06-单光子计数-实验报告

近代物理实验报告指导教师：得分：实验时间：2009年MM月DD日，第WW周，周DD，第5-8节实验者：班级材料0705学号200767025姓名童凌炜同组者：班级材料0705学号2007670姓名车宏龙实验地点：综合楼506实验条件：室内温度℃，相对湿度%，室内气压实验题目：单光子计数实验实验仪器：（注明规格和型号）CR125型光电倍增管，电子放大系统，光源系统（高亮度发光二极管），制冷系统，计算机系统实验目的：1.了解一些微弱光信号测量的基本思想和方法。2.了解光电倍增管应用中的一些主要问题。3.掌握单光子技术的基本原理和技术。实验原理简述：1.光子流，光强光是由光子组成的光子流，光子是静止质量为0，有一定能量的粒子。一个光子的能量为:，若光信号的光子流为R（光子数每秒），光信号的强度P可以表示为：P=RE。故测量光信号的光强是，只要测得光信号的光子流R，即可得到该信号的强度P。2.光电倍增管及其弱光输出信号的特征2.1光电倍增管的工作原理及结构光电倍增管是一种噪声小，高增益的光传感器，工作电路如图。当弱光信号照射到光阴极K上，每个入射光子以一定的概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，在阳极回路上形成一个电流脉冲，即在R1上建立一个电压脉冲，称为“单光子脉冲”。如果入射光很弱，入射的光几乎是一个个离散地入射到光阴极上的，则在阳极上得到一系列分立的脉冲信号。即光电倍增管输出的光电信号是分立的尖脉冲，这些脉冲的平均计数效率与光子的流量成正比。2.2光电倍增管的光谱响应特性光阴极受特定波长的光照射时，光阴极发射的光电子数与入射光子数之比称为量子效率η，其与入射光波长的关系称为光谱响应特性，与光阴极材料，光窗口材料和倍增极的放大倍数有关。2.3单光子脉冲设只有一个入射光子，且量子效率为1，这个光子打到光阴极上发出一个电子。这个光电子经过系统倍增放大后，最终在阳极回路中形成一个电流脉冲，通过负载电阻RL形成一个电压脉冲，这个脉冲称为“单光子脉冲”2.4测量弱光时，光电倍增管输出信号的特征当光源十分微弱时，入射的光子是一个一个离散地入射到光阴极上的，则在阳极输出回路上得到的也是一个一个分离的脉冲信号。光源的输出功率及其微弱时，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（在与阳极脉冲宽度相当的时间间隔内，光阴极发出的电子数基本上不多于一个），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。3.单光子计数的噪声和信噪比这里将统计噪声，暗计数和扣除背景以后的累积信噪比统一成一个观点来看，以便于应对实验中所需要的实际情况：3.1测量中的信噪比在弱光的条件下，光子到达光阴极具有的统计分布特征近似地服从泊松分布，也就是说，对于光子流量为R的光子流，在时间间隔t内，有n个光子到达探测器的概率是由柏松分布的标准偏差得到：，这个偏差值反映光信号的涨落，也就是光源的噪声，常称为光子噪声。因此，被测信号本征信噪比SNRp为是被测量的信号的极限信噪比.在光子计数系统中，总存在热电子发射等造成的俺计数噪声。虽然甄别器可以弃除大部分暗电流脉冲，但总还剩余一些，设其暗计数率为R，光阴极的量子效率为η，那么测量结果的信噪比为R为入射光子的平均流量，t为测量时间间隔，当SNR=1时，对应的接收信号功率即为仪器的探测灵敏度。根据信噪比的公式，光电倍增管的热电子发射的内部光子，例子反馈等产生的暗计数率，是决定系统测量动态范围的下限的主要因素。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，说明延长测量的时间能够增大信噪比，增强测量的精确度。3.2脉冲堆积效应由于光电倍增管的响应时间不为零，光电子从光阴极到阳极存在上升时间t，如果光子速率太大，以至光阴极发射的光电子间隔小于光电倍增管的上升时间t时，阳极回路的输出脉冲将发生重迭，使光电倍增管只能输出一个脉冲，如下页图所示：另一方面，甄别器的响应时间也不为零，一个甄别器在每个所接受的输出脉冲之后存在一个死时间t，即在t内不接受输出脉冲，如果甄别器在高计数率检测时，输出脉冲计数器将要受到损失。以上两种现象总称之为脉冲“堆积效应”。他造成测量的“堆积误差”。脉冲堆积效应的存在限制了光子计数器最高计数率。如果t=10ns，采用高速光电倍增管后可测的光子流量为光子/s，对应于W的入射光功率。针对以上两种误差分别存在估算的方法：3.2.1光电倍增管造成的计数误差：]exp[1RipiPMTRtRRR，Ri=ηR为光阴极单位时间发射的光电子数，当RRt远小于1时，上式可以简化为RPMTRt3.2.2甄别器堆积效应造成的计数误差：didiDIStRtR1，当计数率较小时，有ditR远小于1，因而上式可简化为diDIStR4.相关实验仪器原理光子计数器的原理方框图：实验系统的光路如图所示：实验步骤简述：1.实验准备1.1开启水冷系统的管道阀门1.2开启水冷机电源1.3开启单光子计数试验仪电源（需预热30min）1.4开启光功率计电源1.5开启光源电源1.6启动计算机，然后启动“单光子计数”软件给光电倍增管供电2.用示波器观察光电倍增管阳极输出信号及甄别器输出信号的波形2.1开启示波器电源2.2调整光源的电流为3mA，然后按照透光率从大到小的顺序更换不同的减光片，由示波器观察光电倍增管阳极输出信号的变化情况2.3当光电倍增管的阳极输出变成分散的脉冲时，对照观察甄别器输出脉冲时，对照观察甄别器输出脉冲的情况2.4适当调整甄别电平，对比观察甄别器I/O信号的变化情况3.测量确定最佳甄别电平Vh将测试软件的“模式”设置为“阈值方式”，然后点击测试软件的“开始”按钮测出脉冲幅度分布的积分曲线。（可以反复调整光电倍增管的高压（6~8挡范围），光源的强度（用电流调节），并适当调整“终止点”数值，多次测量已得到较理想的曲线）。之后利用软件的微分功能对曲线进行微分，曲线斜率最小值对应的电压就是最佳甄别电平Vh。4.测量暗计数率Rd和光子计数率Rp随光电倍增管工作温度T变化的关系，研究T对两者的影响4.1开启半导体制冷器的电源，并设定温度为10℃4.2将测试软件设置为“时间方式”，并设置好时间间隔，测量点数和阈值电压4.3设置光功率为0μW,并选择好寄存器；等待温度到达设定值并且稳定后，点击测试软件的“开始按钮”进行测量。4.4分别将光功率改为1、2、3、4μW，重复步骤4.34.5分别重新将温度设置为5、0、-5、-10、-15、-20℃，并重复步骤4.3，4.44.6将测量的数据存盘5.结束实验5.1退出“单光子计数”软件5.2依次关闭：光源电源，光功率计电源，单光子计数实验仪电源，半导体制冷器电源，计算机电源，水冷机电源5.3最后关闭水冷管道阀门，检查确认各个部件均已正确关闭原始数据、数据处理及误差计算：实验中获得的数据见附表所示1.计算各温度下的平均暗计数Rd：计算公式niBidNntR111，得到的计算结果为Rd5=475.03226s-1Rd0=411.54839s-1Rd-5=594.6129s-1Rd-10=308.06452s-12.计算各功率，各温度下的平均计数RA：计算公式niAiANntR111，得到的计算结果为T(℃)50P(μW)12341234Ra(s-1)4965.419410895.7117526.22626445.8714428.87110130.67717874.41925263.968T(℃)-5-10P(μW)12121212Ra(s-1)4499.451610031.80617491.032326209.70974253.387110020.612917137.322625891.54843.计算各温度，各入射光功率下，平均光电子计数率Rp（已修正）计算公式dApRRR，得到的计算结果为T(℃)50P(μW)12341234Rp(s-1)4490.3871410420.6777417051.1937425970.838744017.322619719.1286117462.8706124852.41961T(℃)-5-10P(μW)12121212Rp(s-1)3904.83879437.193116896.419425615.09683945.322589712.5483816829.2580825583.483884.计算各温度，各功率下信号测量的信噪比：（这里量子效率η取30%）T(℃)50P(μW)12341234SNR1.1728430111.5338556951.6867276771.7826266651.1883849611.5597041861.7284386381.801156079T(℃)-5-10P(μW)12121212SNR0.9924707251.4084018441.6199434361.7319678491.3153078821.6509078641.7824751231.8513771335.画出暗计数率Rd随温度变化的关系曲线6.画出不同光功率下光电子计数率Rp随温度的变化曲线（图见下页）结论：从图中可以看到，传感器读到的光子计数结果Rp与光发射功率有关，但是与光电倍增管所处的温度无关7.SNR与光功率的对应关系，如下图所示可以看到的是，随着光功率P的增大，SNR也呈现上升的趋势，但是与温度T的关系却不明显。思考题，实验感想，疑问与建议：1.单光子计数实验中，堆积效应主要发生在什么器件上？试分析其原因堆积效应主要发生在两个器件上，一个是光电倍增管，另一个是电子计数系统/甄别器。前者的原因是由于光电倍增管的响应时间不为零，光电子从光阴极到阳极存在上升时间t，如果光子速率太大，以至光阴极发射的光电子间隔小于光电倍增管的上升时间t时，阳极回路的输出脉冲将发生重迭，使光电倍增管只能输出一个脉冲；后者是因为甄别器的响应时间也不为零，一个甄别器在每个所接受的输出脉冲之后存在一个死时间t，即在t内不接受输出脉冲，如果甄别器在高计数率检测时，输出脉冲计数器将要受到损失。以上两种现象总称之为脉冲“堆积效应”。2.影响单光子计数系统暗计数指标的主要因素有哪些？应采取什么措施来降低暗计数？影响因素有热电子发射，残留气体电离，电子撞击玻璃壳发出的辉光，管基座间漏电，电极尖端的场致发射等；降低暗计数的主要手段是冷却光电倍增管。原始记录及图表粘贴处：（见附页）