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42 6 光子计数器中的辨别器 ?辨别器的使命是要将

更新时间:2019-10-12点击次数:

  光子计数器 1 光子计数器 1 2 3 4 5 6 7 8 概述 光电倍增管及偏置电取接地体例 光子计数过程中的噪声 光子计数器中的放大器 光子计数器丈量弱光的上限 光子计数器中的辨别器 光电倍增管的单光子响应峰 光电倍增管的计数坪区——最佳偏压的选择 2 1 概述 一、单光子计数手艺 ?操纵弱光映照下光电探测器输出电信号天然离散的特点, 采用脉冲鉴别手艺和数字计数手艺把极其微弱的信号识别并 提取出来。 ?单光子计数探测手艺是一种极微弱光探测法。 ?它所探测的光的光电流强度比光电检测器本身正在室温下的 热噪声程度(10-14W)还要低,用凡是的曲流检测方式不克不及 把这种湮没正在噪声中的信号提取出来。 3 ?单光子探测手艺使用: 高分辩率的光谱丈量、 非性物质阐发、高速现象检测、 细密阐发、大气测污、生物发光、 放射探测、高能物理、天文测光、 量子密钥分发系统等范畴。 单光子探测器正在高手艺范畴具有主要地位,成为光 电子学界沉点研究的课题之一 。 4 ?这种手艺和模仿检测手艺比拟有如下长处: ●丈量成果受光电探测器的漂移、系统增益变化以及其它 不不变要素的影响较小; ●消弭了探测器的大部门热噪声的影响,大大提高了丈量 成果的信噪比; ●有比力宽的线性动态区; ●输出数字信号,适合取计较机接口毗连进行数字数据处 理。 5 二、单光子计数的光电器件 可用来做为单光子计数的光电器件有很多种, ?光电倍增管(PMT)、 ?雪崩光电二极管(APD)、 ?加强型光电二极管(IPD)、 ?微通道板(MCP)、 ?微球板(MSP) ?实空光电二极管(VAPD) 6 1.光电倍增管(PMT)单光子探测器 ?单光子探测需要的光电倍增管要求增益高、暗电流小、 噪声低、时间分辩率高、量子效率高、较小的上升和下 降时间。 特点: ?具有高的增益(104~107); ?大光敏面积; ?低噪声等效功率(NEP); ?体积复杂、量子效率低下、反向偏压高; ?仅可以或许工做正在UV和可见光谱范畴内; ?抗外部能力较差。 7 2、雪崩光电二极管(APD) ?雪崩光电二极管分歧于光电倍增管,它是一种成立正在内光 电效应根本上的光电器件。 ?雪崩光电二极管具有内部增益和放大的感化,一个光子可 以发生10~100对光生电子空穴对,从而可以或许正在器件内部产 生很大的增益。 8 目前使用的APD次要有三种,即 ?Si-APD、Ge-APD和InGaAs-APD。它们别离对应分歧 的波长。 ?Si-APD次要工做正在400nm~1100nm, ?Ge-APD正在800nm~1550nm, ?InGaAs-APD则正在900nm~1700nm。 曾经有了相关的报道:正在光通信三个波段(即850nm、 1310nm和1550nm)的单光子探测器用于量子密钥系统。 9 ?APD单光子计数具有量子效率高、功耗低、工做频谱范 围大、体积小、工做电压较低等长处。 ?可是同时也有增益低、噪声大,外围节制电及热电制 冷电较复杂等错误谬误。 10 3、实空雪崩光电二极管(VAPD) ?针对PMT和APD的错误谬误,目前开辟出一种实空雪崩光电二 极管(VAPD)单光子探测器,它是由工夫极和一个具有大 光敏区面积的半导体硅APD构成。 ?工夫极和APD之间连结高实空态,光子信号打到工夫极上, 发生光电子,这些光电子正在高压电场的感化下加快,然后再 打到APD上。 ?对于硅APD,这些光电子的能量约为硅禁带能量的2000倍, 如许一个光电子就能发生大于2000对的电子空穴对。正在 VAPD中,Si-APD的典型增益为500倍,因此VAPD的增益 能够达到106倍。 11 ?VAPD单光子探测器是一种PMT和APD相连系的产品, 具有很多PMT和APD无法对比的长处。 ?其次要特点有:低噪声、动态范畴大、分辩率高、抗磁 干扰能力强、探测光谱范畴宽等特点。 12 三、单光子探测器的现状及其成长 ?对于可见光探测,光电倍增管有很好的响应度,暗电流 也很是小,很早就用于单光子计数,现正在手艺曾经比力成 熟,市场上也有了不少雷同的产物。 ?跟着人们对红外光研究的不竭深切,出格是近年来量子 通信手艺、量子暗码术的研究不竭惹起的注沉,对红 外通信波段(850nm、1310nm和1550nm)单光子探测器 的研究尤为火急。 ?光电倍增管却显得为力,即便是最好的红外工夫极- Si阴极,光谱响应到1050nm就曾经截止了,仅这一点就排 除了光电倍增管正在红外通信波段的使用。 13 ?正在850nm波段,考虑到光电倍增督工做电压很高和利用 的复杂程度,正在现实使用中人们仍是选用Si-APD雪崩 光电二极管。 ?现正在对Si的研究曾经趋于成熟,Si-APD也曾经有了比力 好的制制工艺。国外曾经有公司开辟出了特地针对850nm 单光子探测的商用Si-APD。 ?正在1310nm和1550nm波段, Si-APD曾经不克不及用于进行单 光子探测了,一般选用InGaAs-APD,但因为制制工艺的 问题,目前还没有特地针对单光子探测的商用InGaAsAPD。目前对这两个波段的单光子探测一般都是关于操纵 现有针对光纤通信的商用APD,通过优化外围驱动电, 改善工做,使其达到单光子探测的目标。 14 目前对单光子探测器将次要从两个方面去研究 ?一方面,研制和开辟有高活络度新型布局的光探测器; ?另一方面,研究和改良探测器的外围节制驱脱手艺,利 用现有的探测器进行单光子探测。 15 四、PMT单光子计数器的构成 PMT 放大器 辨别器 计数器A 显示 控 制 制 冷 器 高 压 源 计数率RB 时钟 计数器B 启 动 ?单光子计数器由光电倍增管(PMT),前置放大器, 幅度辨别器和计数器形成。 ?高压电源来是PMT一般工做;PMT必需配备制冷器以 削减阴极的热电子发射。 16 PMT单光子计数系统工做道理 ?PMT接管光辐射; ?阳极发生电流脉冲并颠末阳极负载输出; ?颠末放大器信号放大后送到辨别器; ?辨别器通过设置第一辨别电安然平静第二辨别电平来削减暗 电流和干扰; ?计数器计得信号脉冲的个数并显示出来。 17 2 光电倍增管及偏置电取接地体例 ?光电倍增管是光子计数器的焦点部体,它将领受到的一 个一个光子改变为电脉冲信号。 ?要使光电倍增管一般工做,必需配备致冷器和高压电源。 ?并不是所有的光电倍增管都适于制做光子计数器。对用 于光子计数器的光电倍增管有一些特殊的要求。 18 1.光电倍增管的工做道理回首 ?光电倍增管是操纵外光电效应把入射光子改变为光电 信号的探测器。 ?光电倍增管的布局示企图如图所示。 D2 D4 D6 D8 D10 D1 D3 D5 D7 D 9 19 2.倍增极布局取渡越时间的关系 ?光电倍增管的渡越时间:从光电阴极K接管一个光子起头,到 阳极收集到 D10发射的二次电子为止,所需的时间为 τ。渡越时 间τ是一个平均值。 ?渡越时间离散:因为各极二次电子飞越的轨道不成能完全分歧, 渡越时间也就不成能完全相等,因而,阳极从收集到第一个二 次电子和最初一个二次电子的时间是分歧的,这个时间差称为 渡越时间离散,记为Δτ。 ?渡越时间离散Δτ和渡越时间τ都和光电倍增管的布局相关 。 ?渡越时间离散降低了PMT的频次响应特征。 20 渡越时间离散的影响 ?阳极电流脉冲的宽度:阳极电流脉冲的外形中,tw为光电流脉 冲的半宽度,即幅度下降至一半时所对应的脉宽。 ?阳极电流脉冲的宽度取渡越时间离散程度成反比,越宽就越 容易发生交叠。目前,用于光子计数的光电倍增管的输出阳极 电流脉冲半宽度约为10-30ns。 ?为了充实操纵光电倍增管的响应速度,光电倍增管的电时 间常量应小小于tw 。 1 1/2 tw 21 ?曲列聚焦式光电倍增管,布局如图所示。它的渡越时间离散 Δ τ 很小,渡越时间τ 也较小。若将其工夫极也制成曲面外形, 则这种管子最为适宜做光子计数器利用。 聚焦电极 K A 22 3.PMT的增益取二次电子发射系数回首 ?倍增管的增益G定义为 Ia G? Ik ?二次电子发射系数δ又称为倍增系数 δ值一般为3~6,视倍增极的材料和工做偏压而定。 N2 ?? N1 23 ?正在抱负环境下,设阴极和倍增极发射的电子都被阳极所 收集,则光电倍增管的增益 G 和倍增极的二次电子发射 系数m之间的关系为: G ??n n为倍增极的个数,一般为9~14; ?若倍增系数相等,m的取值范畴按3~6计,n按9~14计, 则光电倍增管的增益G可高达7.8×1010,一般为105~108 之间。 24 4.光电倍增管的阳极电流脉冲取输出电压脉冲 一个光子被光电倍增管的工夫极接收 后,若是能正在阳极构成一个电流脉冲, 则其外形如图(b)所示。此中图(a) 为电荷累积的时间。 ?电流的脉冲宽度 tw 的典型值一般为 10~20ns。 ?取 光 电 倍 增 管 的 增 益 G=106 , tw=20ns,则可计较出阳极电流脉冲的 高度为: 106 q 106 ? 1.6 ? 10?19 库仑 Ia ? ? ? 8(?A) ?9 tw 20 ? 10 秒 25 ?阳极输出电压脉冲 Va 的外形取大小, 取阳极负载 Ra 和分布电容 Ca 有很大 的关系。对于设想得好的光子计数器, Ca≤20pF , 取 阳 极 负 载 Ra=50Ω , 则 阳极时间 RaCa=1ns 。正在这种情 况下,电压脉冲取电流脉冲外形不异, 如图(c)所示。 ?加大电容将使脉冲变小变宽; ?加大电阻则将使脉冲变大变宽,均 不合适光子计数的要求。 26 ?正在一般的RaCa环境下,阳极电压的幅度为 Va ? I a ? Ra ? 8(?A) ? 50(?) ? 0.4(mV) ?留意,这个数据是以光电倍增管的增益G=106为例计较得出的,分歧 的光电倍增管,其增益G是分歧的,且G取偏置电压相关。 ?为了使得光子计数器的光电倍增管一般地工做,获得不变的增益G并 使阳极输出电压有最大的信噪比和窄的脉冲高度,必需设想合理的偏 置电。 27 5.光电倍增管的偏置电 光电倍增管的偏置电都是用电阻分压器构成如图。 ?一般总电压Vak正在900~2000V之间,由尝试确定。 ?各倍增极电压正在80~150V之间。 各倍增极电压的不变取否将严沉地影响光电倍增管的增益G 的不变性。 K A C3 C2 C1 28 分压电阻的拔取 ?为了减小倍增极电流变化带来的倍增极电压不稳,要求各分 压电阻取得恰当值以流过电阻链的电流IR比最大阳极电流 Iamax大得多。 ?凡是要求 IR≥20Iamax 可是IR值也不克不及取得太大,不然分压电阻的功耗增大,分压电 阻的功耗过大会使光电倍增管的管壳内温度较着升高,从而增 加热电子发射,即添加了噪声。 ?分压电阻值凡是正在20KΩ~1MΩ范畴内。 29 末极并联稳压电容拔取 ?因为最初几级倍增极的瞬时电流很大,会使 R9~R11 上的压 降发生较着的跳变,导致倍增极电压不稳。正在最初电阻 上并联稳压电容C2、C2和C3,使电阻链上的分压根基不变。 ?电容值的大小,可按照稳压要求决定。 ?凡是并联电容值正在0.002~0.05μF之间。 30 接地体例 光电倍增督工做时,阳极电压老是高于阴极电压。但其接地 体例有两种。 ?一种是阳极为正高压的阴极接地;另一种是阴极为负高压的 阳极接地。 31 两种接地体例的优错误谬误 ?阴极接地时,阳极输出必需接一个耐高压的电容器,以 便将阳极高压和前置前大器隔离,这个电容器的接入使 得输出端RaCa时间变大,了输出的高频特征。 32 ?阳极接地的长处:可间接取前置放大器耦合。错误谬误是噪声 比力大。 ?这种接法:阴极为负高压,光电倍增督工做时为了平安一 般外罩必需接地,这就意味着外罩的壁和光电倍增管内部电 极之间有很大的负压,出格是对阳极和接近阳极的倍增极, 因为这个高压,可能正在阴极和倍增极取外罩间构成漏电流, 这个漏电流流经玻璃时会发生荧光。荧光发射的光子将会到 达工夫极,发生误计数。 ?处理方式:正在光电倍增管的管壁和外罩内壁之间加一屏障, 并一电阻联到阳极,以避免漏电流流经光电倍增管的管壁, 从而消弭了荧光带来的误计数。 33 3 光子计数过程中的噪声 一、光子噪声 目前,PMT的光谱响应受工夫极材料的,凡是只工做正在可 见光和近红外光谱段。正在这个光谱区域,光子的发射可视为泊 松过程。 (? N? )b e?? N? P ( K ,? ) ? K! ?工夫极发射光电子数目标方差 2 ?p ? ? N? N ? N s ? Nb 34 二、暗计数噪声 ?来历 1.温度的影响形成工夫极发射的热电子(称为暗电子)。发 射的热电子正在PMT中获得的增益较小,因此正在阳极输出的电流 脉冲的幅度亦较低,能够来用脉冲幅度辨别的方式消弭。 2.因为PMT工做正在高压偏置形态,各电极之间有可能发生放电 而惹起场致发光。这种发光将惹起工夫极的电子发射,发生暗 计数噪声。 3.PMT内部可能存正在的各类离子正在高压电场感化下以较大的能 量轰击工夫极而使工夫极发生电子发射。因为轰击的能量较大, 一般环境下会同时激发出两个以上的电子。如许获得的阳极电 流脉冲幅度较大,也能够采纳脉冲幅度辨别的法子消弭。 35 ?热噪声惹起的暗计数方差 ? t2 ? R ? ?总的噪声方差 ? ? ? ? ? ? ? N? ? R? 2 2 p 2 t ?光子计数过程中的信噪比 S / N ? ? Ns ? / R ??? 36 4 光子计数器中的放大器 ?光子计数器中的光电倍增管一般采用阳极接地体例工做, 如许阳极输出电流脉冲可间接耦合到一个低输入的 宽频带放大器的输入端。 37 ?若是阳极脉冲电流幅度为8μA,宽度为20ns,前置放大 器的输入为50Ω,则前放输入端电压脉冲幅度为 0.4mV,脉冲宽度亦为20ns。假定该脉冲近似为矩形方波, 该信号的带宽Bf =50MHz; ?若是tw=10ns,则B=100MHz。 ?因而前置放大器的通频带必需大于100MHz。 所以,取光电倍增管阳极输出相连的前置放大器 应是低 噪声宽带放大器。 38 5 光子计数器丈量弱光的极限 ?光子计数器是丈量弱光的仪器,只能对必然光子速度以下的 光子束进行计数丈量。 ?这个速度是由光电倍增管的渡越时间离散 Δτ 决定的。若其 决定的输出电流脉冲的半宽度tw为10~20ns,假定后续的放大 器有脚够的带宽,辨别器和脉冲计数器有脚够高的速度,为 了分辩每个光电脉冲,可求出答应的光子速度最大值为: Rmax 1 1 ? ? ? 108 t w 10ns 39 ?以发射560nm波长黄绿光的发光二极管为例,计较其答应 的最大辐射通量为 : Pm ? hv ? Rm ? h ? c ? Rm ? 1.18 ? 10?11 (W) ?现实上光子计数器能够丈量计数的弱光的光强要远低于这 个数值,约正在10-14瓦以下。有的以至达到 10-18W。 40 ?用光子计数器对波长为 560nm的弱光进行探测时, 正在示波器上显示的光电倍增 管输出电流波形如图所示。 ?光功率为10-13瓦时,已看 (a) 光强10-13瓦光电速度脉冲及噪声 (b) 光强10-14瓦光电速度脉冲及噪声 不到清晰的脉冲申明光电管 倍增管已来不及分辩单个光 子了。 (d) 光强10-16瓦光电速度脉冲及噪声 (c) 光强10-15瓦光电速度脉冲及噪声 41 光子速度R(光子数/秒)和光功率P之间的对应数值关系及适 应的检测方式如下表: ?光子计数器只能丈量微弱光和超微弱光的功率,不克不及 丈量功率大于10-10W的光束功率,即不克不及丈量含有多光 子的光脉冲功率。 42 6 光子计数器中的辨别器 ?辨别器的使命是要将由光子发生的脉冲电压选择出来进行计数 而将倍增极热电子发射发生的小脉冲去掉。 ?工夫极的热电子发射发生的暗计数脉冲,因为它和光子发生的 脉冲幅度一样,因而辨别器是无法将它去掉的,这种暗计数只 有通过两次丈量进行扣除。 ?正在进行高光功率的丈量时,可能存正在双光子峰,因而辨别器还 必需对这种脉冲幅度是一般单光子脉冲2倍的双光子脉冲要输出 2个脉冲供计数器计数。 43 ?双阀值辨别器方框图如图所示:这种辨别器因为有二个 阀值电平,故可设有三种工做体例,。 44 这种辨别器因为有二个阀值电平,故可设有三种工做体例 (1)单电平工做体例 (2)窗口工做体例 (3)校正工做体例 45 ?第一辨别电安然平静第二辨别电平值,由PMT的脉冲高度分 布 (PHD)曲线 光电倍增管的单光子响应峰 能够通过尝试来获得光电倍增管的脉冲高度分布曲线。 ?下图为丈量光电倍增管的脉冲高度分布曲线 窗口比力器有两个比力电平VH和 VL。VH为上限电平,VL为下限电 平,当输入脉冲高度Vi正在VH和VL 之间时,即VHViVL,窗口比力 器输出一个计数脉冲,供计数器计 数。选定分歧的窄窗口,对确定的 时间间隔进行计数,即可做出光电 倍增管的PHD曲线。为了阐发和比 较的需要,定义峰谷比和分辩率: 单光子峰的输出脉冲幅 度 EP 峰谷比 ? ? 谷占输出脉冲幅度 EV 典型的PHD曲线 分辩率 ? 单光子峰的半宽度 ?E ? 单光子峰的出脉冲幅度 E P 48 ?光子计数器中利用的光电倍增管除了要达到前述的相关 特征和要求之外,还该当有较着的单光子响应峰。 ?峰谷比越大或分辩率越小的光电倍增管越适合于光子计 数器利用。 ?正在低计数率的弱光下不存正在较着的双光子峰。 49 8 光电倍增管的计数坪区—最佳偏压的选择 ?对统一个光电倍增管丈量它的计数率和阳极取阴极高压 之间的关系时,发觉当高压添加时,计数率添加。 ?跟着高压的添加,计数率逐步呈现一个变化迟缓的坪区。 将光电倍增管置于完全形态丈量其暗计数,则发觉 暗计数取高压的关系不存正在坪区,暗计数是随高压添加 而不竭添加。 50 PMT的计数坪区 51 ?为了获得最大信噪比,阳极对阴极的高压应选择为ua1即 计数率起头进入坪区时的高压,这是最佳偏置电压。 ?小的暗计数适合于光子计数器利用。 52