光子计数器

光子计数器是一种利用光电倍增管能检测单个光子能量的性质，通过光电子计数的方法测量极微弱光脉冲信号的装置。

高质量光电倍增管的特点是有较高的增益、较宽的通频带（响应速度）、低噪声和高量子效率。当可见光的辐射功率低于10－9W，即光子速率在109s－1以下时，光电倍增管光电阴极发射出的光电子就不再是连续的，因此，在倍增管的输出端会产生光电子形式的、离散的信号脉冲。可借助电子计数的方法检测入射光子数，实现极弱光强度或通量的测量。为了改善动态响应和降低器件噪声，应合理设计光电倍增管的供电电路和检测电路，并为其装备有制冷作用的特种外罩。

根据对外部扰动的补偿方式不同，光子计数系统分为三种类型：基本型、辐射源补偿型和背景补偿型。

6.3.1 不同类型的光子计数器

1.基本型光子计数器

基本型光子计数器的工作原理如图6－12所示。入射到光电倍增管阴极上的光子引起输出信号脉冲，经放大器输送到一个脉冲高度鉴别器上。由放大器输出的信号除有用光子脉冲之外，还包括器件噪声和多光子脉冲。多光子脉冲是由时间上不能分辨的连续光子集合而成的大幅度脉冲。脉冲高度鉴别器的作用是从多光子脉冲中分离出单光子脉冲，再用计数器计数光子脉冲数，计算出在一定时间间隔内的计数值并以数字和模拟信号形式输出。比例计用于给出正比于计数脉冲速率的连续模拟信号。

图6－12 基本型光子计数器的工作原理

由光电倍增管阴极发射的电子电荷量被倍增系统放大。设平均增益为106，则每个电子产生的平均输出电荷量为q＝106×1.6×10－19C。这些电荷是在t0＝10ns的渡越时间内聚焦在阳极上的，因而产生的阳极电流脉冲峰值IP可用矩形脉冲的峰值近似表示，并有

检测电路将电流脉冲转换为电压脉冲。设阳极负载电阻Ra＝50Ω，分布电容C＝20pF，则τ＝RaC＝1 ns≪t0，因而输出脉冲电压波形不会产生畸变，其峰值为

UP＝IPRa＝16×10－6×50V＝0.8mV 　（6－14）

这是由一个光子引起的平均脉冲峰值的期望值。

实际上，除了单光子激励产生的信号脉冲外，光电倍增管还输出热辐射、倍增极电子热辐射和多光子辐射，以及宇宙线和荧光辐射引起的噪声脉冲（见图6－13）。其中，多光子脉冲幅值最大，其他脉冲的高度相对要小一些，因此，为了鉴别出各种不同性质的脉冲，可采用脉冲峰值鉴别器。简单的单电平鉴别器具有一个阈值电平Us1，调整阈值位置可以滤除掉各种非光子脉冲而只对光子信号形成计数脉冲。对于多光子大脉冲，可以采用有两个阈值电平的双电平鉴别器（又称窗鉴别器），它仅使落在两电平间的光子脉冲产生输出信号，而对高于第一阈值Us1的热噪声和低于第二阈值Us2的多光子脉冲没有反应。脉冲幅度的鉴别作用抑制了大部分的噪声脉冲，减少了光电倍增管由于增益随时间和温度漂移而造成的有害影响。

光子脉冲由计数器累加计数。图6－14所示为简单计数器的原理，它由计数器A和定时器B组成。利用手动或自动启动脉冲，使计数器A开始累加从鉴别器来的信号脉冲，计数器C同时开始对由时钟振荡器来的计时脉冲进行计数。计数器C是一个可预置的减法计数器，事先由预置开关置入计数值N。设时钟脉冲计数率为RC，而计时器预置的计数时间是

于是在预置的测量时间t内，计数器A的累加计数值可计算为

图6－13 光电倍增管的输出和鉴别器工作波形

图6－14 计数器原理

式中：RA为平均光脉冲计数率。

2.辐射源补偿型光子计数器

为了补偿辐射源的起伏影响，可采用如图6－15（a）所示的双通道系统。在测量通道中放置被测样品，光子计数率RA随样品透过率和照明辐射源的波动而改变。参考通道中用同样的放大鉴别器测量辐射源的光强，输出计数率RC只由光源起伏决定。采用如图6－15（b）所示的比例计数器，可得到辐射源补偿信号RA／RC。该电路与图6－15（a）所示的电路相似，只是用参考通道的源补偿信号作为外部时钟输入。当辐射源强度增减时，RA和RC随之同步增减。这样，在计数器A的输出计数值中，比例因子RA／RC仅由被测样品透过率决定，而与辐射源强度的起伏无关。可见，比例技术提供了一种简单而有效的源补偿方法。在设定计数值为N的情况下，计数器A的累加计数值计算公式为

图6－15 辐射源补偿型光子计数器原理

3.背景补偿型光子计数器

在光子计数系统中，在光电倍增管受杂散光或温度的影响，背景计数率比较大的情况下，应该把背景计数率从每次测量中扣除，为此可采用背景补偿型光子计数器，其原理如图6－16所示。斩光器用来通断光束，产生交替的“信号＋背景”和“背景”的光子计数率，同时为光子计数器A、B提供选通信号。当斩光器叶片挡住输入光线时，放大鉴别器输出的是背景噪声（N），这些噪声脉冲在定时电路的作用下由计数器B收集。当斩光器叶片允许入射光通向光电倍增管时，鉴别器的输出包含了信号脉冲和背景噪声（S＋N），它们被计数器A收集。这样在一定的测量时间内，经多次斩光后计算电路给出两个输出量，即信号脉冲数A－B和总脉冲数A＋B：

A－B＝（S＋N）－N＝S 　（6－18）

A＋B＝（S＋N）＋N＝S＋2 N 　（6－19）

光电倍增管的随机噪声满足泊松分布，其标准偏差为

图6－16 背景补偿型光子计数器原理

于是信噪比为

根据式（6－18）、式（6－21），可计算出检测到的光子数和测量系统的信噪比。例如，在t＝10s时间内，若分别测得A＝106和B＝4.4×105，则可计算得到：

被测光子数　S＝A－B＝5.6×105

标准偏差　σ＝＝1.2×103

信噪比　SNR＝S／σ＝5.6×105／1.2×103≈467

图6－17所示为有斩光器的光子计数器的工作波形。在测量时间内有M个斩光周期2tp。为了防止斩光叶片边缘散射光的影响，使选通脉冲的半周期ts＜tp，并且满足

tp＝ts＋2tD 　（6－22）

式中：t D为空程时间，其值为tp的2％～3％。

图6－17 有斩光器的光子计数器的工作波形

6.3.2 光子计数的基本过程及特点

光子计数的基本过程可归纳如下：

①用光电倍增管检测微弱光的光子流，形成包括噪声信号在内的输出光脉冲；

②利用脉冲幅度鉴别器鉴别噪声脉冲和多光子脉冲，只允许单光子脉冲通过；

③利用光子脉冲计数器检测光子数，根据测量目的，折算出被测参量；

④为补偿辐射源或背景噪声的影响，可采用双通道测量方法。

光子计数器的特点是：

①只适合于极弱光的测量，光子的速率限制在大约109／s以内，相当于1nW的功率，不能测量包含许多光子的短脉冲强度；

②不论是连续的、斩光的、脉冲的光信号都可以使用，能取得良好的信噪比；

③为了得到最佳性能，必须合理选择光电倍增管，并装备带制冷器的外罩；

④不用数模转换即可提供数字输出，可方便地与计算机连接。

6.3.3 光子计数器的应用

光子计数方法在荧光、磷光测量、拉曼散射测量、夜光测量和生物细胞分析等微弱光测量中得到了应用。图6－18所示为用光子计数器测量物体磷光效应的原理。光源产生的光束经分光器由狭缝A入射到转筒上的狭缝C上，在转筒转动过程中断续地照射到被测磷光物质上，被测磷光经过活动狭缝C和固定狭缝B出射到光电倍增管上，经光子计数器测量出磷光的光子数值。转筒转速可调节，借以测量磷光的寿命和衰变。转筒的转动同步信号输送到光子计数器中，用来控制计数器的启动时间。

图6－18 用光子计数器测量物体磷光效应的原理