《微弱信号检测》课件：第5章弱离散信号.ppt

1、本章主要内容本章主要内容：5-1 5-1 离散信号检测的特点离散信号检测的特点5-2 5-2 光子计数器的结构光子计数器的结构5-3 5-3 光子计数器的使用与应用光子计数器的使用与应用 一、离散信号、弱离散信号的概念一、离散信号、弱离散信号的概念1. （时间）连续信号（时间）连续信号 信号总是随时间变化的，如果信号在所研究的时间域内都有定信号总是随时间变化的，如果信号在所研究的时间域内都有定义，则称义，则称（时间）连续信号（时间）连续信号。连续信号的研究重点连续信号的研究重点是单个信号是单个信号的波形。的波形。2. （时间）离散信号（时间）离散信号 如果信号仅在一些离散的时间点上才有定义，则

2、称如果信号仅在一些离散的时间点上才有定义，则称（时间）离（时间）离散信号散信号。离散信号：各种粒子流（光子流、电子流、质子流、。离散信号：各种粒子流（光子流、电子流、质子流、中子流、原子流、分子流等）、各种数字信号等。中子流、原子流、分子流等）、各种数字信号等。离散信号的离散信号的研究重点研究重点是信号的重复规律，即是信号的重复规律，即“信号密度信号密度”及其随时变化。及其随时变化。离散信号可看成是多个离散信号可看成是多个“单体单体”组成的组成的“群体群体”。如果把每个。如果把每个单体看成是极窄的脉冲，则整个离散信号可看成是脉冲列。单体看成是极窄的脉冲，则整个离散信号可看成是脉冲列。一、离散信

3、号、弱离散信号的概念一、离散信号、弱离散信号的概念3. 弱离散信号弱离散信号 是指离散信号的幅度与噪声幅度相当或更小（此时噪声的幅是指离散信号的幅度与噪声幅度相当或更小（此时噪声的幅度是指噪声脉冲的幅度）度是指噪声脉冲的幅度）。换句话说，是指相对于探测器的。换句话说，是指相对于探测器的灵敏度而言，离散信号幅度较小。灵敏度而言，离散信号幅度较小。 注意注意：信号按幅度分强弱的概念，是随探测器噪声水平、测信号按幅度分强弱的概念，是随探测器噪声水平、测量方法的发展而变化的量方法的发展而变化的。例如，光的强、弱概念的变化，充。例如，光的强、弱概念的变化，充分说明了这一点。分说明了这一点。（1）没有光电

4、器件没有光电器件时，测量毫瓦级的光已经很困难，因此，时，测量毫瓦级的光已经很困难，因此，毫瓦级光束毫瓦级光束算是弱光流；算是弱光流；一、离散信号、弱离散信号的概念一、离散信号、弱离散信号的概念3. 弱离散信号弱离散信号（2）光电晶体管、光电倍增管光电晶体管、光电倍增管出现后，利用静电计等电量、电出现后，利用静电计等电量、电流、电压检测设备，可检测到流、电压检测设备，可检测到10-610-12W（107光子光子/秒）的秒）的光。此时，只有光。此时，只有低于微瓦量级低于微瓦量级的光，才是弱光。的光，才是弱光。（3）应用）应用斩波器和锁相放大器斩波器和锁相放大器，可从暗电流噪声中检测出，可从暗电流噪

5、声中检测出10-16W的光，相当于的光，相当于103光子光子/秒的光。此时，只有秒的光。此时，只有低于微微瓦量低于微微瓦量级级的光，才算是弱光。的光，才算是弱光。（4）目前，还有比）目前，还有比103光子光子/秒的光更弱的光，例如几个光子，秒的光更弱的光，例如几个光子，这就要求更弱光的检测。当然，若能作单光子检测，那将获这就要求更弱光的检测。当然，若能作单光子检测，那将获得最高检测极限，所有弱光检测问题就都解决了。目前，已得最高检测极限，所有弱光检测问题就都解决了。目前，已能够作能够作单光子检测单光子检测.二、弱离散信号测量必须解决的问题二、弱离散信号测量必须解决的问题 1. 单体信号探测单体

6、信号探测方面方面 离散信号的测量侧重于其离散信号的测量侧重于其“密度密度”（信号流强），但首先要（信号流强），但首先要解决单个解决单个“信号信号”的探测问题。解决这一问题要做到：的探测问题。解决这一问题要做到： （1）对非电弱离散信号，要有）对非电弱离散信号，要有灵敏的传感器灵敏的传感器，将其转换为电，将其转换为电信号，传感器的噪声要低；信号，传感器的噪声要低； （2）对弱离散电信号，要有）对弱离散电信号，要有低噪声放大器低噪声放大器； （3）要想从大量噪声脉冲中，提取离散信号，需要）要想从大量噪声脉冲中，提取离散信号，需要幅度甄别幅度甄别器器，利用其把幅度相差较大的噪声脉冲剔除。甄别器的甄别

7、，利用其把幅度相差较大的噪声脉冲剔除。甄别器的甄别范围应是可调的，以适应各种情况的需要。为提高甄别的灵范围应是可调的，以适应各种情况的需要。为提高甄别的灵敏度，甄别器前应有放大器；敏度，甄别器前应有放大器；二、弱离散信号测量必须解决的问题二、弱离散信号测量必须解决的问题 1. 单体信号探测单体信号探测方面方面（4）为甄别可行，要求）为甄别可行，要求探测器输出的离散信号幅度要尽量一探测器输出的离散信号幅度要尽量一致致。例如，利用光电倍增管将光子信号转换为电脉冲时，希。例如，利用光电倍增管将光子信号转换为电脉冲时，希望每个光子都能产生相差不多的电脉冲幅度。望每个光子都能产生相差不多的电脉冲幅度。（

8、5）弱离散信号检测的传感器和其它部件，必须是低噪声的，弱离散信号检测的传感器和其它部件，必须是低噪声的，且频率响应要快且频率响应要快。频响快才能测计高流强的离散信号。频响快才能测计高流强的离散信号。 2. 快速计数快速计数方面方面（1）各种离散信号的脉冲流速率差别很大各种离散信号的脉冲流速率差别很大。例如，测光子流。例如，测光子流密度，测量要求范围为密度，测量要求范围为1107光子光子/秒。对流强大的信号，秒。对流强大的信号，计数器的计数速度要快，能测计的最大数额要大计数器的计数速度要快，能测计的最大数额要大； 二、弱离散信号测量必须解决的问题二、弱离散信号测量必须解决的问题 2. 快速计数快

9、速计数方面方面（2）要解决信息脉冲计数问题要解决信息脉冲计数问题。由于目前能快速、准确计数的。由于目前能快速、准确计数的仪器是电脉冲计数器，故仪器是电脉冲计数器，故非电的离散信号必须用频响高的传非电的离散信号必须用频响高的传感器转换成电脉冲信号感器转换成电脉冲信号；（3）测计时间间隔要能在较大范围内调节测计时间间隔要能在较大范围内调节，以适应各种流强和，以适应各种流强和各类随机规律的信号，各类随机规律的信号，并且测计的时间间隔要准确并且测计的时间间隔要准确。只有这。只有这样，所测数值才能准确。样，所测数值才能准确。 二、弱离散信号测量必须解决的问题二、弱离散信号测量必须解决的问题 3. 确定合

10、适的测量时间确定合适的测量时间 对于随机的离散信号，必须对于随机的离散信号，必须根据其统计规律，确定计测时间根据其统计规律，确定计测时间间隔间隔，以保证大多数测量值与数学期望值的偏差在允许的范，以保证大多数测量值与数学期望值的偏差在允许的范围以内。因此，最好能知道所测信号的统计分布规律，由统围以内。因此，最好能知道所测信号的统计分布规律，由统计分布规律来确定测量时间。计分布规律来确定测量时间。若不知其统计规律，则需作多若不知其统计规律，则需作多次测量，以找出标准偏差在允许值内的计测时间次测量，以找出标准偏差在允许值内的计测时间。 三、光子流强测量的特点和要求三、光子流强测量的特点和要求 光子流

11、强（极弱光强）测量，即平常所说的光子计数，是离光子流强（极弱光强）测量，即平常所说的光子计数，是离散信号测量中，最成熟、应用最广泛的一种。散信号测量中，最成熟、应用最广泛的一种。 1. 光子计数器用光子计数器用PMT作光电探测器作光电探测器 通常，光电倍增管（通常，光电倍增管（PMT）的增益在）的增益在105109之间，若之间，若取取G=107，则一个光电子产生的阳极输出脉冲的总电量为，则一个光电子产生的阳极输出脉冲的总电量为107e，用其除以脉冲宽度，用其除以脉冲宽度10-7s（由（由PMT的渡越时间散差决的渡越时间散差决定），则可求出脉冲电流的幅度，约为定），则可求出脉冲电流的幅度，约为1

12、.610-5A。若。若PMT的负载电阻取的负载电阻取50，则输出脉冲幅度约为，则输出脉冲幅度约为1mV。此信号经放。此信号经放大后，可用于甄别计数。故大后，可用于甄别计数。故PMT的增益能满足要求的增益能满足要求。 PMT对每个光子输出的电脉冲幅度，虽因二次电子发对每个光子输出的电脉冲幅度，虽因二次电子发射的量子起伏而有不同，但幅度变化不大，仍能适应要求。射的量子起伏而有不同，但幅度变化不大，仍能适应要求。 三、光子流强测量的特点和要求三、光子流强测量的特点和要求 2. 用用PMT时，光子流强的最大计测值为时，光子流强的最大计测值为107 光子计数用的传感器是光电倍增管。在一般光检测时，光子计

13、数用的传感器是光电倍增管。在一般光检测时，PMT的输出是与光强成比例的模拟电流信号。但的输出是与光强成比例的模拟电流信号。但在光子计在光子计数时，数时，PMT是输出单个、单个的电脉冲是输出单个、单个的电脉冲。每个光子产生一。每个光子产生一个电脉冲，脉冲宽度由光电倍增管的渡越时间散差决定，约个电脉冲，脉冲宽度由光电倍增管的渡越时间散差决定，约10-7s。如果光子流密度大于。如果光子流密度大于107个个/秒，则这些脉冲会发生重秒，则这些脉冲会发生重叠，从而变成模拟电流信号。因此，叠，从而变成模拟电流信号。因此，光子计数测量的最大可光子计数测量的最大可能值，也是由能值，也是由PMT的渡越时间散差决定

14、的，一般为的渡越时间散差决定的，一般为107 。一。一个波长为个波长为555nm的光子，具有的光子，具有3.5610-19J的能量，则光子计的能量，则光子计数测量最大可测数测量最大可测10-12W的光强。的光强。三、光子流强测量的特点和要求三、光子流强测量的特点和要求 3. PMT作光子计数的优点作光子计数的优点 PMT作脉冲计数，比作模拟测量有如下优点作脉冲计数，比作模拟测量有如下优点： （1）PMT作模拟测量时作模拟测量时，是把许多干扰和信号脉冲一起叠加后，是把许多干扰和信号脉冲一起叠加后输出，无法利用信号脉冲幅度基本稳定的特性提高信噪比；输出，无法利用信号脉冲幅度基本稳定的特性提高信噪比

15、； （2）PMT作脉冲计数时作脉冲计数时，通过脉冲幅度甄别的方法，使，通过脉冲幅度甄别的方法，使PMT的的直流漏电、输出零漂、增益不稳定等因素的影响，降至最低。直流漏电、输出零漂、增益不稳定等因素的影响，降至最低。 4. 对计数器和显示器的要求对计数器和显示器的要求 由于使用由于使用PMT的光子计数器，计数测量的范围只能是的光子计数器，计数测量的范围只能是1107，故，故对计数器的要求是应有对计数器的要求是应有108的最大计数值且的最大计数值且108个个/秒的计秒的计数速率数速率。相应的显示器的也只需要相应的显示器的也只需要8位十进制数。位十进制数。三、光子流强测量的特点和要求三、光子流强测量

16、的特点和要求 5. 需确定合适的测量时间间隔需确定合适的测量时间间隔 下面介绍如何根据光子、光电子发射、二次电子发射的下面介绍如何根据光子、光电子发射、二次电子发射的统计分布规律确定测量时间。统计分布规律确定测量时间。 光源是以随机方式发射光子的，在不同时间的相同时间光源是以随机方式发射光子的，在不同时间的相同时间间隔内，检测到的光子数是有变化的，它具有离散的概率分间隔内，检测到的光子数是有变化的，它具有离散的概率分布。布。对于不相干的光源，其概率分布满足对于不相干的光源，其概率分布满足Bose-Einstain分布分布 规律规律；对于相干光源，例如激光辐射源，则满足对于相干光源，例如激光辐射

17、源，则满足Poisson分布分布。由于泊松分布对光电子发射、二次电子发射，也起着规律性由于泊松分布对光电子发射、二次电子发射，也起着规律性的描述，故下面只讨论泊松分布。的描述，故下面只讨论泊松分布。三、光子流强测量的特点和要求三、光子流强测量的特点和要求 5. 需确定合适的测量时间间隔需确定合适的测量时间间隔 泊松分布规律：泊松分布规律： （5-1） 式中式中 R单位时间内出现的事件数，即事件发生速率，单位时间内出现的事件数，即事件发生速率， 对于光子发射，即是光子的速率；对于光子发射，即是光子的速率； t测定时间间隔；测定时间间隔； m在时间间隔在时间间隔t内，测得的光子数；内，测得的光子数

18、； P（m）在时间间隔在时间间隔t内，测得的光子数为内，测得的光子数为m的概率。的概率。 !)()(meRtmPRtm三、光子流强测量的特点和要求三、光子流强测量的特点和要求 5. 需确定合适的测量时间间隔需确定合适的测量时间间隔 为了考察不同的时间间隔为了考察不同的时间间隔t取值对测量精度的影响，引入取值对测量精度的影响，引入泊松分布的标准偏差泊松分布的标准偏差 。用其可表示在反复多次测量。用其可表示在反复多次测量时，大量测量数据所处的范围，也就是概率较大的区域，即时，大量测量数据所处的范围，也就是概率较大的区域，即 的区域。的区域。 例例：当：当R = 100光子光子/秒时，秒时，t分别为

19、分别为0.1、1、10s时，则时，则R t=10、100、1000，=101/2、10、10101/2，测量各自主要集中在，测量各自主要集中在613、90110、9701030之间，之间，/R t分别为分别为1/101/2、1/10、1/（10101/2）。由此可看出，）。由此可看出，t越大，测量值偏离平均值的越大，测量值偏离平均值的相对偏离越小相对偏离越小。RtRt一、光子计数器框图一、光子计数器框图 光子流经过光子流经过PMT，转换为电脉冲列，转换为电脉冲列；然后，；然后，随同噪声脉随同噪声脉冲输入甄别器，作噪声脉冲的剔出冲输入甄别器，作噪声脉冲的剔出；之后，；之后，送入脉冲计数器，送入脉

20、冲计数器，作定时间计数作定时间计数；最后，；最后，通过数显或模显显示光子流强度变化通过数显或模显显示光子流强度变化。 二、二、作光子计数用的光电倍增管（作光子计数用的光电倍增管（PMT） 1. 要有极低的噪声要有极低的噪声 当光作为入射射线打到光当光作为入射射线打到光阴极上时，阴极上时，光阴极光阴极将光子将光子转变为光电子，通过后续转变为光电子，通过后续的的打拿级打拿级（图中（图中1-9各级）各级）将光电子进行多次倍增。将光电子进行多次倍增。打拿级由电子逸出功较小的材料构成，打拿级由电子逸出功较小的材料构成，以使高能快速电子打到打拿级上产生二次电子发射，达到倍增以使高能快速电子打到打拿级上产生

21、二次电子发射，达到倍增目的目的。第。第10极为极为阳极阳极，也就是收集极，收集倍增后的光电子形，也就是收集极，收集倍增后的光电子形成阳极电流。成阳极电流。当极间电压一定后，打拿级的倍增因子基本上是当极间电压一定后，打拿级的倍增因子基本上是一个常数，所以当光信号变化时，倍增后的光电子也随之变化，一个常数，所以当光信号变化时，倍增后的光电子也随之变化，使输出的阳极电流比例于输入光子数使输出的阳极电流比例于输入光子数。 二、作光子计数用的光电倍增管（二、作光子计数用的光电倍增管（PMT） 1. 要有极低的噪声要有极低的噪声 用作光子计数器的用作光子计数器的PMT，在光谱响应范围合适的前提下，在光谱响

22、应范围合适的前提下，首先要有极低的噪声。首先要有极低的噪声。低噪声的概念，主要是指噪声脉冲数低噪声的概念，主要是指噪声脉冲数要少要少。 PMT的噪声来源的噪声来源：主要是由于：主要是由于光阴极和第一打拿级热电子发光阴极和第一打拿级热电子发射射造成；其次，还有造成；其次，还有后级打拿级热发射、阳极漏电流、场致后级打拿级热发射、阳极漏电流、场致发射、光反馈、离子反馈发射、光反馈、离子反馈等因素。等因素。 PMT的噪声分类的噪声分类：PMT的噪声脉冲的噪声脉冲按幅度按幅度可分为可分为A、B、C、D四类：四类：二、作光子计数用的光电倍增管（二、作光子计数用的光电倍增管（PMT） 1. 要有极低的噪声要

23、有极低的噪声 A类噪声脉冲类噪声脉冲：是由：是由后级打拿级产生后级打拿级产生，由于倍增增益小，故，由于倍增增益小，故幅幅度小度小，但，但数目多数目多； B类噪声脉冲类噪声脉冲：主要是由：主要是由光阴极的热发射电子造成光阴极的热发射电子造成，其，其幅度与幅度与光电发射的脉冲相当光电发射的脉冲相当； C类和类和D类噪声脉冲类噪声脉冲：是由：是由高能粒子使光阴极一次发射多于两高能粒子使光阴极一次发射多于两个电子个电子，故其，故其脉冲幅度大于脉冲幅度大于B类类。D类脉冲，一次发射多于类脉冲，一次发射多于5个电子，故幅度更大。个电子，故幅度更大。 降低降低PMT的噪声的措施的噪声的措施：C、D类脉冲类脉

24、冲，主要来源于外部，主要来源于外部，数量少，可用数量少，可用屏蔽和幅度甄别屏蔽和幅度甄别方法解决；方法解决；A类脉冲类脉冲也主要用也主要用幅度甄别幅度甄别的方法排除。故降低噪声主要是减少的方法排除。故降低噪声主要是减少B类噪声脉冲。类噪声脉冲。二、作光子计数用的光电倍增管（二、作光子计数用的光电倍增管（PMT） 1. 要有极低的噪声要有极低的噪声 降低热发射降低热发射的最佳方法，就是的最佳方法，就是降低温度降低温度，一般光子计数一般光子计数用的用的PMT工作于工作于- 40 - 60。 除了热噪声外，第二要考虑的是除了热噪声外，第二要考虑的是散粒噪声散粒噪声，它来源于，它来源于光光阴极的光电子

25、发射的统计性阴极的光电子发射的统计性，也，也来自于打拿级的二次电子发来自于打拿级的二次电子发射的统计性射的统计性。同样由于前级噪声有大的增益，故。同样由于前级噪声有大的增益，故散粒噪声主散粒噪声主要来源于光阴极和第一打拿级要来源于光阴极和第一打拿级。要减少散粒噪声，需要降低要减少散粒噪声，需要降低第一打拿级的传输系数、第一打拿级的二次电子发射系数、第一打拿级的传输系数、第一打拿级的二次电子发射系数、第一打拿级后的各级平均传输系数、第一打拿级后的各级平第一打拿级后的各级平均传输系数、第一打拿级后的各级平均二次电子发射系数均二次电子发射系数。 对于其它噪声，在对于其它噪声，在PMT的设计、制作、工

26、艺、选材上都要的设计、制作、工艺、选材上都要注意。例如，要防止光反馈、离子反馈，要注意边缘毛刺放注意。例如，要防止光反馈、离子反馈，要注意边缘毛刺放电、场致发射等。电、场致发射等。 二、作光子计数用的光电倍增管（二、作光子计数用的光电倍增管（PMT） 2. 要有良好的单光子响应峰要有良好的单光子响应峰 用作光子计数的用作光子计数的PMT，要有良好的单光子响应峰特性要有良好的单光子响应峰特性。图。图5-3所示的所示的脉冲高度分布（脉冲高度分布（PHD）是选择）是选择PMT的重要依据的重要依据。 定义定义: （5-2） （5-3） 分析分析：峰谷比越大、分辨力越小的峰谷比越大、分辨力越小的PMT

27、越适合用于光子计数越适合用于光子计数。 VPEE谷点输出脉冲幅度度单光子峰的输出脉冲幅峰谷比PEE度单光子峰的输出脉冲幅单光子峰的半高全宽分辨力二、作光子计数用的光电倍增管（二、作光子计数用的光电倍增管（PMT） 2. 要有良好的单光子响应峰要有良好的单光子响应峰 图图5-4是四种适于光子计数是四种适于光子计数的的PMT的的PHD曲线。图（曲线。图（a）、）、（b）是）是国产倍增管国产倍增管GDB-472150V）和）和GDB-423（-1000V）；）；图（图（c）、（）、（d）是）是国外倍增管国外倍增管RCA-31034（-1450V）和）和EMI-9558B（1250V）。其）。其性能参

28、见表性能参见表5-1和表和表5-2。二、作光子计数用的光电倍增管（二、作光子计数用的光电倍增管（PMT） 2. 要有良好的单光子响应峰要有良好的单光子响应峰二、作光子计数用的光电倍增管（二、作光子计数用的光电倍增管（PMT） 3. 要有较宽的计数坪区要有较宽的计数坪区PMT在在相同的入射光相同的入射光下，下，阴极阴极阳极加不同外加电压阳极加不同外加电压时，会有时，会有不同的信噪比特性不同的信噪比特性，而且，而且计数计数速率也有所不同速率也有所不同。为了减小误。为了减小误差、为了有较宽的使用电压范差、为了有较宽的使用电压范围，应选用计数坪区特性好的围，应选用计数坪区特性好的PMT。图图5-5是是

29、PMT的计数坪区示意图。的计数坪区示意图。 二、作光子计数用的光电倍增管（二、作光子计数用的光电倍增管（PMT） 3. 要有较宽的计数坪区要有较宽的计数坪区 图中横轴是所加高压值，随高压的增加，无光照时计数速率沿图中横轴是所加高压值，随高压的增加，无光照时计数速率沿曲线曲线1变化；有光照时，计数速率按曲线变化；有光照时，计数速率按曲线2变化。变化。曲线曲线1有一段有一段变化缓慢区域，作光子计数测量时，只能选用该区域变化缓慢区域，作光子计数测量时，只能选用该区域。从图。从图中曲线中曲线1和曲线和曲线2的比较可以看出，的比较可以看出，坪区的开头处是信噪比坪区的开头处是信噪比（SNR）最大的地方，而

30、坪区的结尾处是信噪比（）最大的地方，而坪区的结尾处是信噪比（SNR）最小）最小的地方的地方。因此，实际使用时，应选择在。因此，实际使用时，应选择在坪区开头附近坪区开头附近 。 坪区可用坪区可用坪长坪长和和坪斜坪斜来描述，具体如下：来描述，具体如下： （5-4） （5-5） 式中，式中， 为平均计数速率。为平均计数速率。 12aauu坪长%)()(1212aauunNN坪斜n二、作光子计数用的光电倍增管（二、作光子计数用的光电倍增管（PMT） 3. 要有较宽的计数坪区要有较宽的计数坪区 PMT有坪区特性的存在，也可有坪区特性的存在，也可由其由其PHD曲线随外加电压变化而曲线随外加电压变化而得出得

31、出。图。图5-6是国产倍增管是国产倍增管GDB-47在不同外加电压下的在不同外加电压下的PHD曲线。在低电压时，单峰曲线。在低电压时，单峰特性差，其信噪比不好；在高特性差，其信噪比不好；在高电压时，其单峰特性也会变坏。电压时，其单峰特性也会变坏。 二、作光子计数用的光电倍增管（二、作光子计数用的光电倍增管（PMT） 4. 第一打拿级的电压要高，偏置电路的电流要小第一打拿级的电压要高，偏置电路的电流要小 除选好合适的除选好合适的PMT外，外，正确使用正确使用PMT也是非常重要的也是非常重要的。例如，各倍增极的偏置电压、偏置电路中的偏置电流都是值例如，各倍增极的偏置电压、偏置电路中的偏置电流都是值

32、得注意的。得注意的。 第一打拿级的电压要高第一打拿级的电压要高：提高第一打拿级的电压，可使：提高第一打拿级的电压，可使第一第一打拿级的传输系数和二次电子发射系数降低打拿级的传输系数和二次电子发射系数降低，这，这对减小散粒对减小散粒噪声是有利噪声是有利的。同样，若提高第一打拿级的电压，可使的。同样，若提高第一打拿级的电压，可使整个整个倍增系统的标准偏差减至最小倍增系统的标准偏差减至最小，使使PMT阳极输出脉冲幅度的阳极输出脉冲幅度的变化减至最小变化减至最小。这是因为打拿级的二次电子输出个数也是按。这是因为打拿级的二次电子输出个数也是按伯松分布规律进行的，在电压高时，二次电子个数离散偏差伯松分布规

33、律进行的，在电压高时，二次电子个数离散偏差减小。减小。二、作光子计数用的光电倍增管（二、作光子计数用的光电倍增管（PMT） 4. 第一打拿级的电压要高，偏置电路的电流要小第一打拿级的电压要高，偏置电路的电流要小 第一打拿级的偏置电路的电流要小第一打拿级的偏置电路的电流要小：一般的一般的PMT用作缓变较用作缓变较强光测量时，由于要减小饱和，增加稳定性，一般使偏置电强光测量时，由于要减小饱和，增加稳定性，一般使偏置电 流较大，常取阳极电流的流较大，常取阳极电流的1000倍或更多倍或更多。例如，若选偏置电。例如，若选偏置电流为流为1mA，此时，偏置电阻的功耗约为，此时，偏置电阻的功耗约为103V10

34、-3A=1W。此热功率会明显使此热功率会明显使PMT的温度上升，增加噪声，使的温度上升，增加噪声，使SNR降低。降低。在在作光子计数时，常可使偏置电流减小一个量级，使热功耗作光子计数时，常可使偏置电流减小一个量级，使热功耗也减小一个数量级，管子的温升就不会太大，可获得较大也减小一个数量级，管子的温升就不会太大，可获得较大SNR。这是因为此时的。这是因为此时的PMT电流很小，而且是电流很小，而且是脉冲工作脉冲工作二、作光子计数用的光电倍增管（二、作光子计数用的光电倍增管（PMT） 4. 第一打拿级的电压要高，偏置电路的电流要小第一打拿级的电压要高，偏置电路的电流要小 的，只要偏置电路中加了的，只

35、要偏置电路中加了稳压电容稳压电容，就可以利用电容在两个，就可以利用电容在两个相邻脉冲的时间间隔内，重新充电，保证打拿级电压稳定。相邻脉冲的时间间隔内，重新充电，保证打拿级电压稳定。 5. 阳极电路时间常数要小阳极电路时间常数要小 阳极电路的设计和制作，也应该特别注意。若阳极电路中有阳极电路的设计和制作，也应该特别注意。若阳极电路中有一负载电阻一负载电阻Ra和与之并联的一分布电容和与之并联的一分布电容Ca，由于脉冲电流的，由于脉冲电流的到来，将使电容上获得充电和放电。到来，将使电容上获得充电和放电。PMT阳极的输出电压脉阳极的输出电压脉冲如图冲如图5-7所示。所示。二、作光子计数用的光电倍增管（

36、二、作光子计数用的光电倍增管（PMT） 5. 阳极电路时间常数要小阳极电路时间常数要小 其中图（其中图（a）为电荷积累和时间的关）为电荷积累和时间的关系，即到达阳极的电子数与时间的关系，系，即到达阳极的电子数与时间的关系，电荷从零开始，随时间增大到最大值电荷从零开始，随时间增大到最大值Qa并保持不变；图（并保持不变；图（b）是阳极电流脉冲曲）是阳极电流脉冲曲线，由图（线，由图（a）求导得到，）求导得到，定义半高度处定义半高度处为脉冲宽度，一般典型值为为脉冲宽度，一般典型值为10-20ns；电；电阻阻Ra上的电压脉冲不仅由上的电压脉冲不仅由Ra值决定，还值决定，还受分布电容受分布电容Ca的影响。

37、对于精心设计的的影响。对于精心设计的光子计数系统，光子计数系统，Ca可达可达20pF。于是对。于是对Ra=50时，阳极电路的时间常数时，阳极电路的时间常数RaCa=1ns。这种情况下，电压脉冲将。这种情况下，电压脉冲将二、作光子计数用的光电倍增管（二、作光子计数用的光电倍增管（PMT） 5. 阳极电路时间常数要小阳极电路时间常数要小 与电流脉冲相同，如图（与电流脉冲相同，如图（c）所示。）所示。加大电容，将使脉冲变加大电容，将使脉冲变小变宽小变宽；加大电阻，将使脉冲变大变窄加大电阻，将使脉冲变大变窄。从图中可知，。从图中可知，要尽要尽量减小分布电容量减小分布电容Ca，而且也不能用太大的负载电阻

38、，而且也不能用太大的负载电阻Ra。 6. 接地与屏蔽工艺要认真接地与屏蔽工艺要认真 PMT的接地方式有两种：的接地方式有两种： 阴极接地阴极接地：阳极具有一个高的正电压阳极具有一个高的正电压； 阳极经过一个适当的负载电阻接地阳极经过一个适当的负载电阻接地：阴极具有一个高的负电阴极具有一个高的负电压压。这两种方法各有利弊。这两种方法各有利弊。 二、作光子计数用的光电倍增管（二、作光子计数用的光电倍增管（PMT） 6. 接地与屏蔽工艺要认真接地与屏蔽工艺要认真 在在阴极接地阴极接地的方案中，的方案中，PMT的输出一般是的输出一般是2kV，所以需要所以需要在阳极和输出在阳极和输出之间接一个电容器之间

39、接一个电容器，以，以免损坏前置放大器或其免损坏前置放大器或其它与阳极相连的电子线它与阳极相连的电子线路。这样一个电容器会路。这样一个电容器会带来新的问题，即带来新的问题，即在在PMT的内部由最后两个的内部由最后两个打拿级和阳极所形成的打拿级和阳极所形成的高频传输效应将趋于破坏高频传输效应将趋于破坏。二、作光子计数用的光电倍增管（二、作光子计数用的光电倍增管（PMT） 6. 接地与屏蔽工艺要认真接地与屏蔽工艺要认真 阳极接地阳极接地方案，如图（方案，如图（b）所示。）所示。优点优点：可直接将阳极与光可直接将阳极与光子计数系统相连子计数系统相连。缺点缺点：PMT放在它的外罩里时，为安全放在它的外罩

40、里时，为安全起见，外罩必须接地。这就意味着外罩的壁和起见，外罩必须接地。这就意味着外罩的壁和PMT内部电内部电极之间有很大负压，特别是对光阴极和靠近光阴极的一些打极之间有很大负压，特别是对光阴极和靠近光阴极的一些打拿级，由于这个高压，漏电就能从地经外罩、拿级，由于这个高压，漏电就能从地经外罩、PMT的管壁，的管壁，流至光阴极或第一打拿级。当电流流经管壁时，如果管壁有流至光阴极或第一打拿级。当电流流经管壁时，如果管壁有荧光，荧光发射的光子将会到达光阴极，产生寄生荧光，荧光发射的光子将会到达光阴极，产生寄生二、作光子计数用的光电倍增管（二、作光子计数用的光电倍增管（PMT） 6. 接地与屏蔽工艺要

41、认真接地与屏蔽工艺要认真 信号。为了克服这一问题，信号。为了克服这一问题，必须在罩里面加一屏蔽，放在必须在罩里面加一屏蔽，放在PMT的管壁和外罩内壁之间的管壁和外罩内壁之间，此屏蔽经一电阻连到阳极电位，此屏蔽经一电阻连到阳极电位，这样就不再有漏电流流经这样就不再有漏电流流经PMT的管壁。的管壁。 实际使用时，实际使用时，常在常在PMT的阳极接入一个的阳极接入一个100k的电阻接的电阻接地，作为负载地，作为负载。由于。由于Ra=50，RL=100k，RL/RaRa，所以，所以放大器的等效输入电阻仍为放大器的等效输入电阻仍为50，以保证，以保证RaCa=1ns而不使阳而不使阳极电压波形失真。极电压

42、波形失真。三、放大器三、放大器 在输入信号具有伏的量级时，鉴别器已能较好的把信号脉在输入信号具有伏的量级时，鉴别器已能较好的把信号脉冲选出来。而冲选出来。而PMT的输出，约为毫伏量级或稍小的窄脉冲，故的输出，约为毫伏量级或稍小的窄脉冲，故光子计数器对放大器的增益要求不高，只要达到数百至数千倍光子计数器对放大器的增益要求不高，只要达到数百至数千倍就可以了。就可以了。 注意注意：PMT的输出脉冲是很窄的（约为的输出脉冲是很窄的（约为10ns）。为了能保持高）。为了能保持高速计数，放大器的输出脉冲也必须保持原有的宽度，其前后沿速计数，放大器的输出脉冲也必须保持原有的宽度，其前后沿时间应尽量短。故时间

43、应尽量短。故需要宽频带放大器需要宽频带放大器。 如果能找到符合要求的如果能找到符合要求的集成电路放大器芯片集成电路放大器芯片，那么放大器，那么放大器是比较好作的。否则只能用是比较好作的。否则只能用分离元件制作分离元件制作。这时，。这时，首先要选用首先要选用截止频率高的晶体管，其次要尽量减少分布电容和分布电感截止频率高的晶体管，其次要尽量减少分布电容和分布电感。四、脉冲幅度甄别器四、脉冲幅度甄别器 1. 脉冲幅度甄别器的工作方式脉冲幅度甄别器的工作方式 脉冲幅度甄别器的脉冲幅度甄别器的5种工作方式种工作方式：单电平工作方式单电平工作方式、窗方式窗方式、校正方式校正方式、PHA（脉冲高度分析）方式

44、（脉冲高度分析）方式、预定标方式预定标方式。 四、脉冲幅度甄别器四、脉冲幅度甄别器 1. 脉冲幅度甄别器的工作方式脉冲幅度甄别器的工作方式 （1 1）单电平工作方式单电平工作方式：如果输入脉冲幅度高于第一甄别电平如果输入脉冲幅度高于第一甄别电平V V1 1，则甄别器输出一个脉冲，则甄别器输出一个脉冲（注意：不一定是原脉冲幅度）；（注意：不一定是原脉冲幅度）；相反，相反，如果输入脉冲幅度低于第一甄别电平如果输入脉冲幅度低于第一甄别电平V V1 1，则甄别器无，则甄别器无脉冲输出脉冲输出。若将第一甄别电平若将第一甄别电平V V1 1选得略低于入射光子输出的选得略低于入射光子输出的脉冲幅度，则可将大

45、量后级打拿级产生的输出噪声脉冲排出脉冲幅度，则可将大量后级打拿级产生的输出噪声脉冲排出。 （2）窗方式窗方式：在窗方式下，甄别器设置有两个甄别电平：在窗方式下，甄别器设置有两个甄别电平V1和和V2，只有输入脉冲幅度在两个甄别电平之间，甄别器才输出只有输入脉冲幅度在两个甄别电平之间，甄别器才输出一个脉冲一个脉冲。这种方式，。这种方式，要求能把入射光子形成的电脉冲的可要求能把入射光子形成的电脉冲的可能幅度都包括在能幅度都包括在V1和和V2之间之间。这种方式。这种方式可将输入脉冲幅度低可将输入脉冲幅度低于于V1或高于或高于V2的噪声脉冲排出的噪声脉冲排出。 四、脉冲幅度甄别器四、脉冲幅度甄别器 1.

46、 脉冲幅度甄别器的工作方式脉冲幅度甄别器的工作方式（3 3）校正方式校正方式：这种方式是考虑到：这种方式是考虑到脉冲堆积效应脉冲堆积效应而提出的。而提出的。 脉冲堆积效应脉冲堆积效应：是指有的高于：是指有的高于V V2 2幅度的单个脉冲，可能是两幅度的单个脉冲，可能是两个或多个光子同时到达光阴极，或两个或多个光子到达光阴个或多个光子同时到达光阴极，或两个或多个光子到达光阴极时间差小于极时间差小于PMT的渡越时间差时，所形成的现象。为此，的渡越时间差时，所形成的现象。为此，规定若输入脉冲幅度介于规定若输入脉冲幅度介于V V1 1和和V V2 2之间，则甄别器输出一个脉之间，则甄别器输出一个脉冲；

47、若输入脉冲幅度大于冲；若输入脉冲幅度大于V V2 2，则甄别器输出两个脉冲，以修，则甄别器输出两个脉冲，以修正因脉冲堆积而造成的漏计数正因脉冲堆积而造成的漏计数。 （4）PHA方式方式：在这种方式下，：在这种方式下，V1和和V2非常接近，非常接近，V很小且很小且固定，但电压固定，但电压V则从零到最大值以一定的速率扫描则从零到最大值以一定的速率扫描（例如（例如510次次/s）。）。输出接示波器，可看到输出接示波器，可看到PMT完整的脉冲高度分布完整的脉冲高度分布。 四、脉冲幅度甄别器四、脉冲幅度甄别器 1. 脉冲幅度甄别器的工作方式脉冲幅度甄别器的工作方式（5 5）预定标方式预定标方式：这种方式

48、是：这种方式是在计数器速率不太高时，使光在计数器速率不太高时，使光子计数器能工作于高计数速率的方式子计数器能工作于高计数速率的方式。此时，。此时，每输入十个幅每输入十个幅度在度在V1和和V2之间的脉冲，甄别器只输出一个脉冲之间的脉冲，甄别器只输出一个脉冲。所以，计。所以，计数器的计数值是实际数值的十分之一。这样，数器的计数值是实际数值的十分之一。这样，可降低对计数可降低对计数器的计数速率要求器的计数速率要求。 另外，还要求甄别器甄别速度要快，最好完成一次甄别另外，还要求甄别器甄别速度要快，最好完成一次甄别的时间小于的时间小于1010-8-8s s，这样才能测高达，这样才能测高达10107 7个

49、个/s /s的光子流密度。的光子流密度。 2. .甄别器的电路甄别器的电路 最基本的甄别器电路有最基本的甄别器电路有二极管式二极管式、多谐触发器多谐触发器（主要是（主要是施密特触发器施密特触发器）式式、电压比较器式电压比较器式等。等。 四、脉冲幅度甄别器四、脉冲幅度甄别器 2. 2. 甄别器的电路甄别器的电路（1 1）二极管甄别器电路二极管甄别器电路 图图5-10是二极管甄别器电路，是二极管甄别器电路，用于用于甄别负脉冲甄别负脉冲。当输入端无。当输入端无输入或输入脉冲幅度不大（未输入或输入脉冲幅度不大（未考虑负号）时，二极管截止，甄别器无输出；当输入脉冲幅度超考虑负号）时，二极管截止，甄别器无

50、输出；当输入脉冲幅度超过过V时，甄别器有输出。时，甄别器有输出。电路的缺点电路的缺点：输出脉冲幅度决定于输输出脉冲幅度决定于输入脉冲幅度，尤其是刚超过入脉冲幅度，尤其是刚超过V V的输入脉冲，其输出脉冲幅度太的输入脉冲，其输出脉冲幅度太小。另外，分布电容小。另外，分布电容C的存在，可能使高频脉冲的存在，可能使高频脉冲“飞越飞越”到输出到输出端。端。 四、脉冲幅度甄别器四、脉冲幅度甄别器 2. 2. 甄别器的电路甄别器的电路（1 1）二极管甄别器电路二极管甄别器电路 对对5-105-10略加改动，可略加改动，可甄别正脉冲甄别正脉冲，如图，如图5-115-11所示。所示。四、脉冲幅度甄别器四、脉冲