光子計(jì)數(shù)器是一種基于直接探測(cè)量子限理論的極微弱光脈沖檢測(cè)設(shè)備。它利用光電倍增管的單光子檢測(cè)技術(shù)，通過(guò)對(duì)電子計(jì)數(shù)器鑒別并測(cè)量單位時(shí)間內(nèi)的光子數(shù)，從而檢測(cè)離散微弱光脈沖信號(hào)功率。根據(jù)對(duì)外部擾動(dòng)的補(bǔ)償方式，光子計(jì)數(shù)器分為三類(lèi)：基本型、背景補(bǔ)償型和輻射源補(bǔ)償型。
光子計(jì)數(shù)器工作時(shí)，光電倍增管的光電陰極接受光輻射的照射，在光電倍增光的負(fù)載上形成了一系列的電脈沖，把它連接到放大器上。這些脈沖經(jīng)放大器放大后，加在甄別器的輸入器上，甄別器濾除部分噪音脈沖，只允許那些和光輻射功率成正比的脈沖通過(guò)，并送入計(jì)數(shù)器。
(1)光電倍增管
光電倍增管(PMT)是一種高靈敏度電真空光敏器件，在弱光測(cè)量中，人們首先選用它人微言輕光信號(hào)的探測(cè)器件。光電倍增管由光窗、光陰極、倍增極和陽(yáng)極組成。常用的光電倍增管有盒式結(jié)構(gòu)、直線(xiàn)聚焦結(jié)構(gòu)和百葉窗結(jié)構(gòu)。
光窗：光線(xiàn)或射線(xiàn)射入的窗口，檢測(cè)不同的波長(zhǎng)的光，應(yīng)選擇不同的光窗玻璃。
光陰極：這是接受光子產(chǎn)生光電子的電極，它由光電效應(yīng)概率大而光子逸出功小的材料制造。
倍增極：管內(nèi)光電子產(chǎn)生倍增的電極，在光電倍增管的光陰極及各倍增極上加有適當(dāng)?shù)碾妷?，?gòu)成電子光學(xué)聚集系統(tǒng)。當(dāng)光電倍增管光陰極產(chǎn)生的光電子打到倍增極上產(chǎn)生二次電子時(shí)，這些電子被聚焦到下一級(jí)倍增極上又產(chǎn)生二次電子，因此使管內(nèi)電子數(shù)目倍增。倍增極的數(shù)目有8～13個(gè)，一般電子放大倍數(shù)達(dá)106-109。
陽(yáng)極：這是最后收集電子的電極，經(jīng)過(guò)多次倍增后的電子被陽(yáng)極收集，形成輸出信號(hào)，陽(yáng)極與末級(jí)倍增極間要求有最小的電容。
光電倍增管有兩種高壓偏置方式：一種是陰極接地，陽(yáng)極接一個(gè)高的正電壓；另一種是陽(yáng)極經(jīng)過(guò)一個(gè)適當(dāng)?shù)呢?fù)載電阻接地，而使陰具有一個(gè)高的負(fù)電壓。
光電倍增管性能的好壞直接關(guān)系到光子計(jì)數(shù)器能否正常工作。對(duì)光電倍增管的主要要求有：光譜響應(yīng)適合于所用的工作波段，暗電流要小(它決定管子的探測(cè)靈敏度)；響應(yīng)速速度快、后續(xù)脈沖效應(yīng)小及光陰極穩(wěn)定性高。
(2)放大器
放大器把光電倍增管陽(yáng)極回路輸出的光電子脈沖及其他的噪聲脈沖線(xiàn)性放大，因而放大器的設(shè)計(jì)要有利于電子脈沖的形成和傳輸，要求：有一定的增益；上升時(shí)間，即放大器的通頻帶寬達(dá)100MHz；有較寬的線(xiàn)性動(dòng)態(tài)范圍及低噪聲系數(shù)。
(3)甄別器
甄別器的作用是棄除低幅度的噪聲脈沖，降低光子計(jì)數(shù)器的背景計(jì)數(shù)率，提高檢測(cè)結(jié)果的信噪比。通過(guò)選擇甄別器的第一甄別電平V1和第二甄別電平V2，可實(shí)現(xiàn)只將陰極發(fā)射而形成的單光子脈沖和熱電子脈沖轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)脈沖參加計(jì)數(shù)，而扣除掉其他噪聲脈沖。
甄別器可以具有第一甄別電平和第二甄別電平，兩者相差V。當(dāng)V為允許脈沖通過(guò)的閥值時(shí)，這種方式稱(chēng)之為窗式工作方式。V1和V2根據(jù)光電倍增管的脈沖幅度分布曲線(xiàn)設(shè)定，分別抑制脈沖幅度低的暗噪聲與脈沖幅度高的由宇宙射線(xiàn)和天電干擾等造成的外來(lái)干擾脈沖，經(jīng)過(guò)甄別器鑒別的輸出信號(hào)是一個(gè)幅度與寬度標(biāo)準(zhǔn)化的脈沖，最后通過(guò)計(jì)數(shù)器或定標(biāo)器記錄，可測(cè)得排除大部分噪聲的信號(hào)光子數(shù)，由于光子信號(hào)的半寬度約為10~30ns，因此放大器需要足夠的帶寬，常用的放大器帶寬為100~200MHz，上升及下降時(shí)間要求小于3ns，同時(shí)放大器還要求有好的線(xiàn)性度(<1%)和良好的增益穩(wěn)定性，而放大倍數(shù)僅需10~200倍即可，計(jì)數(shù)器要求有較久販計(jì)數(shù)率，一般為100MHz，和有高的計(jì)數(shù)容量。
(4)計(jì)數(shù)器
計(jì)數(shù)器的主要功能是在規(guī)定的測(cè)量時(shí)間間隔內(nèi)甄別器輸出的標(biāo)準(zhǔn)脈沖。要求計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)速率達(dá)到100MHz。但由于光計(jì)數(shù)器常用于弱光測(cè)量,其信號(hào)計(jì)數(shù)率極低,故選用計(jì)數(shù)速率低于10MHz的計(jì)數(shù)器(定標(biāo)器)也可以滿(mǎn)足要求。
更新時(shí)間：2022-05-11
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