微弱信号检测学 第5章 弱离散信号的检测课件.ppt

第5章 弱离散信号的检测,第5章 弱离散信号的检测,本章主要内容：5-1 离散信号检测的特点5-2 光子计数器的结构5-3 光子计数器的使用与应用,5-1 离散信号检测的特点,一、离散信号、弱离散信号的概念1.（时间）连续信号 信号总是随时间变化的，如果信号在所研究的时间域内都有定义，则称（时间）连续信号。连续信号的研究重点是单个信号的波形。2.（时间）离散信号 如果信号仅在一些离散的时间点上才有定义，则称（时间）离散信号。离散信号：各种粒子流（光子流、电子流、质子流、中子流、原子流、分子流等）、各种数字信号等。离散信号的研究重点是信号的重复规律，即“信号密度”及其随时变化。离散信号可看成是多个“单体”组成的“群体”。如果把每个单体看成是极窄的脉冲，则整个离散信号可看成是脉冲列。,5-1 离散信号检测的特点,一、离散信号、弱离散信号的概念3.弱离散信号 是指离散信号的幅度与噪声幅度相当或更小（此时噪声的幅度是指噪声脉冲的幅度）。换句话说，是指相对于探测器的灵敏度而言，离散信号幅度较小。注意：信号按幅度分强弱的概念，是随探测器噪声水平、测量方法的发展而变化的。例如，光的强、弱概念的变化，充分说明了这一点。（1）没有光电器件时，测量毫瓦级的光已经很困难，因此，毫瓦级光束算是弱光流；,5-1 离散信号检测的特点,一、离散信号、弱离散信号的概念3.弱离散信号（2）光电晶体管、光电倍增管出现后，利用静电计等电量、电流、电压检测设备，可检测到10-610-12W（107光子/秒）的光。此时，只有低于微瓦量级的光，才是弱光。（3）应用斩波器和锁相放大器，可从暗电流噪声中检测出10-16W的光，相当于103光子/秒的光。此时，只有低于微微瓦量级的光，才算是弱光。（4）目前，还有比103光子/秒的光更弱的光，例如几个光子，这就要求更弱光的检测。当然，若能作单光子检测，那将获得最高检测极限，所有弱光检测问题就都解决了。目前，已能够作单光子检测.,5-1 离散信号检测的特点,二、弱离散信号测量必须解决的问题 1.单体信号探测方面 离散信号的测量侧重于其“密度”（信号流强），但首先要解决单个“信号”的探测问题。解决这一问题要做到：（1）对非电弱离散信号，要有灵敏的传感器，将其转换为电信号，传感器的噪声要低；（2）对弱离散电信号，要有低噪声放大器；（3）要想从大量噪声脉冲中，提取离散信号，需要幅度甄别器，利用其把幅度相差较大的噪声脉冲剔除。甄别器的甄别范围应是可调的，以适应各种情况的需要。为提高甄别的灵敏度，甄别器前应有放大器；,5-1 离散信号检测的特点,二、弱离散信号测量必须解决的问题 1.单体信号探测方面（4）为甄别可行，要求探测器输出的离散信号幅度要尽量一致。例如，利用光电倍增管将光子信号转换为电脉冲时，希望每个光子都能产生相差不多的电脉冲幅度。（5）弱离散信号检测的传感器和其它部件，必须是低噪声的，且频率响应要快。频响快才能测计高流强的离散信号。2.快速计数方面（1）各种离散信号的脉冲流速率差别很大。例如，测光子流密度，测量要求范围为1107光子/秒。对流强大的信号，计数器的计数速度要快，能测计的最大数额要大；,5-1 离散信号检测的特点,二、弱离散信号测量必须解决的问题 2.快速计数方面（2）要解决信息脉冲计数问题。由于目前能快速、准确计数的仪器是电脉冲计数器，故非电的离散信号必须用频响高的传感器转换成电脉冲信号；（3）测计时间间隔要能在较大范围内调节，以适应各种流强和各类随机规律的信号，并且测计的时间间隔要准确。只有这样，所测数值才能准确。,5-1 离散信号检测的特点,二、弱离散信号测量必须解决的问题 3.确定合适的测量时间 对于随机的离散信号，必须根据其统计规律，确定计测时间间隔，以保证大多数测量值与数学期望值的偏差在允许的范围以内。因此，最好能知道所测信号的统计分布规律，由统计分布规律来确定测量时间。若不知其统计规律，则需作多次测量，以找出标准偏差在允许值内的计测时间。,5-1 离散信号检测的特点,三、光子流强测量的特点和要求 光子流强（极弱光强）测量，即平常所说的光子计数，是离散信号测量中，最成熟、应用最广泛的一种。1.光子计数器用PMT作光电探测器 通常，光电倍增管（PMT）的增益在105109之间，若取G=107，则一个光电子产生的阳极输出脉冲的总电量为107e，用其除以脉冲宽度10-7s（由PMT的渡越时间散差决定），则可求出脉冲电流的幅度，约为1.610-5A。若PMT的负载电阻取50，则输出脉冲幅度约为1mV。此信号经放大后，可用于甄别计数。故PMT的增益能满足要求。PMT对每个光子输出的电脉冲幅度，虽因二次电子发射的量子起伏而有不同，但幅度变化不大，仍能适应要求。,5-1 离散信号检测的特点,三、光子流强测量的特点和要求 2.用PMT时，光子流强的最大计测值为107 光子计数用的传感器是光电倍增管。在一般光检测时，PMT的输出是与光强成比例的模拟电流信号。但在光子计数时，PMT是输出单个、单个的电脉冲。每个光子产生一个电脉冲，脉冲宽度由光电倍增管的渡越时间散差决定，约10-7s。如果光子流密度大于107个/秒，则这些脉冲会发生重叠，从而变成模拟电流信号。因此，光子计数测量的最大可能值，也是由PMT的渡越时间散差决定的，一般为107。一个波长为555nm的光子，具有3.5610-19J的能量，则光子计数测量最大可测10-12W的光强。,5-1 离散信号检测的特点,三、光子流强测量的特点和要求 3.PMT作光子计数的优点 PMT作脉冲计数，比作模拟测量有如下优点：（1）PMT作模拟测量时，是把许多干扰和信号脉冲一起叠加后输出，无法利用信号脉冲幅度基本稳定的特性提高信噪比；（2）PMT作脉冲计数时，通过脉冲幅度甄别的方法，使PMT的直流漏电、输出零漂、增益不稳定等因素的影响，降至最低。4.对计数器和显示器的要求 由于使用PMT的光子计数器，计数测量的范围只能是1107，故对计数器的要求是应有108的最大计数值且108个/秒的计数速率。相应的显示器的也只需要8位十进制数。,5-1 离散信号检测的特点,三、光子流强测量的特点和要求 5.需确定合适的测量时间间隔 下面介绍如何根据光子、光电子发射、二次电子发射的统计分布规律确定测量时间。光源是以随机方式发射光子的，在不同时间的相同时间间隔内，检测到的光子数是有变化的，它具有离散的概率分布。对于不相干的光源，其概率分布满足Bose-Einstain分布 规律；对于相干光源，例如激光辐射源，则满足Poisson分布。由于泊松分布对光电子发射、二次电子发射，也起着规律性的描述，故下面只讨论泊松分布。,5-1 离散信号检测的特点,三、光子流强测量的特点和要求 5.需确定合适的测量时间间隔 泊松分布规律：（5-1）式中 R单位时间内出现的事件数，即事件发生速率，对于光子发射，即是光子的速率；t测定时间间隔；m在时间间隔t内，测得的光子数；P（m）在时间间隔t内，测得的光子数为m的概率。,5-1 离散信号检测的特点,三、光子流强测量的特点和要求 5.需确定合适的测量时间间隔 为了考察不同的时间间隔t取值对测量精度的影响，引入泊松分布的标准偏差。用其可表示在反复多次测量时，大量测量数据所处的范围，也就是概率较大的区域，即 的区域。例：当R=100光子/秒时，t分别为0.1、1、10s时，则R t=10、100、1000，=101/2、10、10101/2，测量各自主要集中在613、90110、9701030之间，/R t分别为1/101/2、1/10、1/（10101/2）。由此可看出，t越大，测量值偏离平均值的相对偏离越小。,5-2 光子计数器的结构,一、光子计数器框图 光子流经过PMT，转换为电脉冲列；然后，随同噪声脉冲输入甄别器，作噪声脉冲的剔出；之后，送入脉冲计数器，作定时间计数；最后，通过数显或模显显示光子流强度变化。,5-2 光子计数器的结构,二、作光子计数用的光电倍增管（PMT）1.要有极低的噪声 当光作为入射射线打到光阴极上时，光阴极将光子转变为光电子，通过后续的打拿级（图中1-9各级）将光电子进行多次倍增。打拿级由电子逸出功较小的材料构成，以使高能快速电子打到打拿级上产生二次电子发射，达到倍增目的。第10极为阳极，也就是收集极，收集倍增后的光电子形成阳极电流。当极间电压一定后，打拿级的倍增因子基本上是一个常数，所以当光信号变化时，倍增后的光电子也随之变化，使输出的阳极电流比例于输入光子数。,5-2 光子计数器的结构,二、作光子计数用的光电倍增管（PMT）1.要有极低的噪声 用作光子计数器的PMT，在光谱响应范围合适的前提下，首先要有极低的噪声。低噪声的概念，主要是指噪声脉冲数要少。PMT的噪声来源：主要是由于光阴极和第一打拿级热电子发射造成；其次，还有后级打拿级热发射、阳极漏电流、场致发射、光反馈、离子反馈等因素。PMT的噪声分类：PMT的噪声脉冲按幅度可分为A、B、C、D四类：,5-2 光子计数器的结构,二、作光子计数用的光电倍增管（PMT）1.要有极低的噪声 A类噪声脉冲：是由后级打拿级产生，由于倍增增益小，故幅度小，但数目多；B类噪声脉冲：主要是由光阴极的热发射电子造成，其幅度与光电发射的脉冲相当；C类和D类噪声脉冲：是由高能粒子使光阴极一次发射多于两个电子，故其脉冲幅度大于B类。D类脉冲，一次发射多于5个电子，故幅度更大。降低PMT的噪声的措施：C、D类脉冲，主要来源于外部，数量少，可用屏蔽和幅度甄别方法解决；A类脉冲也主要用幅度甄别的方法排除。故降低噪声主要是减少B类噪声脉冲。,5-2 光子计数器的结构,二、作光子计数用的光电倍增管（PMT）1.要有极低的噪声 降低热发射的最佳方法，就是降低温度，一般光子计数用的PMT工作于-40-60。除了热噪声外，第二要考虑的是散粒噪声，它来源于光阴极的光电子发射的统计性，也来自于打拿级的二次电子发射的统计性。同样由于前级噪声有大的增益，故散粒噪声主要来源于光阴极和第一打拿级。要减少散粒噪声，需要降低第一打拿级的传输系数、第一打拿级的二次电子发射系数、第一打拿级后的各级平均传输系数、第一打拿级后的各级平均二次电子发射系数。对于其它噪声，在PMT的设计、制作、工艺、选材上都要注意。例如，要防止光反馈、离子反馈，要注意边缘毛刺放电、场致发射等。,5-2 光子计数器的结构,二、作光子计数用的光电倍增管（PMT）2.要有良好的单光子响应峰 用作光子计数的PMT，要有良好的单光子响应峰特性。图5-3所示的脉冲高度分布（PHD）是选择PMT的重要依据。定义:（5-2）（5-3）分析：峰谷比越大、分辨力越小的PMT 越适合用于光子计数。,5-2 光子计数器的结构,二、作光子计数用的光电倍增管（PMT）2.要有良好的单光子响应峰 图5-4是四种适于光子计数的PMT的PHD曲线。图（a）、（b）是国产倍增管GDB-472150V）和GDB-423（-1000V）；图（c）、（d）是国外倍增管RCA-31034（-1450V）和EMI-9558B（1250V）。其性能参见表5-1和表5-2。,5-2 光子计数器的结构,二、作光子计数用的光电倍增管（PMT）2.要有良好的单光子响应峰,5-2 光子计数器的结构,二、作光子计数用的光电倍增管（PMT）3.要有较宽的计数坪区PMT在相同的入射光下，阴极阳极加不同外加电压时，会有不同的信噪比特性，而且计数速率也有所不同。为了减小误差、为了有较宽的使用电压范围，应选用计数坪区特性好的PMT。图5-5是PMT的计数坪区示意图。,5-2 光子计数器的结构,二、作光子计数用的光电倍增管（PMT）3.要有较宽的计数坪区 图中横轴是所加高压值，随高压的增加，无光照时计数速率沿曲线1变化；有光照时，计数速率按曲线2变化。曲线1有一段变化缓慢区域，作光子计数测量时，只能选用该区域。从图中曲线1和曲线2的比较可以看出，坪区的开头处是信噪比（SNR）最大的地方，而坪区的结尾处是信噪比（SNR）最小的地方。因此，实际使用时，应选择在坪区开头附近。坪区可用坪长和坪斜来描述，具体如下：（5-4）（5-5）式中，为平均计数速率。,5-2 光子计数器的结构,二、作光子计数用的光电倍增管（PMT）3.要有较宽的计数坪区 PMT有坪区特性的存在，也可由其PHD曲线随外加电压变化而得出。图5-6是国产倍增管GDB-47在不同外加电压下的PHD曲线。在低电压时，单峰特性差，其信噪比不好；在高电压时，其单峰特性也会变坏。,5-2 光子计数器的结构,二、作光子计数用的光电倍增管（PMT）4.第一打拿级的电压要高，偏置电路的电流要小 除选好合适的PMT外，正确使用PMT也是非常重要的。例如，各倍增极的偏置电压、偏置电路中的偏置电流都是值得注意的。第一打拿级的电压要高：提高第一打拿级的电压，可使第一打拿级的传输系数和二次电子发射系数降低，这对减小散粒噪声是有利的。同样，若提高第一打拿级的电压，可使整个倍增系统的标准偏差减至最小，使PMT阳极输出脉冲幅度的变化减至最小。这是因为打拿级的二次电子输出个数也是按伯松分布规律进行的，在电压高时，二次电子个数离散偏差减小。,5-2 光子计数器的结构,二、作光子计数用的光电倍增管（PMT）4.第一打拿级的电压要高，偏置电路的电流要小 第一打拿级的偏置电路的电流要小：一般的PMT用作缓变较强光测量时，由于要减小饱和，增加稳定性，一般使偏置电 流较大，常取阳极电流的1000倍或更多。例如，若选偏置电流为1mA，此时，偏置电阻的功耗约为103V10-3A=1W。此热功率会明显使PMT的温度上升，增加噪声，使SNR降低。在作光子计数时，常可使偏置电流减小一个量级，使热功耗也减小一个数量级，管子的温升就不会太大，可获得较大SNR。这是因为此时的PMT电流很小，而且是脉冲工作,5-2 光子计数器的结构,二、作光子计数用的光电倍增管（PMT）4.第一打拿级的电压要高，偏置电路的电流要小 的，只要偏置电路中加了稳压电容，就可以利用电容在两个相邻脉冲的时间间隔内，重新充电，保证打拿级电压稳定。5.阳极电路时间常数要小 阳极电路的设计和制作，也应该特别注意。若阳极电路中有一负载电阻Ra和与之并联的一分布电容Ca，由于脉冲电流的到来，将使电容上获得充电和放电。PMT阳极的输出电压脉冲如图5-7所示。,5-2 光子计数器的结构,二、作光子计数用的光电倍增管（PMT）5.阳极电路时间常数要小 其中图（a）为电荷积累和时间的关系，即到达阳极的电子数与时间的关系，电荷从零开始，随时间增大到最大值Qa并保持不变；图（b）是阳极电流脉冲曲线，由图（a）求导得到，定义半高度处为脉冲宽度，一般典型值为10-20ns；电阻Ra上的电压脉冲不仅由Ra值决定，还受分布电容Ca的影响。对于精心设计的光子计数系统，Ca可达20pF。于是对Ra=50时，阳极电路的时间常数RaCa=1ns。这种情况下，电压脉冲将,5-2 光子计数器的结构,二、作光子计数用的光电倍增管（PMT）5.阳极电路时间常数要小 与电流脉冲相同，如图（c）所示。加大电容，将使脉冲变小变宽；加大电阻，将使脉冲变大变窄。从图中可知，要尽量减小分布电容Ca，而且也不能用太大的负载电阻Ra。6.接地与屏蔽工艺要认真 PMT的接地方式有两种：阴极接地：阳极具有一个高的正电压；阳极经过一个适当的负载电阻接地：阴极具有一个高的负电压。这两种方法各有利弊。,5-2 光子计数器的结构,二、作光子计数用的光电倍增管（PMT）6.接地与屏蔽工艺要认真 在阴极接地的方案中，PMT的输出一般是2kV，所以需要在阳极和输出之间接一个电容器，以免损坏前置放大器或其它与阳极相连的电子线路。这样一个电容器会带来新的问题，即在PMT的内部由最后两个打拿级和阳极所形成的高频传输效应将趋于破坏。,5-2 光子计数器的结构,二、作光子计数用的光电倍增管（PMT）6.接地与屏蔽工艺要认真 阳极接地方案，如图（b）所示。优点：可直接将阳极与光子计数系统相连。缺点：PMT放在它的外罩里时，为安全起见，外罩必须接地。这就意味着外罩的壁和PMT内部电极之间有很大负压，特别是对光阴极和靠近光阴极的一些打拿级，由于这个高压，漏电就能从地经外罩、PMT的管壁，流至光阴极或第一打拿级。当电流流经管壁时，如果管壁有荧光，荧光发射的光子将会到达光阴极，产生寄生,5-2 光子计数器的结构,二、作光子计数用的光电倍增管（PMT）6.接地与屏蔽工艺要认真 信号。为了克服这一问题，必须在罩里面加一屏蔽，放在PMT的管壁和外罩内壁之间，此屏蔽经一电阻连到阳极电位，这样就不再有漏电流流经PMT的管壁。实际使用时，常在PMT的阳极接入一个100k的电阻接地，作为负载。由于Ra=50，RL=100k，RL/RaRa，所以放大器的等效输入电阻仍为50，以保证RaCa=1ns而不使阳极电压波形失真。,5-2 光子计数器的结构,三、放大器 在输入信号具有伏的量级时，鉴别器已能较好的把信号脉冲选出来。而PMT的输出，约为毫伏量级或稍小的窄脉冲，故光子计数器对放大器的增益要求不高，只要达到数百至数千倍就可以了。注意：PMT的输出脉冲是很窄的（约为10ns）。为了能保持高速计数，放大器的输出脉冲也必须保持原有的宽度，其前后沿时间应尽量短。故需要宽频带放大器。如果能找到符合要求的集成电路放大器芯片，那么放大器是比较好作的。否则只能用分离元件制作。这时，首先要选用截止频率高的晶体管，其次要尽量减少分布电容和分布电感。,5-2 光子计数器的结构,四、脉冲幅度甄别器 1.脉冲幅度甄别器的工作方式 脉冲幅度甄别器的5种工作方式：单电平工作方式、窗方式、校正方式、PHA（脉冲高度分析）方式、预定标方式。,5-2 光子计数器的结构,四、脉冲幅度甄别器 1.脉冲幅度甄别器的工作方式（1）单电平工作方式：如果输入脉冲幅度高于第一甄别电平V1，则甄别器输出一个脉冲（注意：不一定是原脉冲幅度）；相反，如果输入脉冲幅度低于第一甄别电平V1，则甄别器无脉冲输出。若将第一甄别电平V1选得略低于入射光子输出的脉冲幅度，则可将大量后级打拿级产生的输出噪声脉冲排出。（2）窗方式：在窗方式下，甄别器设置有两个甄别电平V1和V2，只有输入脉冲幅度在两个甄别电平之间，甄别器才输出一个脉冲。这种方式，要求能把入射光子形成的电脉冲的可能幅度都包括在V1和V2之间。这种方式可将输入脉冲幅度低于V1或高于V2的噪声脉冲排出。,5-2 光子计数器的结构,四、脉冲幅度甄别器 1.脉冲幅度甄别器的工作方式（3）校正方式：这种方式是考虑到脉冲堆积效应而提出的。脉冲堆积效应：是指有的高于V2幅度的单个脉冲，可能是两个或多个光子同时到达光阴极，或两个或多个光子到达光阴极时间差小于PMT的渡越时间差时，所形成的现象。为此，规定若输入脉冲幅度介于V1和V2之间，则甄别器输出一个脉冲；若输入脉冲幅度大于V2，则甄别器输出两个脉冲，以修正因脉冲堆积而造成的漏计数。（4）PHA方式：在这种方式下，V1和V2非常接近，V很小且固定，但电压V则从零到最大值以一定的速率扫描（例如510次/s）。输出接示波器，可看到PMT完整的脉冲高度分布。,5-2 光子计数器的结构,四、脉冲幅度甄别器 1.脉冲幅度甄别器的工作方式（5）预定标方式：这种方式是在计数器速率不太高时，使光子计数器能工作于高计数速率的方式。此时，每输入十个幅度在V1和V2之间的脉冲，甄别器只输出一个脉冲。所以，计数器的计数值是实际数值的十分之一。这样，可降低对计数器的计数速率要求。另外，还要求甄别器甄别速度要快，最好完成一次甄别的时间小于10-8s，这样才能测高达107个/s的光子流密度。2.甄别器的电路 最基本的甄别器电路有二极管式、多谐触发器（主要是施密特触发器）式、电压比较器式等。,5-2 光子计数器的结构,四、脉冲幅度甄别器 2.甄别器的电路（1）二极管甄别器电路 图5-10是二极管甄别器电路，用于甄别负脉冲。当输入端无输入或输入脉冲幅度不大（未考虑负号）时，二极管截止，甄别器无输出；当输入脉冲幅度超过V时，甄别器有输出。电路的缺点：输出脉冲幅度决定于输入脉冲幅度，尤其是刚超过V的输入脉冲，其输出脉冲幅度太小。另外，分布电容C的存在，可能使高频脉冲“飞越”到输出端。,5-2 光子计数器的结构,四、脉冲幅度甄别器 2.甄别器的电路（1）二极管甄别器电路 对5-10略加改动，可甄别正脉冲，如图5-11所示。,5-2 光子计数器的结构,四、脉冲幅度甄别器 2.甄别器的电路（2）施密特触发器式甄别器电路图5-12是施密特触发器电路，它基本可以满足对甄别器的一般要求。如：输出脉冲幅度固定，与输入脉冲幅度无关；甄别电平可调，且稳定（受其它因素影响小）；对输入脉冲的波形要求不高；甄别灵敏度不差。,5-2 光子计数器的结构,四、脉冲幅度甄别器 2.甄别器的电路（2）施密特触发器式甄别器电路 电路的工作原理：T1管在有合适电平输入时，开始进入导通，通过耦合使T2管电流减小，射级电阻上的压降减小，进一步使T1管基射电压增大，从而T1管集电极电流更大，这样的正反馈，迅速使T1管饱和导通、使T2管截止。同理，若输入电平较低，会使T1管退出饱和导通，经正反馈后，T1管截止，T2管饱和导通。因此，输入一个脉冲，将有一个输出脉冲。缺点：甄别时间较长，不适用于高速甄别。要实现高速甄别，可用图5-13所示的电流开关型施密特触发电路。,5-2 光子计数器的结构,四、脉冲幅度甄别器 2.甄别器的电路（2）施密特触发器式甄别器电路图（a）中使用了以T3为主的恒流源，使T1、T2组成的施密特触发器工作在非饱和区，因而加快了翻转速度。另外，图（a）中还用了齐纳 二极管替代耦合电阻，这也提高了翻转速度。图（b）中用射级跟随器与齐纳二极管替代了耦合电阻，隔离了T2管的输入电容对T1管的影响，也可提高翻转速度。,5-2 光子计数器的结构,四、脉冲幅度甄别器 2.甄别器的电路（3）电压比较器式甄别器电路 下面介绍一种简易型光子计数器的甄别器电路。图5-14中阈值电位器提供窗中心电平的选择；V/2电位器提供窗半宽电平选择。两电位器的输出输出电平一起送入加法器和减法器，使加法器和减法器分别输出上、下阈值电平V上与V下。V上与V下各自输入上、下比较器，分别与输入信号脉冲进行比较。,5-2 光子计数器的结构,四、脉冲幅度甄别器 2.甄别器的电路（3）电压比较器式甄别器电路若信号VS大于阈值电平VC（V上或V下），则输出为与信号脉冲相同的正小脉冲；若VS小于阈值电平VC（V上或V下），则输出为与信号脉冲反相的小脉冲，如图5-15所示。用整形放大器整形后，输入反符合门单元（由正脉冲触发的单稳和双稳组成），上比较脉冲送给双稳态，下比较脉冲送给单稳态。,5-2 光子计数器的结构,四、脉冲幅度甄别器 2.甄别器的电路（3）电压比较器式甄别器电路 若输入信号VS V上时会输出两个脉冲。,5-2 光子计数器的结构,五、计数器 光子计数器用的计数部件，实际上就是一数字频率计。数字频率计应具有测量精度高、速度快、自动化程度高、数显、操作简单等特点，可以用于测量频率、周期、时间间隔、频率比、累加计数、电压（加传感器）、电位等。光子计数器的计数部件，同样具有这些特点和功能。图5-16是其框图。晶振产生标准的时钟脉冲列，分频后以达到合适的计时单位。门控决定闸门的开关时间间隔t(以分频后的脉冲周期为单位)。门开启的时间内通过的信号脉冲数，被计数电路计数。设计数为N，则显示器可显示N/t的频率值。,5-2 光子计数器的结构,六、实用光子计数器下面介绍几种实用光子计数器。1.用于交叉分子束的光子计数器 这种光子计数器是由中科院大连化学物理研究所研制的，其性能比较完善，框图如图5-17所示。图5-17的特点：（1）利用了除2电路，使信号光电脉冲落入窗口者除2；大于窗口者，不除2，作为脉冲堆积的校正；（2）附有扫描电路，因此有PHA功能，可作脉冲高度分布谱；,5-2 光子计数器的结构,六、实用光子计数器1.用于交叉分子束的光子计数器（3）由于放大器输出脉冲的上升时间tr和下降时间tf，以及上下甄别阈值的差异，将使上阈比较器与下阈比较器的输出宽度不一致，如图5-18的（b）（c）所示。为了可靠地进行反符合，使电压比较器倒相输出，以提前的后沿（d）驱动D触发器整形，确保上阈整形后的脉冲宽度完全覆盖下阈反符合脉冲（e）。,5-2 光子计数器的结构,六、实用光子计数器1.用于交叉分子束的光子计数器 性能指标：所用的PMT为EMI的9863B/100，光阴极的直径=2.5mm，阴极材料为S20，室温下的高压为1860V，暗计数为2光子/s；放大器的上升时间tr=5ns，增益G=2002（46dB6dB），噪声为20V，比较器的响应为12ns，f=40MHz；窗范围为10100mV。这种光子计数器已应用于分子束反映化学发光光谱测试中，在光谱的精细结构中具有较好的分辨力。在测定Ne原子谱线时，与英国Brookdeal的9503型锁相放大器作了对比测量，如图5-19所示.,5-2 光子计数器的结构,六、实用光子计数器1.用于交叉分子束的光子计数器 其中（a）为LIA的测量结果，（b）为光子计数器的测量结果。由图5-19可知，后者比前者具有更好的精细分辨和灵敏度。,5-2 光子计数器的结构,六、实用光子计数器2.1109/1121型光子计数器 这是由美国PARC公司生产的一种性能较好的光子计数器，其框图如图5-20所示。包括RCA31034光电倍增管、TE-206TSRF型制冷电源、1121放大/甄别器及1109型计数器。1121放大/甄别器可用1120型替换，1109型计数器可用1112替换。这一系统功能齐全，甄别器设有单电平、窗、校正、PHA和预定标五种功能；计数方式也有多种功能；输出方式也比较全面，可作模拟和数字两种输出。,5-2 光子计数器的结构,六、实用光子计数器2.1109/1121型光子计数器 图5-21是1121A的简化框图，它除能与1109或1112型计数器等连接外，还有快速NIM输出的BNA插口，及与其它计数系统连接。,5-2 光子计数器的结构,六、实用光子计数器2.1109/1121型光子计数器 1109型计数器是一种多功能的8位数字计数器。具有预设时间计数、倒数计数、比例计数等。其计数速率较高，可达100MHz。具有扣除背景的能力，可与计算机相连，能实时程控操作和自动数据采集。计数值可按线性或对数作DAC模拟输出，也可按串行或并行方式作数据输出。1109/1121型光子计数器的主要性能指标为：阻抗为50；等效噪声为17V；最小可检测信号幅度为50V；最小脉冲间隔2.5ns；放大器的带宽为150MHz、增益为1100；最大计数率为3.7107个/s。,5-3 光子计数器的使用与应用,一、光子计数器的计数方式 目前，光子计数器的计数速率最大约为107个/s，总计数最大值为108。为了有多种测量功能，其计数方式有多种。1.定时正常计数光子计数器用的计数器，一般由两个计数电路构成：一个为预置器电路，用于数值设定与比较；另一个计数电路由时钟脉冲发生器组成。这两部分不同的连接会形成不同的计数方式。定时正常计数是最简单的计数方式，如图5-22所示。,5-3 光子计数器的使用与应用,一、光子计数器的计数方式 1.定时正常计数 定时正常计数方式：预先在预置器上设定预置器动作所需的脉冲数，此脉冲数乘脉冲周期就是设定的采样时间。测定所设定时间内输入的光子脉冲数，即可获得光子流速率RA。工作过程：当启动信号（目的是使计数器A、C计数同步）到达后，计数器A、C同时开始计数，其中计数器A计来自甄别器的脉冲，直到预置器发出停止脉冲；计数器C计内或外时钟脉冲，其计数值，不断快速通知预置器，一旦计数值达到所设定的值N，则预置器发出停止脉冲，使计数器A、C同时停止计数。,5-3 光子计数器的使用与应用,一、光子计数器的计数方式 1.定时正常计数 设恒定的时钟脉冲频率为RC，计数器C达到计数N所需的时间为t，则（5-6）在相同的测量时间t内，计数器A的累加计数为（5-7）由于RC、N为已知数，而NA可从计数器A读出，因此可求得光子流速率RA。,5-3 光子计数器的使用与应用,一、光子计数器的计数方式 2.倒数计数（定数正常计数）倒数计数时，输入信号起外部时钟频率的作用，恒定时钟脉冲频率RC则作为计数器A的输入。预置N后，启动计数器，则测量时间t为（5-8）计数器A的输出将与信号脉冲的平均时间（1/RA）成比例，即,5-3 光子计数器的使用与应用,一、光子计数器的计数方式 2.倒数计数（定数正常计数）（5-9）故称为倒数计数。优点：在每一测量过程中利用了恒定数目的信号计数，因此，不论信号强弱，测量精度相同。,5-3 光子计数器的使用与应用,一、光子计数器的计数方式 3.源补偿计数（比例计数）由（5-7）可知，若计数时间t越长，测量值越接近真实的光子速率。但如果在测量时间内，光源强度不稳定，则加长测量时间会造成更大的计数误差。图5-24是源补偿计数框图，它可以补偿由于光源强度的不稳定造成的计数误差。,5-3 光子计数器的使用与应用,一、光子计数器的计数方式 3.源补偿计数（比例计数）光源发出的光经分束器后，成为两束光束，即光束A和C。光束A经样品到达PMT1，PMT1用来接收样品的透射光，经放大、甄别后的计数速率为RA，它随光源的不稳定而变化；光束C通过PMT2检测，经放大、甄别后的计数速率为RC，它比例于光源强度。,5-3 光子计数器的使用与应用,一、光子计数器的计数方式 3.源补偿计数（比例计数）将RA送到图5-22的计数器A，RC送到计数器C（外接计数位置），设定N后，可得输出计数为（5-10）因此，消除了光源的影响，即RA/RC成比例，是一个常数。,5-3 光子计数器的使用与应用,一、光子计数器的计数方式 4.背景扣除（1）简单背景扣除 任何一个光子计数系统，都免不了有背景光和暗电流的计数（如PMT的B类噪声脉冲）。在背景光与系统稳定性能较好时，此背景和暗电流计数可作为一常数进行扣除。这时，一般是作一次无信号光的计数（NN）测量，再作一次有信号光入射且加背景的计数（NS+N=NS+NN），两者相减，即可获得扣除背景和暗电流噪声的计数NS。一般，光子计数器系统可自动完成这种相减的操作。,5-3 光子计数器的使用与应用,一、光子计数器的计数方式 4.背景扣除（2）斩波器自动背景扣除 光子计数器测定极弱光子流时，每测定一个值，需要较长的时间。因此，背景噪声不能看成一个常数，这时，可用斩波器扣除背景噪声的方法。,5-3 光子计数器的使用与应用,一、光子计数器的计数方式 4.背景扣除（2）斩波器自动背景扣除 扣除背景噪声的方法：光源发出的光经斩波器斩波后，经样品到达PMT，产生交替的“S+N”和“N”的计数。利用斩波器输出的同步脉冲，使定时控制器交替的选择使用计数器A和计数器B。用计数器A计“S+N”的计数；用计数器B计“N”的计数。若斩波器的开关时间相等（只需斩波器的通光和遮光区相等即可），最后通过运算电路A-B，即可获得扣除背景的信号计数NS；若斩波器的开关时间不相等，通过比例运算后，也可扣除背景噪声获得信号计数NS。通过运算电路A+B可获得测量时间内的总计数。,5-3 光子计数器的使用与应用,二、取样时间选取引起的误差估计 在随机离散量的测量过程中，测量时间越长，测量值越接近其数学期望值。下面讨论在选定测量时间后，如何估计随机离散量的测量误差。以随机离散量服从泊松分布为例讨论。如果随机离散量服从泊松分布，则其测量误差可表示为（5-11）测量时间越长，测量误差越大，而相对误差/Rt越小。另一方面，从SNR的角度来看，SNR越大，测量误差越小，故可用1/SNR作测量误差估计的度量。可以设想，噪声随机性造成的SNR，应与相关，可直接定义:,5-3 光子计数器的使用与应用,二、取样时间选取引起的误差估计 SNR=S/（5-12）在斩波器自动扣除背景测量方法中，S=NA-NB，而NA+NB为总测量值。按泊松分布的讨论，NA+NB=2。因此用1/SNR作测量误差估计的度量，则有（5-13）下面举例说明：设测量时间t=10s，用斩波器扣除背景法测量。,5-3 光子计数器的使用与应用,二、取样时间选取引起的误差估计（1）NA=106，NB=104 则有 NA-NB=9.99105；NA+NB=1.01106；=1.005103；SNR=994.04；1/SNR=0.001。（2）NA=106，NB=105 则有 NA-NB=9.9105；NA+NB=1.1106；=1.049103；SNR=943.9；1/SNR=1.0610-3。,5-3 光子计数器的使用与应用,二、取样时间选取引起的误差估计（3）NA=106，NB=9105 则有 NA-NB=1105；NA+NB=1.9106；=1.38103；SNR=72.548；1/SNR=0.013。（4）NA=106，NB=9.99105 则有 NA-NB=1105；NA+NB=1.999106；=1.41103；SNR=0.71；1/SNR=1.01。分析：随着光子流强的减小（NA-NB变小），在同样的测量时间内，却有相差悬殊的误差。,5-3 光子计数器的使用与应用,三、脉冲堆积效应 简化：假设PMT的量子效率为100%，即当一个光子到达PMT的光阴极时，便有一个光电子离开光阴极，在阳极得到一个宽度为1020ns的脉冲。如果现在有三个光子，第二个光子比第一个光子迟5ns到达，第三个光子又比第二个光子迟5ns到达。但是由于PMT渡越时间的分散产生脉冲的宽度为1020ns，因此三个彼此相隔5ns的光脉冲将在阳极发生重叠，实际输出,5-3 光子计数器的使用与应用,三、脉冲堆积效应 却是一个脉冲，如果简单地用一个普通的放大-甄别器来测量，则获得一个计数，这就是PMT的脉冲堆积效应。它限制光子计数器只能在光子速率小于108（100MHz）的情况下计数。光子发射的泊松分布实际上表示了PMT的分辨率，也表示了脉冲堆积的概率分布。例如，对于不同的光子速率和不同的PMT（快速PMT与慢速PMT），其脉冲堆积的概率是不同的。对快速PMT，其时间响应为10ns；而慢速PMT的时间响应为50ns。对于相同的光子速率，根据泊松分布，出现脉冲数n的概率也将不同。,5-3 光子计数器的使用与应用,三、脉冲堆积效应 表5-3列出了光子速率R=108(100MHz)和R=107(10MHz)，对于快速与慢速PMT的n出现概率的计算，其中n=0表示零阶计数。,5-3 光子计数器的使用,三、脉冲堆积效应 分析：（1）光子速率R=108时：对快速PMT而言，n=3时的概率为6%，这说明三个光子产生脉冲堆积的效率较小；而对慢速PMT而言，产生四个光子和五个光子脉冲堆积的概率高达35%，即脉冲堆积造成的误差较大。（2）光子速率R=107时：分析同上。附加脉冲堆积效应：当采用快速PMT来减小脉冲堆积时，另一方面，甄别器的死时间所引起的附加脉冲堆积将成为误差的主要的来源。甄别器在运转过程中，有一段时间是不能进行脉冲甄别的，称这段时间为死时间。,5-3 光子计数器的使用,三、脉冲堆积效应 死时间内输入的脉冲，将不被计数。由于甄别器的“阻塞”使计数率下降，这种效应成为“停息”。当计数率很大时，这种误差很大。经验计算公式为（5-14）例：甄别器的响应为100MHz，则其死时间为1/100MHz=10ns。当测量的光子速率为107个/s时，则误差为10%。可见，仅寻找快速PMT是不行的，当光子流速率在106107个/s时，甄别器的死时间，可能是误差的主要来源。,5-3 光子计数器的使用,四、子计数器的主要性能指标 1.放大器与甄别器 增益 102103；通带宽 102103 MHz；等效噪声 17V；MSD 50mv；最大计数速率（甄别器的频响）100MHz；死时间 5ns；阈值电平 50V105mV；动态范围 50V210mV。,5-3 光子计数器的使用,四、子计数器的主要性能指标 2.计数器 计数速率 0100MHz；计数容