tǒng)計(jì)性用光電倍增管探測(cè)熱光源發(fā)射的光子，相鄰的光子打到光陰極上的時(shí)間間隔是隨機(jī)的。對(duì)于大量粒子的統(tǒng)計(jì)結(jié)果服從泊松分布。即在探測(cè)到一個(gè)光子后的時(shí)間間隔t內(nèi)，現(xiàn)探測(cè)到n個(gè)光子的幾率P（n，t）為， （3）式中是光電倍增管的量子效率，R是單位時(shí)間內(nèi)的光子流量，＝Rt是在時(shí)間間隔t內(nèi)光電倍增管的光陰極發(fā)射的光電子平均數(shù)。由于這種統(tǒng)計(jì)特性，測(cè)量到的信號(hào)計(jì)數(shù)將有一定的不確定度，通常以均方根偏差來(lái)表示。經(jīng)計(jì)算。這種不確定性稱為統(tǒng)計(jì)噪聲。統(tǒng)計(jì)噪聲使得測(cè)量信號(hào)中固有的信噪比SNR為， ?。?）上式表明，固有統(tǒng)計(jì)噪聲的信噪比正比于測(cè)量時(shí)間間隔的平方根。背景計(jì)數(shù)光最倍增管的光陰極和各倍增極的熱電子發(fā)射在信號(hào)檢測(cè)中形成暗計(jì)數(shù)，即在沒(méi)有入射時(shí)的背景計(jì)數(shù)。背景計(jì)數(shù)還包括雜散光的計(jì)數(shù)。選用小面積光陰極管、降低管子的工作溫度以及選擇適當(dāng)?shù)恼鐒e電平，可使暗計(jì)數(shù)率Rd降到最小，但相對(duì)極微弱的光信號(hào)，仍是一個(gè)不可忽略的噪聲源。如果PMT的第一倍增極具有很高的增益，各倍增極及放大器的噪聲已被甄別器去除，則上述暗計(jì)數(shù)使信號(hào)中的噪聲成分增加至。信噪比因此而降為（6）如果背景計(jì)數(shù)在光信號(hào)累記計(jì)數(shù)中保持不變，則可很容易地從實(shí)際計(jì)數(shù)中扣除。累積信噪比在兩個(gè)相同的時(shí)間間隔t內(nèi)，分別測(cè)量背景計(jì)數(shù)Nd和信號(hào)與背景的總計(jì)數(shù)Nt，則信號(hào)計(jì)數(shù)Np為， ?。?）而 ， 按照誤差理論，測(cè)量結(jié)果的信號(hào)計(jì)數(shù)中的總噪聲應(yīng)為， ?。?）使測(cè)量結(jié)果的信噪比 ， ?。?）若信號(hào)計(jì)數(shù)遠(yuǎn)小于背景計(jì)數(shù)Nd，可能使SNR1，測(cè)量結(jié)果毫無(wú)意義。故稱SNR＝1時(shí)對(duì)應(yīng)的接收信號(hào)功率Pmin。為光子計(jì)數(shù)器的探測(cè)靈敏度。由上分析可知，光子計(jì)數(shù)器測(cè)量結(jié)果的信噪比SNR與測(cè)量時(shí)間間隔的平方根成正比
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