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一文读懂光子计数器的工作原理

发表时间:2022-05-11  |  点击率:411
 
  光子计数器是一种基于直接探测量子限理论的极微弱光脉冲检测设备。它利用光电倍增管的单光子检测技术,通过对电子计数器鉴别并测量单位时间内的光子数,从而检测离散微弱光脉冲信号功率。根据对外部扰动的补偿方式,光子计数器分为三类:基本型、背景补偿型和辐射源补偿型。
 
  光子计数器工作时,光电倍增管的光电阴极接受光辐射的照射,在光电倍增光的负载上形成了一系列的电脉冲,把它连接到放大器上。这些脉冲经放大器放大后,加在甄别器的输入器上,甄别器滤除部分噪音脉冲,只允许那些和光辐射功率成正比的脉冲通过,并送入计数器。
 
  (1)光电倍增管
 
  光电倍增管(PMT)是一种高灵敏度电真空光敏器件,在弱光测量中,人们首先选用它人微言轻光信号的探测器件。光电倍增管由光窗、光阴极、倍增极和阳极组成。常用的光电倍增管有盒式结构、直线聚焦结构和百叶窗结构。
 
  光窗:光线或射线射入的窗口,检测不同的波长的光,应选择不同的光窗玻璃。
 
  光阴极:这是接受光子产生光电子的电极,它由光电效应概率大而光子逸出功小的材料制造。
 
  倍增极:管内光电子产生倍增的电极,在光电倍增管的光阴极及各倍增极上加有适当的电压,构成电子光学聚集系统。当光电倍增管光阴极产生的光电子打到倍增极上产生二次电子时,这些电子被聚焦到下一级倍增极上又产生二次电子,因此使管内电子数目倍增。倍增极的数目有8~13个,一般电子放大倍数达106-109。
 
  阳极:这是最后收集电子的电极,经过多次倍增后的电子被阳极收集,形成输出信号,阳极与末级倍增极间要求有最小的电容。
 
  光电倍增管有两种高压偏置方式:一种是阴极接地,阳极接一个高的正电压;另一种是阳极经过一个适当的负载电阻接地,而使阴具有一个高的负电压。
 
  光电倍增管性能的好坏直接关系到光子计数器能否正常工作。对光电倍增管的主要要求有:光谱响应适合于所用的工作波段,暗电流要小(它决定管子的探测灵敏度);响应速速度快、后续脉冲效应小及光阴极稳定性高。
 
  (2)放大器
 
  放大器把光电倍增管阳极回路输出的光电子脉冲及其他的噪声脉冲线性放大,因而放大器的设计要有利于电子脉冲的形成和传输,要求:有一定的增益;上升时间,即放大器的通频带宽达100MHz;有较宽的线性动态范围及低噪声系数。
 
  (3)甄别器
 
  甄别器的作用是弃除低幅度的噪声脉冲,降低光子计数器的背景计数率,提高检测结果的信噪比。通过选择甄别器的第一甄别电平V1和第二甄别电平V2,可实现只将阴极发射而形成的单光子脉冲和热电子脉冲转换为标准脉冲参加计数,而扣除掉其他噪声脉冲。
 
  甄别器可以具有第一甄别电平和第二甄别电平,两者相差V。当V为允许脉冲通过的阀值时,这种方式称之为窗式工作方式。V1和V2根据光电倍增管的脉冲幅度分布曲线设定,分别抑制脉冲幅度低的暗噪声与脉冲幅度高的由宇宙射线和天电干扰等造成的外来干扰脉冲,经过甄别器鉴别的输出信号是一个幅度与宽度标准化的脉冲,最后通过计数器或定标器记录,可测得排除大部分噪声的信号光子数,由于光子信号的半宽度约为10~30ns,因此放大器需要足够的带宽,常用的放大器带宽为100~200MHz,上升及下降时间要求小于3ns,同时放大器还要求有好的线性度(<1%)和良好的增益稳定性,而放大倍数仅需10~200倍即可,计数器要求有较久贩计数率,一般为100MHz,和有高的计数容量。
 
  (4)计数器
 
  计数器的主要功能是在规定的测量时间间隔内甄别器输出的标准脉冲。要求计数器的计数速率达到100MHz。但由于光计数器常用于弱光测量,其信号计数率极低,故选用计数速率低于10MHz的计数器(定标器)也可以满足要求。
 

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