实验四单光子计数

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1、实验四 单光子计数光子计数也就是光电子计数，是微弱光（低于1014）信号探测中的一种新技术。它可以探测微弱到以单光子到达时的能量。目前已被广泛应用于喇曼散射探测、医学、生物学、物理学等许多领域里微弱光现象的研究。 微弱光检测的方法有：锁频放大技术、锁相放大技术和单光子计数方法。最早发展的锁频原理是使放大器中心频率与待测信号频率相同，从而对噪声进行抑制。但这种方法存在中心频率不稳、带宽不能太窄、对待测信号缺乏跟踪能力等缺点。后来发展了锁相放大技术，它利用待测信号和参考信号的互相关检测原理实现对信号的窄带化处理，能有效的抑制噪声，实现对信号的检测和跟踪。但是，当噪声与信号有同样频谱时就无能为力，另

2、外它还受模拟积分电路漂移的影响，因此在弱光测量中受到一定的限制。单光子计数方法是利用弱光照射下光电倍增管输出电流信号自然离散化的特征，采用了脉冲高度甄别技术和数字计数技术。与模拟检测技术相比有以下优点：1测量结果受光电倍增管的漂移、系统增益的变化及其它不稳定因素影响较小。2基本上消除了光电倍增管高压直流漏电流和各倍增级的热发射噪声的影响，提高了测量结果的信噪比。可望达到由光发射的统计涨落性质所限制的信噪比值。3有比较宽的线性动态范围。4光子计数输出是数字信号，适合与计算机接口作数字数据处理。因此采用光子计数技术，可以把淹没在背景噪声中的微弱光信息提取出来。目前一般光子计数器的探测灵敏度优于10

3、17，这是其它探测方法所不能比拟的。【实验目的】1介绍这种微弱光的检测技术；了解GSZFS-2B实验系统的构成原理。2了解光子计数的基本原理、基本实验技术和弱光检测中的一些主要问题。3了解微弱光的概率分布规律。【实验原理】1光子光是由光子组成的光子流，光子是静止质量为零、有一定能量的粒子，与一定的频率相对应。一个光子的能量可由下式决定： （1）式中=3108m/s，是真空中的光速；6.61034，是普朗克常数。例如,实验中所用的光源波长为5000的近单色光，则 =3.961019。光流强度常用光功率表示，单位为。单色光的光功率可用下式表示： （2） 式中为光子流量（单位时间内通过某一截面的光子

4、数目），所以，只要能测得光子的流量，就能得到光流强度。如果每秒接收到104个光子数，对应的光功率为 1043.9610193.961015。2测量弱光时光电倍增管输出信号的特征在可见光的探测中，通常利用光子的量子特性，选用光电倍增管作探测器件。光电倍增管从紫外到近红外都有很高的灵敏度和增益。当用于非弱光测量时，通常是测量阳极对地的阳极电流(图1（a）)，或测量阳极电阻上的电压(图1（b）)，测得的信号电压（或电流）为连续信号；然而在弱光条件下，阳极回路上形成的是一个个离散的尖脉冲。为此，我们必须研究在弱光条件下光电倍增管的输出信号特征。图1 光电倍增管负高压供电及阳极电路图 图2 光电倍增管阳

5、极波形弱光信号照射到光阴极上时，每个入射的光子以一定的概率（即量子效率）使光阴极发射一个光电子。这个光电子经倍增系统的倍增，在阳极回路中形成一个电流脉冲，即在负载电阻上建立一个电压脉冲，这个脉冲称为“单光电子脉冲”见图2。脉冲的宽度w取决于光电倍增管的时间特性和阳极回路的时间常数，其中为阳极回路的分布电容和放大器的输入电容之和。性能良好的光电倍增管有较小的渡越时间分散，即从光阴极发射的电子经倍增极倍增后的电子到达阳极的时间差较小。若设法使时间常数较小则单光电子脉冲宽度w减小到1030。如果入射光很弱，入射的光子流是一个一个离散地入射到光阴极上，则在阳极回路上得到一系列分立的脉冲信号。图3 不同

6、光强下光电倍增管输出信号波形图3是用TDS 3032B示波器观察到的光电倍增管弱光输出信号经过放大器后的波形。当入射光功率1011时，光电子信号是一直流电平并叠加有闪烁噪声（a）；当1012时，直流电平减小，脉冲重叠减小，但仍存在基线起伏（b）；当光强继续下降到1013时，基线开始稳定，重叠脉冲极少（c）；当1014时，脉冲无重叠，基线趋于零（d）。由图可知，当光强下降为1014量级时，在1的时间内只有极少几个脉冲，也就是说，虽然光信号是持续照射的，但光电倍增管输出的光电信号却是分立的尖脉冲。这些脉冲的平均计数率与光子的流量成正比。图4 光电倍增管输出脉冲幅度分布的微分曲线图4为光电倍增管阳极

7、回路输出脉冲计数率随脉冲幅度大小的分布。曲线表示脉冲幅度在（+）之间的脉冲计数率与脉冲幅度的关系，它与曲线（/）有相同的形式。因此在取值很小时，这种幅度分布曲线称为脉冲幅度分布的微分曲线。形成这种分布的原因有以下几点：除光电子脉冲外，还有各倍增极的热发射电子在阳极回路形成的热发射噪声脉冲。热电子受倍增的次数比光电子少，因此它们在阳极上形成的脉冲大部分幅度较低。光阴极的热发射电子形成的阳极输出脉冲。各倍增极的倍增系数有一定的统计分布（大体上遵从泊松分布）。因此，噪声脉冲及光电子脉冲的幅度也有一个分布，在图4中，脉冲幅度较小的主要是热发射噪声信号，而光阴极发射的电子（包括热发射电子和光电子）形成的

8、脉冲，它的幅度大部分集中在横坐标的中部，出现“单光电子峰”。如果用脉冲幅度甄别器把幅度高于 的脉冲鉴别输出，就能实现单光子计数。3光子计数器的组成光子计数器的原理方框图如图5所示。 图5 典型的光子计数系统光电倍增管 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。对光子计数器中所用的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）；响应速度快、后续脉冲效应小及光阴极稳定性高。 为了提高弱光测量的信噪比，在管子选定之后，还要采取一些措施：光电倍增管的电磁噪声屏蔽 电磁噪声对光子计数是非常严重的干扰，因此，作光子计数用的光电倍增管都要加以屏蔽，最好

9、是在金属外套内衬以坡莫合金。光电倍增管的供电 通常的光电技术中，光电倍增管采用负高压供电，如见图1所示,即光阴极对地接负高压，外套接地。阳极输出端可直接接到放大器的输入端。这种供电方式，光阴极及各倍增极（特别是第一、第二倍增极）与外套之间有电位差存在，漏电流能使玻璃管壁产生荧光，阴极也可能发生场致辐射，造成虚假计数，这对光子计数来讲是相当大的噪声。为了防止这种噪声的发生，必须在管壁与外套之间放置一金属屏蔽层，金属屏蔽层通过一个电阻接到光阴极上，使光阴极与屏蔽层等电位；另一种方法是改为正高压供电，即阳极接正高压，阴极和外套接地，但输出端需要加一个隔直流、耐高压、低噪声的电容，如图6。图6 光电倍

10、增管的正高压供电及阳极电路热噪声的去除 为了获得较高的稳定性，降低暗计数率，常采用致冷技术降低光电倍增管的工作温度。当然，最好选用具有小面积光阴极的光电倍增管，如果采用大面积阴极的光电倍增管，则需采用磁散焦技术。 放大器 放大器的功能是把光电倍增管阳极回路输出的光电子脉冲和其它的噪声脉冲线性放大，因而放大器的设计要有利于光电子脉冲的形成和传输。对放大器的主要要求有：有一定的增益；上升时间3ns，即放大器的通频带宽达100MHz；有较宽的线性动态范围及噪声系数要低。放大器的增益可按如下数据估算：光电倍增管阳极回路输出的单光电子脉冲的高度为（图2），单个光电子的电量=1.6021019，光电倍增管

11、的增益=106，光电倍增管输出的光电子脉冲宽度w1020量级。按10脉冲计算，阳极电流脉冲幅度1.6105=16设阳极负载电阻50 ，分布电容C=20 则输出脉冲电压波形不会畸变，其峰值为：8.0104=0.8当然，实际上由于各倍增极的倍增系数遵从泊松分布的统计规律，输出脉冲的高度也遵从泊松分布如图7，上述计算值只是一个光子引起的平均脉冲峰值的期望值。一般的脉冲高度甄别器的甄别电平在几十毫伏到几伏内连续可调，所以要求放大器的增益大于100倍即可。放大器与光电倍增管的连线应尽量短，以减小分布电容，有利于光电脉冲的形成与传输。图7 放大器的输出脉冲脉冲高度甄别器 脉冲高度甄别器的功能是鉴别输出光电

12、子脉冲，弃除光电倍增管的热发射噪声脉冲。在甄别器内设有一个连续可调的参考电压甄别电平。如图8所示，当输出脉冲高度高于甄别电平时，甄别器就输出一个标准脉冲；当输入脉冲高度低于时，甄别器无输出。如果把甄别电平选在与图4中谷点对应的脉冲高度上，这就弃除了大量的噪声脉冲，因对光电子脉冲影响较小，从而大大提高了信噪比。称为最佳甄别（阈值）电平。对甄别器的要求：甄别电平稳定，以减小长时间计数的计数误差；灵敏度（可甄别的最小脉冲幅度）较高，这样可降低放大器的增益要求；要有尽可能小的时间滞后，以使数据收集时间较短；死时间小、建立时间短、 脉冲对分辨率10，以保证一个个脉冲信号能被分辨开来，不致因重叠造成漏计。

13、图8 甄别器的作用a放大后b甄别后需要注意的是：当用单电平的脉冲高度甄别器鉴别输出时，对应某一电平值，得到的是脉冲幅度大于或等于的脉冲总计数率，因而只能得到积分曲线（见图9），其斜率最小值对应的就是最佳甄别（阈值）电平，在高于最佳甄别电平的曲线斜率最大处的电平对应单光电子峰。图9 光电倍增管脉冲高度分布积分曲线计数器（定标器） 计数器的主要功能是在规定的测量时间间隔内，把甄别器输出的标准脉冲累计和显示。为满足高速计数率及尽量减小测量误差的需要，要求计数器的计数速率达到100MHz。但由于光子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的定标器也可以满足要求。4光子计数器

14、的误差及信噪比测量弱光信号最关心的是探测信噪比（能测到的信号与测量中各种噪声的比）。因此，必须分析光子计数系统中各种噪声的来源。泊松统计噪声 用光电倍增管探测热光源发射的光子，相邻的光子打到光阴极上的时间间隔是随机的，对于大量粒子的统计结果服从泊松分布。即在探测到上一个光子后的时间间隔内，探测到个光子的概率为 （3）式中是光电倍增管的量子计数效率，是光子平均流量（光子数S），是在时间间隔内光电倍增管的光阴极发射的光电子平均数。由于这种统计特性，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：。计算得出：。这种不确定度是一种噪声，称统计噪声。所以，统计噪声使得测量信号中固有的信噪比

15、为= （4）可见，测量结果的信噪比正比于测量时间间隔的平方根。暗计数 实际上，光电倍增管的光阴极和各倍增极还有热电子发射，即在没有入射光时，还有暗计数（亦称背景计数）。虽然可以用降低管子的工作温度、选用小面积光阴极以及选择最佳的甄别电平等使暗计数率降到最小，但相对于极微弱的光信号，仍是一个不可忽视的噪声来源。假如以表示光电倍增管无光照时测得的暗计数率，则在测量光信号时，按上述结果，信号中的噪声成分将增加到 ，信噪比降为 （5）这里假设倍增极的噪声和放大器的噪声已经被甄别器弃除了。对于具有高增益的第一倍增极的光电倍增管，这种近似是可取的。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

16、个相同的时间间隔内，分别测量背景计数（包括暗计数和杂散光计数）和信号与背景的总计数。设信号计数为，则 ， 按照误差理论，测量结果的信号计数中的总噪声应为 测量结果的信噪比： （6）当信号计数远小于背景计数时，测量结果的信噪比可能小于1，此时测量结果无意义，当=1时，对应的接收信号功率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与测量时间间隔的平方根成正比。因此在弱光测量中，为了获得一定的信噪比，可增加测量时间间隔，这也是光子计数能获得很高的检测灵敏度的原因。脉冲堆积效应 光电倍增管具有一定的分辨时间，如图10所示。图10 光电倍增管的脉冲堆积效应当在分辨时间内相继有两

17、个或两个以上的光子入射到光阴极时（假定量子效率为1），由于它们的时间间隔小于，光电倍增管只能输出一个脉冲，因此，光电子脉冲的输出计数率比单位时间入射到光阴极上的光子数要少；另一方面，电子学系统（主要是甄别器）有一定的死时间，在内输入脉冲时，甄别器输出计数率也要受到损失。以上现象统称为脉冲堆积效应。脉冲堆积效应造成的输出脉冲计数率误差，可以用下面的方法进行估算。对光电倍增管，由式3可知，在时间内不出现光子的概率为： （7） 式中为入射光子使光阴极单位时间内发射的光电子数，。在内出现光子的概率为1-。若由于脉冲堆积，使单位时间内输出的光电子脉冲数为，则所以 （8）由图11可见，随入射光子流量（即）

18、增大而增大。当=1时，出现最大值，以后随增加而下降，一直可以下降到零。这就是说，当入射光强增加到一定数值时，光电倍增管的输出信号中的脉冲成分趋于零。此时就可以利用直流测量的方法来检测光信号。图11 光电倍增管和甄别器的输出计数率与输入计数率关系对于甄别器（对定标器也适用），如果不考虑光电倍增管的脉冲堆积效应，在测量时间内输出脉冲信号的总计数，总的“死”时间。因此，总的“活”时间。所以接收到的总的脉冲计数甄别器的死时间造成的脉冲堆积,使输出脉冲计数率下降为 （9）式中为假定死时间为零时，甄别器应该输出的脉冲计数率。由图11看出，当1时，趋向饱和状态，即不再随增加而有明显变化。由式8和式9可以分别

19、计算出上述两种脉冲堆积效应造成的输出计数率的相对误差为：光电倍增管分辨时间造成的误差 （10）甄别器死时间造成的误差 （11）当计数率较小时，有1， 1 则 （12） （13）当计数率较小并使用快速光电倍增管时，脉冲堆积效应引起的误差主要取决于甄别器，即： （14）一般认为，计数误差小于1的工作状态就叫做单光子计数状态，处在这种状态下的系统就称为单光子计数系统。对于由高速的甄别器和计数器组成的光子计数系统，极限光子流量近似为109/s（光功率1）。由于脉冲堆积效应，光子计数器不能测量含有多个光子的超短脉冲光的强度【工作原理及装置】 1原理 倍增管单光子计数器方法利用弱光下光电输出电流信号自然离

20、散的特征，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(即量子效率)使光阴极发射一个电子。这个光电子经倍增系统的倍增最后在阳极回路中形成一个电流脉冲，通过负载电阻形成一个电压脉冲，这个脉冲称为单光子脉冲。除光电子脉冲外，还有各倍增极的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的分布如图12所示。脉冲幅度较小的主要是热反射噪声信号，而光阴极反射的电子（包括光电子和热反射电子）形成的脉冲幅度较大，出现“单

21、光电子峰”。用脉冲幅度甄别器把幅度低于的脉冲抑制掉。只让幅度高于的脉冲通过就能实现单光子计数。单光子计数器中使用的光电倍增管其光谱响应应适合所用的工作波段，暗电流要小（它决定管子的探测灵敏度），响应速度及光阴极稳定。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。放大器的功能是把光电子脉冲和噪声脉冲线性放大，应有一定的增益，上升时间3,即放大器的通频带宽达100Mz；有较宽的线性动态范围及低噪声，经放大的脉冲信号送至脉冲幅度甄别器。单光子计数器的框图见图13。图12 噪声脉冲和光电子脉冲的幅度的分布 图13 单光子计数器的框图在脉冲幅度甄别器里设有一个连续可调的参考电压。如图12所示，当

22、输入脉冲高度低于时，甄别器无输出。只有高于的脉冲，甄别器输出一个标准脉冲。如果把甄别电平选在图12中的谷点对应的脉冲高度上，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。脉冲幅度甄别器应甄别电平稳定；灵敏度高；死时间小、建立时间短、脉冲对分辨率小于10，以保证不漏计。甄别器输出经过整形的脉冲。2.实验装置框图图14 实验装置框图3光学系统 光源 工作电压稳定、光强可调。GSZF-2B实验系统是采用高亮度发光二级管，中心波长5000，半宽度30。为了提高入射光的单色性，仪器备有窄带滤光片，其半宽度为18。 图15 CR125外形图 图16 CR125内部结构图探测器 GSZF-2B

23、实验系统使用的探测器是直径28.5、锑钾铯光阴极，阴极有效尺寸是25、硼硅玻玻壳、11级盒式线性倍增、端窗型CR125光电倍增管。它具有高灵敏度、高稳定性、低暗噪声，环境温度范围8050。GSZF-2B给光电倍增管提供的工作电压最高为1320V。 光路 如图17所示，为了减小杂散光的影响和降低背景计数，在光电倍增管前设置一个光阑筒，内设置光阑三个，并将光源、衰减片、窄带滤光片、光阑、接收器等严格准直同轴，把从光源出发的光信号汇聚在倍增管光阴极的中心部分。附件参数：衰减片透过率5%；透过率10%；透过率25%。可以组成不同透过率的衰减片组插入光路，得到所需的入射光功率。 为了标定入射到光电倍增管

24、的光功率，可先用光功率计测量出光源经半透半反镜反射的光功率P1，然后按下式计算： （15）图17 GSZF-2B单光子计数实验系统光路参数图示-为窄带滤光片在时的透射率-为衰减片组在500 处的透过率；-为光路中插入光学元件的全部玻璃表面反射损失造成的总效率； 总效率(为光路中镜片全部反射面数)-为半透半反镜的透过率和反射率之比:式中为光功率计接收面积（）相对于光源中心所张的立体角，为紧邻光电倍增管的光阑面积（）对于光源中心所张的立体角. 3mm S1=128 1.5mm S2=4800.018其他参数详见图17所标定的。4电子学系统 接收电路包括放大器、甄别器、计数器、示波器。放大器输入负极

25、性脉冲，输出正极性脉冲，输入阻抗50，输出端除与甄别器输入端耦合外，还有50匹配电缆，供示波器观察波形用。脉冲高度甄别器电路由线形高速比较器组成。甄别电平02.56 可调（10 /档）。GSZF-2B放大器输出的光电子脉冲和暗电流脉冲如图18（a）。甄别器输出的标准脉冲波形见图18（b）。示波器采用Tektronix生产的TDS3032B双通道数字式荧光示波器，信号采集由通信模块（3GV）输入微机。 (a) (b)图18 放大器输出的光电子脉冲和暗电流脉冲四实验系统的安装及操作方法1、 GSZF-2B单光子计数系统如图： 1.USB接口 2.监测2 3.监测1 4.调零旋钮 5.功率计电源开关

26、 6.量程变换 7.功率指示 8.电流调节 9 10电流指示图19 GSZF-2B单光子计数系统按照图19将设备摆放好，然后打开外光路2的上盖，将磁力表座及挡光筒放入光路中，目测将中心高调成一致，并根据实验要求将窄带滤光片、衰减滤光片按图20要求装在减光筒上。1.减光筒 2.窄带滤光片 3.衰减滤光片 1.放大器控制面板 2.开关3.电源插座4.衰减滤光片 5.衰减滤光片图20 图212制冷系统 制冷器的面板图 图22 图233开机操作： （1）电源线分别插在放大器控制电源插座(7)及制冷控制系统电源插座(9)上。 （2）图19的USB接口与计算机上的USB接口相连。 （3）将制冷控制电缆分别

27、插在制冷控制电缆插座（10）及主机制冷控制电缆插座上。 （4）分别打开电源开关。 （5）调节温度控制表的温度控制温度。 （6）待20分钟之后温度达到所需的温度后，可用计算机采集。4开机 前面已经分别叙述了光源、外光路、制冷器的开机及调整方法。这一节主要谈谈整机的开机方法。（1）按照接线图要求将线接好，并反复检查无误。图24（2）按制冷器开机操作的方法将制冷器开机，等待数分钟达到待测温度后，可以启动软件测量。这里强调一点，即若用户测量不需要制冷时，也就不用开制冷器。【实验内容及步骤】1观察不同入射光强光电倍增管的输出波形分布，推算出相应的光功率开启GSZF-2B单光子计数实验仪“电源”，光电倍增

28、管预热二十三十分钟。开启“功率测量”在量程进行严格调零；开启“光源指示”，电流调到34，读出“功率测量”指示的值。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50，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，和图3相同。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。示波器与微机相连。进入通信模块3GV软件，由菜单提示采集不同光强的四帧图形，自己建立一个文档，再由

29、式（15）推算光功率。2用示波器观察光电倍增管阳极输出和甄别器输出的脉冲特征，并作比较选择入射光强使光电倍增管输出为离散的单一尖脉冲（10131014）；固定光电倍增管的工作电压；不加制冷处于常温状态；甄别阈值电平置于给定的适当位置。分别将放大器“检测2”和甄别器“检测1”的输出信号送至示波器的输入端，观察并记录两种信号波形和高度分布特征。如同步骤1、输入微机，下拉文件菜单“打印”或在主工具栏“打印”，在“打印设置”取“只打印图象”。编辑打印图形。3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）电平参照步骤2.选择光电倍增管输出的光电信号是分立尖脉冲的条件，运

30、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，18档分别对应6201320,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3060档左右（10/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（如图9）。其斜率最小值处就是阈值电平。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（图4）。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。

31、点击“信息”，输入每个“寄存器”对应的曲线名称、实验同学姓名，打印附报告。4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3获取的值，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，如果光源强度不变，光子计数率基本是一直线；倘若调节光功率的高、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，与成正比。记录实验所得最高或最低的光子计数率并推算值。由公式（16）计算出相应的接收光功率. 【选作内容】1测量暗计数率和光子计数率随光电倍增管工作温度

32、变化关系，研究工作温度对两者的影响启动半导体致冷系统，记录温度指示器读数、与其相应的暗计数（无光输入）、加光信号时总计数率，直到趋于稳定为止（约一小时）。画出和曲线。2研究光计数率和入射光功率的对应关系画出接收光信号的信噪比与接收光功率的关系曲线，确定最小可检测功率（即探测灵敏度）。研究测量时间间隔对的影响。选择衰减片组，使入射光功率分别1013、1014、1015、1016量级等几种情况，待光电倍增管工作温度稳定后，测量几种入射光功率的光计数率，测量时间间隔可选择1、10、100。图25 滨松CR系列光谱响应和量子效率曲线接收光功率和可分别按下列两式计算： （16） （17） -测量时时间隔

33、内测得的总计数，-测量时时间隔内测得的背景计数式中=3.961019 (5000波段光子的能量)，CR125型光电倍增管对5000波段的量子计数效率由图25给出，15%。 7用计算信噪比方法确定最佳阈值（甄别）电平。改变“阈值电平”，测量加光和不加光信号的光子计数率，然后用式6计算出不同阈值情况下的信噪比。的最高值对应的阈值为最佳。【注意事项】 1入射光源强度要保持稳定。2光电倍增管要防止入射强光，光阑筒前至少有窄带滤光片和一个衰减片。 3光电倍增管必须经过长时间工作才能趋于稳定。因此，开机后需要经过充分的预热时间，至少二十到三十分钟以上，才能进行实验。4仪器箱体的开、关动作要轻，轻开轻关的还

34、原，以便尽量减少背景光干扰。5半导体致冷装置开机前，一定要先通水，然后再开启致冷电源。如果遇到停水，立即关闭致冷电源，否则将发生严重事故。【实验报告要求】1简述单光子计数原理和实验方法。2附光电倍增管在不同入射光强的分布图形（打印）并计算出相应的值；放大后和甄别后的输出波形图形（打印）。3附实验得到的积分、微分曲线图形（打印）和由此得出的阈值电平值。4记录“域值”在时的光子计数率；改变P1得到的最高或最低的光子数率及计算出相应的；计算出接受光功率与比较，分析原因。【参考文献】1吴思成 王祖铨 近代物理实验（选作实验）北京大学出版社2江月松 光电技术实验北京理工大学出版社3武兴建 吴金宏 光电倍增管原理、特性与应用国外电子元器件