實驗四單光子計數(shù)

.z.實驗四單光子計數(shù)光子計數(shù)也就是光電子計數(shù)，是微弱光〔低于10－14〕信號探測中的一種新技術(shù)。它可以探測微弱到以單光子到達(dá)時的能量。目前已被廣泛應(yīng)用于喇曼散射探測、醫(yī)學(xué)、生物學(xué)、物理學(xué)等許多領(lǐng)域里微弱光現(xiàn)象的研究。微弱光檢測的方法有：鎖頻放大技術(shù)、鎖相放大技術(shù)和單光子計數(shù)方法。最早開展的鎖頻原理是使放大器中心頻率與待測信號頻率一樣，從而對噪聲進(jìn)展抑制。但這種方法存在中心頻率不穩(wěn)、帶寬不能太窄、對待測信號缺乏跟蹤能力等缺點。后來開展了鎖相放大技術(shù)，它利用待測信號和參考信號的互相關(guān)檢測原理實現(xiàn)對信號的窄帶化處理，能有效的抑制噪聲，實現(xiàn)對信號的檢測和跟蹤。但是，當(dāng)噪聲與信號有同樣頻譜時就無能為力，另外它還受模擬積分電路漂移的影響，因此在弱光測量中受到一定的限制。單光子計數(shù)方法是利用弱光照射下光電倍增管輸出電流信號自然離散化的特征，采用了脈沖高度甄別技術(shù)和數(shù)字計數(shù)技術(shù)。與模擬檢測技術(shù)相比有以下優(yōu)點：1．測量結(jié)果受光電倍增管的漂移、系統(tǒng)增益的變化及其它不穩(wěn)定因素影響較小。2．根本上消除了光電倍增管高壓直流漏電流和各倍增級的熱發(fā)射噪聲的影響，提高了測量結(jié)果的信噪比。可望到達(dá)由光發(fā)射的統(tǒng)計漲落性質(zhì)所限制的信噪比值。3．有比較寬的線性動態(tài)圍。4．光子計數(shù)輸出是數(shù)字信號，適合與計算機接口作數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)處理。因此采用光子計數(shù)技術(shù)，可以把淹沒在背景噪聲中的微弱光信息提取出來。目前一般光子計數(shù)器的探測靈敏度優(yōu)于10－17，這是其它探測方法所不能比較的。【實驗?zāi)康摹?．介紹這種微弱光的檢測技術(shù)；了解GSZFS-2B實驗系統(tǒng)的構(gòu)成原理。2．了解光子計數(shù)的根本原理、根本實驗技術(shù)和弱光檢測中的一些主要問題。3．了解微弱光的概率分布規(guī)律。【實驗原理】1．光子光是由光子組成的光子流，光子是靜止質(zhì)量為零、有一定能量的粒子，與一定的頻率相對應(yīng)。一個光子的能量可由下式?jīng)Q定：〔1〕式中=3×108m/s，是真空中的光速；＝6.6×10－34，是普朗克常數(shù)。例如,實驗中所用的光源波長為＝5000?的近單色光，則=3.96×10－19。光流強度常用光功率表示，單位為。單色光的光功率可用下式表示：〔2〕式中為光子流量〔單位時間通過*一截面的光子數(shù)目〕，所以，只要能測得光子的流量，就能得到光流強度。如果每秒接收到＝104個光子數(shù)，對應(yīng)的光功率為＝104×3.96×10－19＝3.96×10－15。2．測量弱光時光電倍增管輸出信號的特征在可見光的探測中，通常利用光子的量子特性，選用光電倍增管作探測器件。光電倍增管從紫外到近紅外都有很高的靈敏度和增益。當(dāng)用于非弱光測量時，通常是測量陽極對地的陽極電流(圖1〔a〕)，或測量陽極電阻上的電壓(圖1〔b〕)，測得的信號電壓〔或電流〕為連續(xù)信號；然而在弱光條件下，陽極回路上形成的是一個個離散的尖脈沖。為此，我們必須研究在弱光條件下光電倍增管的輸出信號特征。圖1光電倍增管負(fù)高壓供電及陽極電路圖圖2光電倍增管陽極波形弱光信號照射到光陰極上時，每個入射的光子以一定的概率〔即量子效率〕使光陰極發(fā)射一個光電子。這個光電子經(jīng)倍增系統(tǒng)的倍增，在陽極回路中形成一個電流脈沖，即在負(fù)載電阻上建立一個電壓脈沖，這個脈沖稱為“單光電子脈沖〞見圖2。脈沖的寬度w取決于光電倍增管的時間特性和陽極回路的時間常數(shù)，其中為陽極回路的分布電容和放大器的輸入電容之和。性能良好的光電倍增管有較小的渡越時間分散，即從光陰極發(fā)射的電子經(jīng)倍增極倍增后的電子到達(dá)陽極的時間差較小。假設(shè)設(shè)法使時間常數(shù)較小則單光電子脈沖寬度w減小到10－30。如果入射光很弱，入射的光子流是一個一個離散地入射到光陰極上，則在陽極回路上得到一系列分立的脈沖信號。圖3不同光強下光電倍增管輸出信號波形圖3是用TDS3032B示波器觀察到的光電倍增管弱光輸出信號經(jīng)過放大器后的波形。當(dāng)入射光功率≈10－11時，光電子信號是一直流電平并疊加有閃爍噪聲〔a〕；當(dāng)≈10－12時，直流電平減小，脈沖重疊減小，但仍存在基線起伏〔b〕；當(dāng)光強繼續(xù)下降到≈10－13時，基線開場穩(wěn)定，重疊脈沖極少〔c〕；當(dāng)≈10－14時，脈沖無重疊，基線趨于零〔d〕。由圖可知，當(dāng)光強下降為10－14量級時，在1的時間只有極少幾個脈沖，也就是說，雖然光信號是持續(xù)照射的，但光電倍增管輸出的光電信號卻是分立的尖脈沖。這些脈沖的平均計數(shù)率與光子的流量成正比。圖4光電倍增管輸出脈沖幅度分布的微分曲線圖4為光電倍增管陽極回路輸出脈沖計數(shù)率Δ隨脈沖幅度大小的分布。曲線表示脈沖幅度在－〔+Δ〕之間的脈沖計數(shù)率Δ與脈沖幅度的關(guān)系，它與曲線〔Δ/Δ〕－有一樣的形式。因此在Δ取值很小時，這種幅度分布曲線稱為脈沖幅度分布的微分曲線。形成這種分布的原因有以下幾點：⑴除光電子脈沖外，還有各倍增極的熱發(fā)射電子在陽極回路形成的熱發(fā)射噪聲脈沖。熱電子受倍增的次數(shù)比光電子少，因此它們在陽極上形成的脈沖大局部幅度較低。⑵光陰極的熱發(fā)射電子形成的陽極輸出脈沖。⑶各倍增極的倍增系數(shù)有一定的統(tǒng)計分布〔大體上遵從泊松分布〕。因此，噪聲脈沖及光電子脈沖的幅度也有一個分布，在圖4中，脈沖幅度較小的主要是熱發(fā)射噪聲信號，而光陰極發(fā)射的電子〔包括熱發(fā)射電子和光電子〕形成的脈沖，它的幅度大局部集中在橫坐標(biāo)的中部，出現(xiàn)“單光電子峰〞。如果用脈沖幅度甄別器把幅度高于的脈沖鑒別輸出，就能實現(xiàn)單光子計數(shù)。3．光子計數(shù)器的組成光子計數(shù)器的原理方框圖如圖5所示。圖5典型的光子計數(shù)系統(tǒng)⑴光電倍增管光電倍增管性能的好壞直接關(guān)系到光子計數(shù)器能否正常工作。對光子計數(shù)器中所用的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〔它決定管子的探測靈敏度〕；響應(yīng)速度快、后續(xù)脈沖效應(yīng)小及光陰極穩(wěn)定性高。為了提高弱光測量的信噪比，在管子選定之后，還要采取一些措施：①光電倍增管的電磁噪聲屏蔽電磁噪聲對光子計數(shù)是非常嚴(yán)重的干擾，因此，作光子計數(shù)用的光電倍增管都要加以屏蔽，最好是在金屬外套襯以坡莫合金。②光電倍增管的供電通常的光電技術(shù)中，光電倍增管采用負(fù)高壓供電，如見圖1所示,即光陰極對地接負(fù)高壓，外套接地。陽極輸出端可直接接到放大器的輸入端。這種供電方式，光陰極及各倍增極〔特別是第一、第二倍增極〕與外套之間有電位差存在，漏電流能使玻璃管壁產(chǎn)生熒光，陰極也可能發(fā)生場致輻射，造成虛假計數(shù)，這對光子計數(shù)來講是相當(dāng)大的噪聲。為了防止這種噪聲的發(fā)生，必須在管壁與外套之間放置一金屬屏蔽層，金屬屏蔽層通過一個電阻接到光陰極上，使光陰極與屏蔽層等電位；另一種方法是改為正高壓供電，即陽極接正高壓，陰極和外套接地，但輸出端需要加一個隔直流、耐高壓、低噪聲的電容，如圖6。圖6光電倍增管的正高壓供電及陽極電路③熱噪聲的去除為了獲得較高的穩(wěn)定性，降低暗計數(shù)率，常采用致冷技術(shù)降低光電倍增管的工作溫度。當(dāng)然，最好選用具有小面積光陰極的光電倍增管，如果采用大面積陰極的光電倍增管，則需采用磁散焦技術(shù)。⑵放大器放大器的功能是把光電倍增管陽極回路輸出的光電子脈沖和其它的噪聲脈沖線性放大，因而放大器的設(shè)計要有利于光電子脈沖的形成和傳輸。對放大器的主要要求有：有一定的增益；上升時間≤3ns，即放大器的通頻帶寬達(dá)100MHz；有較寬的線性動態(tài)圍及噪聲系數(shù)要低。放大器的增益可按如下數(shù)據(jù)估算：光電倍增管陽極回路輸出的單光電子脈沖的高度為〔圖2〕，單個光電子的電量=1.602×10－19，光電倍增管的增益=106，光電倍增管輸出的光電子脈沖寬度w＝10－20量級。按10脈沖計算，陽極電流脈沖幅度≈1.6×10－5=16設(shè)陽極負(fù)載電阻＝50Ω，分布電容C=20則輸出脈沖電壓波形不會畸變，其峰值為：＝≈8.0×10－4=0.8當(dāng)然，實際上由于各倍增極的倍增系數(shù)遵從泊松分布的統(tǒng)計規(guī)律，輸出脈沖的高度也遵從泊松分布如圖7，上述計算值只是一個光子引起的平均脈沖峰值的期望值。一般的脈沖高度甄別器的甄別電平在幾十毫伏到幾伏連續(xù)可調(diào)，所以要求放大器的增益大于100倍即可。放大器與光電倍增管的連線應(yīng)盡量短，以減小分布電容，有利于光電脈沖的形成與傳輸。圖7放大器的輸出脈沖⑶脈沖高度甄別器脈沖高度甄別器的功能是鑒別輸出光電子脈沖，棄除光電倍增管的熱發(fā)射噪聲脈沖。在甄別器設(shè)有一個連續(xù)可調(diào)的參考電壓——甄別電平。如圖8所示，當(dāng)輸出脈沖高度高于甄別電平時，甄別器就輸出一個標(biāo)準(zhǔn)脈沖；當(dāng)輸入脈沖高度低于時，甄別器無輸出。如果把甄別電平選在與圖4中谷點對應(yīng)的脈沖高度上，這就棄除了大量的噪聲脈沖，因?qū)怆娮用}沖影響較小，從而大大提高了信噪比。稱為最正確甄別〔閾值〕電平。對甄別器的要求：甄別電平穩(wěn)定，以減小長時間計數(shù)的計數(shù)誤差；靈敏度〔可甄別的最小脈沖幅度〕較高，這樣可降低放大器的增益要求；要有盡可能小的時間滯后，以使數(shù)據(jù)收集時間較短；死時間小、建立時間短、脈沖對分辨率≤10，以保證一個個脈沖信號能被分辨開來，不致因重疊造成漏計。圖8甄別器的作用a放大后b甄別后需要注意的是：當(dāng)用單電平的脈沖高度甄別器鑒別輸出時，對應(yīng)*一電平值，得到的是脈沖幅度大于或等于的脈沖總計數(shù)率，因而只能得到積分曲線〔見圖9〕，其斜率最小值對應(yīng)的就是最正確甄別〔閾值〕電平，在高于最正確甄別電平的曲線斜率最大處的電平對應(yīng)單光電子峰。圖9光電倍增管脈沖高度分布——積分曲線⑷計數(shù)器〔定標(biāo)器〕計數(shù)器的主要功能是在規(guī)定的測量時間間隔，把甄別器輸出的標(biāo)準(zhǔn)脈沖累計和顯示。為滿足高速計數(shù)率及盡量減小測量誤差的需要，要求計數(shù)器的計數(shù)速率到達(dá)100MHz。但由于光子計數(shù)器常用于弱光測量，其信號計數(shù)率極低，應(yīng)選用計數(shù)速率低于10MHz的定標(biāo)器也可以滿足要求。4．光子計數(shù)器的誤差及信噪比測量弱光信號最關(guān)心的是探測信噪比〔能測到的信號與測量中各種噪聲的比〕。因此，必須分析光子計數(shù)系統(tǒng)中各種噪聲的來源。⑴泊松統(tǒng)計噪聲用光電倍增管探測熱光源發(fā)射的光子，相鄰的光子打到光陰極上的時間間隔是隨機的，對于大量粒子的統(tǒng)計結(jié)果服從泊松分布。即在探測到上一個光子后的時間間隔，探測到個光子的概率為〔3〕式中是光電倍增管的量子計數(shù)效率，是光子平均流量〔光子數(shù)／S〕，，是在時間間隔光電倍增管的光陰極發(fā)射的光電子平均數(shù)。由于這種統(tǒng)計特性，測量到的信號計數(shù)中就有一定的不確定度，通常用均方根偏差來表示：。計算得出：＝。這種不確定度是一種噪聲，稱統(tǒng)計噪聲。所以，統(tǒng)計噪聲使得測量信號中固有的信噪比為===〔4〕可見，測量結(jié)果的信噪比正比于測量時間間隔的平方根。⑵暗計數(shù)實際上，光電倍增管的光陰極和各倍增極還有熱電子發(fā)射，即在沒有入射光時，還有暗計數(shù)〔亦稱背景計數(shù)〕。雖然可以用降低管子的工作溫度、選用小面積光陰極以及選擇最正確的甄別電平等使暗計數(shù)率降到最小，但相對于極微弱的光信號，仍是一個不可無視的噪聲來源。假設(shè)以表示光電倍增管無光照時測得的暗計數(shù)率，則在測量光信號時，按上述結(jié)果，信號中的噪聲成分將增加到，信噪比降為〔5〕這里假設(shè)倍增極的噪聲和放大器的噪聲已經(jīng)被甄別器棄除了。對于具有高增益的第一倍增極的光電倍增管，這種近似是可取的。⑶累積信噪比當(dāng)用扣除背景計數(shù)或同步數(shù)字檢測工作方式時，在兩個一樣的時間間隔，分別測量背景計數(shù)〔包括暗計數(shù)和雜散光計數(shù)〕和信號與背景的總計數(shù)。設(shè)信號計數(shù)為，則，按照誤差理論，測量結(jié)果的信號計數(shù)中的總噪聲應(yīng)為測量結(jié)果的信噪比：〔6〕當(dāng)信號計數(shù)遠(yuǎn)小于背景計數(shù)時，測量結(jié)果的信噪比可能小于1，此時測量結(jié)果無意義，當(dāng)=1時，對應(yīng)的接收信號功率即為儀器的探測靈敏度。由以上的噪聲分析可見，光子計數(shù)器測量結(jié)果的信噪比與測量時間間隔的平方根成正比。因此在弱光測量中，為了獲得一定的信噪比，可增加測量時間間隔，這也是光子計數(shù)能獲得很高的檢測靈敏度的原因。⑷脈沖堆積效應(yīng)光電倍增管具有一定的分辨時間，如圖10所示。圖10光電倍增管的脈沖堆積效應(yīng)當(dāng)在分辨時間相繼有兩個或兩個以上的光子入射到光陰極時〔假定量子效率為1〕，由于它們的時間間隔小于，光電倍增管只能輸出一個脈沖，因此，光電子脈沖的輸出計數(shù)率比單位時間入射到光陰極上的光子數(shù)要少；另一方面，電子學(xué)系統(tǒng)〔主要是甄別器〕有一定的死時間，在輸入脈沖時，甄別器輸出計數(shù)率也要受到損失。以上現(xiàn)象統(tǒng)稱為脈沖堆積效應(yīng)。脈沖堆積效應(yīng)造成的輸出脈沖計數(shù)率誤差，可以用下面的方法進(jìn)展估算。對光電倍增管，由式3可知，在時間不出現(xiàn)光子的概率為：〔7〕式中為入射光子使光陰極單位時間發(fā)射的光電子數(shù)，。在出現(xiàn)光子的概率為1-。假設(shè)由于脈沖堆積，使單位時間輸出的光電子脈沖數(shù)為，則所以〔8〕由圖11可見，隨入射光子流量〔即〕增大而增大。當(dāng)=1時，出現(xiàn)最大值，以后隨增加而下降，一直可以下降到零。這就是說，當(dāng)入射光強增加到一定數(shù)值時，光電倍增管的輸出信號中的脈沖成分趨于零。此時就可以利用直流測量的方法來檢測光信號。圖11光電倍增管和甄別器的輸出計數(shù)率與輸入計數(shù)率關(guān)系對于甄別器〔對定標(biāo)器也適用〕，如果不考慮光電倍增管的脈沖堆積效應(yīng)，在測量時間輸出脈沖信號的總計數(shù)，總的“死〞時間。因此，總的“活〞時間。所以接收到的總的脈沖計數(shù)甄別器的死時間造成的脈沖堆積,使輸出脈沖計數(shù)率下降為〔9〕式中為假定死時間為零時，甄別器應(yīng)該輸出的脈沖計數(shù)率。由圖11看出，當(dāng)≥1時，趨向飽和狀態(tài)，即不再隨增加而有明顯變化。由式8和式9可以分別計算出上述兩種脈沖堆積效應(yīng)造成的輸出計數(shù)率的相對誤差為：光電倍增管分辨時間造成的誤差〔10〕甄別器死時間造成的誤差〔11〕當(dāng)計數(shù)率較小時，有<<1，<<1則〔12〕〔13〕當(dāng)計數(shù)率較小并使用快速光電倍增管時，脈沖堆積效應(yīng)引起的誤差ξ主要取決于甄別器，即：〔14〕一般認(rèn)為，計數(shù)誤差小于1％的工作狀態(tài)就叫做單光子計數(shù)狀態(tài)，處在這種狀態(tài)下的系統(tǒng)就稱為單光子計數(shù)系統(tǒng)。對于由高速的甄別器和計數(shù)器組成的光子計數(shù)系統(tǒng)，極限光子流量近似為109/s〔光功率≤1〕。由于脈沖堆積效應(yīng)，光子計數(shù)器不能測量含有多個光子的超短脈沖光的強度【工作原理及裝置】1．原理倍增管單光子計數(shù)器方法利用弱光下光電輸出電流信號自然離散的特征，采用脈沖高度甄別和數(shù)字計數(shù)技術(shù)將淹沒在背景噪聲中的弱光信號提取出來。當(dāng)弱光照射到光陰極時，每個入射光子以一定的概率(即量子效率)使光陰極發(fā)射一個電子。這個光電子經(jīng)倍增系統(tǒng)的倍增最后在陽極回路中形成一個電流脈沖，通過負(fù)載電阻形成一個電壓脈沖，這個脈沖稱為單光子脈沖。除光電子脈沖外，還有各倍增極的熱反射電子在陽極回路中形成的熱反射噪聲脈沖。熱電子受倍增的次數(shù)比光電子少，因而它在陽極上形成的脈沖幅度較低。此外還有光陰極的熱反射形成的脈沖。噪聲脈沖和光電子脈沖的幅度的分布如圖12所示。脈沖幅度較小的主要是熱反射噪聲信號，而光陰極反射的電子〔包括光電子和熱反射電子〕形成的脈沖幅度較大，出現(xiàn)“單光電子峰〞。用脈沖幅度甄別器把幅度低于的脈沖抑制掉。只讓幅度高于的脈沖通過就能實現(xiàn)單光子計數(shù)。單光子計數(shù)器中使用的光電倍增管其光譜響應(yīng)應(yīng)適合所用的工作波段，暗電流要小〔它決定管子的探測靈敏度〕，響應(yīng)速度及光陰極穩(wěn)定。光電倍增管性能的好壞直接關(guān)系到光子計數(shù)器能否正常工作。放大器的功能是把光電子脈沖和噪聲脈沖線性放大，應(yīng)有一定的增益，上升時間≤3,即放大器的通頻帶寬達(dá)100Mz；有較寬的線性動態(tài)圍及低噪聲，經(jīng)放大的脈沖信號送至脈沖幅度甄別器。單光子計數(shù)器的框圖見圖13。圖12噪聲脈沖和光電子脈沖的幅度的分布圖13單光子計數(shù)器的框圖在脈沖幅度甄別器里設(shè)有一個連續(xù)可調(diào)的參考電壓。如圖12所示，當(dāng)輸入脈沖高度低于時，甄別器無輸出。只有高于的脈沖，甄別器輸出一個標(biāo)準(zhǔn)脈沖。如果把甄別電平選在圖12中的谷點對應(yīng)的脈沖高度上，就能去掉大局部噪聲脈沖而只有光電子脈沖通過，從而提高信噪比。脈沖幅度甄別器應(yīng)甄別電平穩(wěn)定；靈敏度高；死時間小、建立時間短、脈沖對分辨率小于10，以保證不漏計。甄別器輸出經(jīng)過整形的脈沖。2.實驗裝置框圖圖14實驗裝置框圖3．光學(xué)系統(tǒng)⑴光源工作電壓穩(wěn)定、光強可調(diào)。GSZF-2B實驗系統(tǒng)是采用高亮度發(fā)光二級管，中心波長＝5000?，半寬度30。為了提高入射光的單色性，儀器備有窄帶濾光片，其半寬度為18。圖15CR125外形圖圖16CR125部構(gòu)造圖⑵探測器GSZF-2B實驗系統(tǒng)使用的探測器是直徑28.5、銻鉀銫光陰極，陰極有效尺寸是25、硼硅玻玻殼、11級盒式＋線性倍增、端窗型CR125光電倍增管。它具有高靈敏度、高穩(wěn)定性、低暗噪聲，環(huán)境溫度圍－80～＋50℃。GSZF-2B給光電倍增管提供的工作電壓最高為1320V。⑶光路如圖17所示，為了減小雜散光的影響和降低背景計數(shù)，在光電倍增管前設(shè)置一個光闌筒，設(shè)置光闌三個，并將光源、衰減片、窄帶濾光片、光闌、接收器等嚴(yán)格準(zhǔn)直同軸，把從光源出發(fā)的光信號會聚在倍增管光陰極的中心局部。參數(shù)：衰減片透過率5%；透過率10%；透過率25%。可以組成不同透過率的衰減片組插入光路，得到所需的入射光功率。為了標(biāo)定入射到光電倍增管的光功率，可先用光功率計測量出光源經(jīng)半透半反鏡反射的光功率P1，然后按下式計算：〔15〕圖17GSZF-2B單光子計數(shù)實驗系統(tǒng)光路參數(shù)圖示為窄帶濾光片在時的透射率為衰減片組在500處的透過率；…為光路中插入光學(xué)元件的全部玻璃外表反射損失造成的總效率；總效率(為光路中鏡片全部反射面數(shù))為半透半反鏡的透過率和反射率之比:式中為光功率計接收面積〔〕相對于光源中心所的立體角，為緊鄰光電倍增管的光闌面積〔〕對于光源中心所的立體角.3mmS1=1281.5mmS2=4800.018其他參數(shù)詳見圖17所標(biāo)定的。4．電子學(xué)系統(tǒng)接收電路包括放大器、甄別器、計數(shù)器、示波器。放大器輸入負(fù)極性脈沖，輸出正極性脈沖，輸入阻抗50，輸出端除與甄別器輸入端耦合外，還有50匹配電纜，供示波器觀察波形用。脈沖高度甄別器電路由線形高速比較器組成。甄別電平0－2.56可調(diào)〔10/檔〕。GSZF-2B放大器輸出的光電子脈沖和暗電流脈沖如圖18〔a〕。甄別器輸出的標(biāo)準(zhǔn)脈沖波形見圖18〔b〕。示波器采用Tektroni*生產(chǎn)的TDS3032B雙通道數(shù)字式熒光示波器，信號采集由通信模塊〔3GV〕輸入微機。(a)(b)圖18放大器輸出的光電子脈沖和暗電流脈沖四．實驗系統(tǒng)的安裝及操作方法1、GSZF-2B單光子計數(shù)系統(tǒng)如圖：1.USB接口2.監(jiān)測23.監(jiān)測14.調(diào)零旋鈕5.功率計電源開關(guān)6.量程變換7.功率指示8.電流調(diào)節(jié)910．電流指示圖19GSZF-2B單光子計數(shù)系統(tǒng)按照圖19將設(shè)備擺放好，然后翻開外光路2的上蓋，將磁力表座及擋光筒放入光路中，目測將中心高調(diào)成一致，并根據(jù)實驗要求將窄帶濾光片、衰減濾光片按圖20要求裝在減光筒上。1.減光筒2.窄帶濾光片3.衰減濾光片1.放大器控制面板2.開關(guān)3.電源插座4.衰減濾光片5.衰減濾光片圖20圖212．制冷系統(tǒng)制冷器的面板圖圖22圖233．開機操作：〔1〕電源線分別插在放大器控制電源插座(7)及制冷控制系統(tǒng)電源插座(9)上。〔2〕圖19的USB接口與計算機上的USB接口相連?！?〕將制冷控制電纜分別插在制冷控制電纜插座〔10〕及主機制冷控制電纜插座上?！?〕分別翻開電源開關(guān)?！?〕調(diào)節(jié)溫度控制表的溫度控制溫度。〔6〕待20分鐘之后溫度到達(dá)所需的溫度后，可用計算機采集。4．開機前面已經(jīng)分別表達(dá)了光源、外光路、制冷器的開機及調(diào)整方法。這一節(jié)主要談?wù)務(wù)麢C的開機方法?！?〕按照接線圖要求將線接好，并反復(fù)檢查無誤。圖24〔2〕按制冷器開機操作的方法將制冷器開機，等待數(shù)分鐘到達(dá)待測溫度后，可以啟動軟件測量。這里強調(diào)一點，即假設(shè)用戶測量不需要制冷時，也就不用開制冷器?！緦嶒炄菁安襟E】1．觀察不同入射光強光電倍增管的輸出波形分布，推算出相應(yīng)的光功率⑴開啟GSZF-2B單光子計數(shù)實驗儀“電源〞，光電倍增管預(yù)熱二十——三十分鐘。⑵開啟“功率測量〞在量程進(jìn)展嚴(yán)風(fēng)格零；開啟“光源指示〞，電流調(diào)到3－4，讀出“功率測量〞指示的值。⑶開啟微機，進(jìn)入“單光子計數(shù)〞軟件，給光電倍增管提供工作電壓，探測器開場工作。⑷開啟示波器，輸入阻抗設(shè)置50Ω，調(diào)節(jié)“觸發(fā)電平〞處于掃描最靈敏狀態(tài)。⑸翻開儀器箱體，在窄帶濾光片前按照衰減片的透過率，由大到小的順序依次添加片子。同時一并觀察示波器上光電倍增管的輸出信號，圖形應(yīng)該是由連續(xù)譜到離散分立的尖脈沖，和圖3一樣。注意：每次開啟儀器箱體添、減衰減片之后，要輕輕蓋好復(fù)原，以免受到背景光的干擾。⑹示波器與微機相連。進(jìn)入通信模塊3GV軟件，由菜單提示采集不同光強的四幀圖形，自己建立一個文檔，再由式〔15〕推算光功率。2．用示波器觀察光電倍增管陽極輸出和甄別器輸出的脈沖特征，并作比較⑴選擇入射光強使光電倍增管輸出為離散的單一尖脈沖〔≈10－13－10－14〕；固定光電倍增管的工作電壓；不加制冷處于常溫狀態(tài)；甄別閾值電平置于給定的適當(dāng)位置。⑵分別將放大器“檢測2〞和甄別器“檢測1〞的輸出信號送至示波器的輸入端，觀察并記錄兩種信號波形和高度分布特征。如同步驟1、⑹輸入微機，下拉文件菜單“打印〞或在主工具欄“打印〞，在“打印設(shè)置〞取“只打印圖象〞。編輯打印圖形。3．測量光電倍增管輸出脈沖幅度分布的積分和微分曲線，確定測量弱光時的最正確閾值〔甄別〕電平⑴參照步驟2.⑴選擇光電倍增管輸出的光電信號是分立尖脈沖的條件，運行“單光子計數(shù)〞軟件。在模式欄選擇“閾值方式〞；采樣參數(shù)欄中的“高壓〞是指光電倍增管的工作電壓，1－8檔分別對應(yīng)620－1320,由高到低每檔10%遞減。⑵在工具欄點擊“開場〞獲得積分曲線。視圖形的分布調(diào)整數(shù)值圍欄的“起始點〞和“終止點〞，“終止點〞一般設(shè)在30－60檔左右〔10/檔〕；再適當(dāng)?shù)恼{(diào)整光電倍增管的高壓檔次〔6－8檔圍〕和微調(diào)入射光強，讓積分曲線圖形為最正確〔如圖9〕。其斜率最小值處就是閾值電平。⑶在菜單欄點擊“數(shù)據(jù)/圖形處理〞選擇“微分〞，再選擇與積分曲線不同的“目的存放器〞運行，就會得到與積分曲線色彩不同微分曲線〔圖4〕。其電平最低谷與積分曲線的最小斜率處相對應(yīng)，由微分曲線更準(zhǔn)確的讀出。⑷點擊“信息〞，輸入每個“存放器〞對應(yīng)的曲線名稱、實驗同學(xué)，打印附報告。4．單光子計數(shù)⑴由模式欄選擇“時間方式〞，在采樣參數(shù)欄的“域值〞輸入步驟3獲取的值，數(shù)值圍的“終止點〞不用設(shè)置太大，100－1000即可，在工具欄點擊“開場〞，單光子計數(shù)。將數(shù)值圍的“最大值〞設(shè)置到單光子數(shù)率線在顯示區(qū)中間為宜。⑵此時，如果光源強度不變，光子計數(shù)率根本是一直