实验十九单光子计数实验.docx
实验十九单光子计数实验现代光测量技术已步入极微弱发光分析时代。在诸如生物微弱发光分析、化学发光分析、 发光免疫分析等领域中，辐射光强度极其微弱，要求对所辐射的光子数进行计数检测。对于 一个具有一定光强的光源，若用光电倍增管接收它的光强，如果光源的输出功率及其微弱, 相当于每秒钟光源在光电倍增管接收方向发射数百个光子的程度，那么，光电倍增管输出就 呈现一系列分立的尖脉冲，脉冲的平均速率与光强成正比，在一定的时间内对光脉冲计数， 便可检测到光子流的强度，这种测量光强的方法称为光子计数。【实验原理】1.光子的量子特性光是由一束光子组成的光子流，光子是静止质量为零，有一定能量的粒子。一个光子的 能量可用下式确定E h hc/(19-1)式中c 3.0 108m/s是真空中的光速，h 6.6 10mj.s是普朗克常数。光流强度常用光功率？表示，单位为W。单色光的光功率可用下式表示(19-2)式中R为光子流量，即单位时间通过某一截面的光子数。只要测得日，就可得到？。如果光 源发出的是波长为500nm的近单色光，可以计算出这种光子的能量Ep为hc 6.63 10 34J s 3.0 108m s 1E=3.9785.0 10 7 m10 19 J (19-3)当光功率为10 14W时，这种近单色光的光子流量为10 10 16 WR 3.2 102 s 13.16 10 19 J(19-4)当光流强度小于10 16W时通常称为弱光，此时可见光的光子流量可降到一毫秒内不到一 个光子，因此实验中要完成的将是对单个光子进行检测，进而得出弱光的光流强度，这就是 单光子计数。2.电倍增管的工作原理。光电倍增管是一个由光阴极、阳极和多 个倍增极(亦称打拿极)构成的特殊电子管。 它的前窗对工作在可见光区及近紫外区的用 紫外玻璃：而在远紫外区则必须使用石英。(1)光阴极：光阴极的作用是将光信号转变 成电信号，当外来光子照射光阴极时，光阴 极便可以产生光电子。产生电子的多少与照 射光的波长及强度有关。当照射光的波长一定 时，光阴极产生光电流的强度正比于照射光的强度阳报半透明阴祖第一次佬睇二次电子/图19-1光电倍增管的工作原理图这是光电倍增管测定光强度的基础。各种不同的光电倍增管具有不同的光谱灵敏度。目前很少用单一元素制作光阴极，常用的有 AgOCs、Cs3Sb、BiAgOCs、Na2KSb、K2CsSb等由多元素组成的光阴极材料。（2）倍增极：倍增极也称打拿极，所用的材料与阴极相同。倍增极的作用实质上是放大电 流，即在受到前一级发出的电子的打击后能放出更多的次级电子。普通光电倍增管中倍增极 的数目，一般为11个，有的可达到20个。倍增极数目越大，倍增极间的电位降越大，PMT 的放大作用越强。（3）阳极：大部分由金属网做成，置于最后一级打拿级附近，其作用是接受最后一个倍增 极发出的电子。但接受后，不象倍增极那样再射出电子，而是通导线以电流的形式输出。光电倍增管的工作原理如图19-1所示，在光电倍增管的阴极和阳极间加一高电压，且 阳极接地，阴极接在高压电源的负端。另外，在阳极和阴极之间串接一定数目的固定电阻， 这样在每个倍增级上都产生一定的电位降（一般为50V到90V），使阴极最负（图中假定 为 400V），每一倍增极-300V，顺次增高，至阳极时为Jf0”V。当一束光线照射阴极时， 假设产生一个光电子，这个光电子在电场的作用下，向第一倍增极射去。由于第一倍增极的 电位比光阴极要正100V，所以电子在此期间会被加速。当其撞击第一倍增极时，会溅射出 数目更多的二次电子（图中假定为2个）。依此类推，电子数目越来越多。目前，一般光电倍 增管的电子数总增益G约为106,有的甚至高达108110，由于其放大作用很强，所以适用 于微弱光信号的测量。这里G dN （195）式中d是每一个入射光电子能打出的二次电子的平均数，叫做二次发射系数。此二次发 射系数与倍增级材料及倍增极间的电位降有关，式中n为倍增极的数目。I 7 /时界割肝）版浏I幻图19-2光电倍增管输出脉冲幅度分布（微分）曲线本实验系统中用的光电倍增管要求其光谱响应适合所用的工作波段，暗电流要小（决定 管子的探测灵敏度），响应速度及光阴极稳定。3. GSZF-2A单光子计数实验系统工作原理本实验系统利用弱光下光电倍增管输出电流信号自然分离的特征，采用脉冲高度甄别和 数字计数技术将淹没在背景噪声中的弱光信号提取出来。当弱光照射到光阴极时，每个入射 光子以一定的概率（量子效率）使光阴极发射出一个电子。这个光电子经倍增后在阳极形成一 个电流脉冲，通过负载电阻形成一个电压脉冲，即单光子脉冲。除了上述单光子脉冲外，还 有各倍增极地热反射电子在阳极回路中形成的热反射噪声脉冲。热电子受倍增的次数比光电 子少，因而它在阳极上形成的脉冲幅度较低。此外还有光阴极的热反射形成的脉冲。噪声脉 冲和光电子脉冲的幅度分布如图19-2所示。图19-3光电倍增管输出脉冲分布图19-3中脉冲幅度较小的主要是倍增极产生的热反射噪声信号，而光阴极反射的电子 （包括光电子和光阴极的热反射电子）形成的脉冲幅度较大，出现“单电光子峰”。为了能够实现对弱光经过光电倍增管放大后产生的单光子电压脉冲的准确计数，必须设 法消去光电倍增管噪声脉冲特别是倍增极产生的热反射噪声脉冲对计数器的干扰。本实验采 用脉冲高度甄别和数字计数技术来实现。其原理框图如图19-4所示：图19-4单光子计数器原理框图放大器把光电子脉冲和噪声脉冲线性放大。经放大的脉冲信号送至脉冲幅度甄别器。脉冲幅度甄别器 甄别器中设有一个连续可调的参考电压Vh。当输入脉冲高度低于Vh时， 甄别器过滤该脉冲，使甄别器不产生输出。只有高于Vh的脉冲，甄别器才输出一个标准脉 冲。由于噪声脉冲和单光子脉冲的幅度的分离，只要选取合适的参考电压Vh，就能去掉大 部分噪声脉冲而只有光电子脉冲通过，从而提高信噪比。计数器（定标器）功能是在规定的测量时间间隙内把甄别器输出的标准脉冲累计和显示。 要求计数数率在10MHz左右。图19-5甄别器工作示意图4. 光子计数器信噪比当扣除背景计数或同步数字检测的工作方式时，在两相同时间间隔t内，分别测量背景Np = N" NdRt，按照误计数Nd和总计数%。设信号计数为Np，则七=Rt, 差理论，测量结果的信号计数Np中的总噪声为（）则测量结果的信噪比为：SNR =气 Nt+N（197）N - N_ 门R新:N + N d-,R + 2R由以上噪声分析可见：光子计数器测量结果的信噪比SNR与测量时间间隔的平方根*成正比。所以为提高信噪比，可增加测量时间间隔月【实验仪器】单光子计数器、半导体制冷系统，外光路（包括：光源、滤光片、减光片、导轨，计算 机控制软件。图19-6单光子计数实验系统【实验内容】1、观察不同入射光强光电倍增管的输出波形分布 开启GSD-2单光子计数实验仪“电源”，光电倍增管预热2030分钟。开启“功率测量”在UW量程进行严格调零;开启“光源指示”，电流调到3-4mA， 读出“功率测量”指示的P值。开启微机，进入“单光子计数”软件，给光电倍增管提供工作电压，探测器开始工 作。开启示波器，输入阻抗设置50Q，调节“触发电平”处于扫描最灵敏状态。打开仪器箱体，在窄带滤光片前按照衰减片的透过率，由大到小的顺序依次添加片 子。同时一并观察示波器上光电倍增管的输出信号，图形应该是由连续谱到离散分立的尖脉 冲。注意：每次开启仪器箱体添、减衰减片之后，要轻轻盖好还原，以免受到背景光的干扰。2、测量光电倍增管输出脉冲幅度分布的积分和微分曲线，确定测量弱光时的最佳阈值 （甄别）电平vh选择光电倍增管输出的光电信号是分立尖脉冲的条件，运行“单光子计数”软件。在 模式栏选择“阈值方式”；采样参数栏中的“高压”是指光电倍增管的工作电压，1 8档 分别对应620 1320V,由高到低每档10%递减。在工具栏点击“开始”获得积分曲线。视图形的分布调整数值范围栏的“起始点”和 “终止点”，“终止点”一般设在30 60档左右(10mV/档)；再适当的调整光电倍增管的 高压档次(68档范围)和微调入射光强，让积分曲线图形为最佳。其斜率最小值处就是 阈值电平vh。在菜单栏点击“数据/图形处理”选择“微分”，再选择与积分曲线不同的“目的寄 存器”运行，就会得到与积分曲线色彩不同微分曲线。其电平最低谷与积分曲线的最小斜率 处相对应，由微分曲线更准确的读出vh。3、单光子计数由模式栏选择“时间方式”，在采样参数栏的“域值”输入步骤2获取的Vh值，数 值范围的“终止点”不用设置太大，1001000即可，在工具栏点击“开始”，单光子计数。 将数值范围的“最大值”设置到单光子数率线在显示区中间为宜。此时，如果光源强度P1不变，光子计数率Rp基本是一直线；倘若调节光功率PT 高、低，光子数率也随之高、低而变化。这说明：一旦确立阈值甄别电平、测量时间间隔相 同，七与Rp成正比。记录实验所得最高或最低的光子计数率并推算七值。'由公式计算出相应的接收光功率P1【数据处理】光子计数器的噪声和信噪比光子计数器的噪声来源主要为光子发射的统计涨落，光阴极和倍增极的热电子发射和 脉冲堆积效应等。(1) 统计涨落噪声就热光源来说，在发光时各原子是相互独立的，相继的两个光子打到光阴极上的时间间 隔是随机的。按照统计规律在一定的时间间隔t内发出的光子数服从泊松分布。/ 、(n Rt ) n e - NRtN ne Np (n, t) = = (198)n!n!式中n是光电倍增管的量子计数效率，R是光子平均流量(光子数/s) N=nRt是在时间间隔t内光电倍增管的光阴极发射的光电子平均数。由于这种统计特征，测量到的信 号计数中就有一定的不确定度，通常用均方根偏差。来表示：。二：(n - N)2计算得出：。二，；N =、而。这种不确定度是一种噪声。所以统计噪声使得测量信号中固有的信号噪声比SNR为：f N-SNR =、N = vnRt(199)郁可以看出测量结果的信噪比SNR正比于测量时间间隔t的平方根，针对这一结论，采取 增加测量时间，以降低统计噪声的影响。(2) 暗计数噪声由于光电倍增管的光阴极和各倍增极有热电子发射，即使入射光强为零时，还有暗计数，也称本底计数。虽然采用降低管子的工作温度，选用小面积光阴极和选择合适的甄别电平等措施，力图使暗计数率R降到最小，但对于极微弱的光信号，暗计数仍是一个不可忽视的噪 d声来源。测量结果的信噪比为SNR = , I (1910)河 R + 2 Rd式中门为阴极的量子效率，日为入射光的平均流量,R为暗计数率，t为测量时间间隔。d(3) 脉冲堆积效应噪声分析光子计数器的噪声和计数误差时，除上述几个重要因素外，还应考虑脉冲堆积效 应.这是计数率较高时的主要误差来源。光电倍增管输出的脉冲有一定的宽度tw，只有在从一个光电子脉冲产生时算起,经过比 tw更长的时间间隔之后，光电倍增管阳极回路才能接着输出另一个光电子脉冲，tw又称为光 电倍增管的分辨时间。当后续光电子脉冲与前一个脉冲的时间间隔小于tw时，阳极回路只 输出一个脉冲，这现象称为脉冲堆积效应.如果接连有很多脉冲来临前的时间间隔都小于 tw，这些脉冲不能分辨。就是说它的计数率有上限，超过此上限就出现计数率的损失。(4) 累积信噪比当用扣除背景计数或同步数字检测工作方式时，在两个相同的时间间隔t内，分别测量背景计数(包括暗计数和杂散光计数)Nd和信号与背景的总计数Nt。则信号计数为Np Np=Nt-Nd5 R t Nd=Rdt(1911)按照误差理论，测量结果的信号计数中的总噪声应为：V Nt + Nd = ：6 Rt + 2Rdt(1912)NP "现时7(1913)测量结果的信噪比SNR=.Nt + Nd <Nt + Nd ."R + 2 Rd当信号计数Np远小于背景计数Nd时，测量结果的信噪比可能小于1，此时测量结果无 意义，当SNP= 1时，对应的接受信号功率P0min即为仪器的探测灵敏度。由以上的噪声分析可见，光子计数器测量结果的信噪比SNR与测量时间间隔的平方根 成正比。因此在弱光检测中，为了获得一定的信噪比，可增加测量时间t，这也是光子计数 能获得很高的测量灵敏度的原因。【注意事项】1. 在开制冷器前，一定先通冷却水。关闭制冷器后才能切断水源，否则将发生严重事故。2. 保存曲线时，若想将不同曲线进行比较，应将这些曲线存在不同寄存器中，否则不能 同时打开。3. 测量时，不可打开光路的上盖。以避免杂散光的影响。(1) 光电二级管的工作电流不要在大电流下长时间工作；(2) 制冷器工作前要检查水源；测量中保证水流量；测量结束继续通水10分钟后关水。【思考题】1. 分析信噪比SNR与时间t的关系是否符合泊松分布？2. 阈值为什么不随温度的改变而改变？3. 用阈值方式采集数据确定阈值时，阈值为什么应去计数率急剧下降后的那个值?
