光子計數器是一種基於直接探測量子限理論的極微弱光脈衝檢測設備。它利用光電倍增管的單光子檢測技術，通過對電子計數器鑑別並測量單位時間內的光子數，從而檢測離散微弱光脈衝信號功率。根據對外部擾動的補償方式，光子計數器分為三類：基本型、背景補償型和輻射源補償型。
基本介紹
- 中文名：光子計數器
- 外文名：Photon counter
- 領域：光學
- 屬性：極微弱光脈衝檢測設備
- 分類：基本型、背景補償型等
- 相關名詞：光電倍增管
背景,產品介紹,光子量子特性,組成部分,原理,誤差,泊松統計噪聲,暗計數,脈衝堆積效應,套用研究,
背景
隨著近代科學技術的發展，人們對極微弱光的信息檢測產生越來越濃厚的興趣。單光子探測技術再高解析度的光譜測量，非破壞性物質分析，高速現象檢測，精密分析，大氣測污，生物發光，放射探測，高能物理，天文測光，光時域反射，量子密鑰分發系統等領域有著廣泛套用。
所謂弱光，是指光電流強度比光電倍增管本身在室溫下的熱噪聲水平（10-14W）還要低的光。因此，用通常的直流測量方法，已不能把淹沒在噪聲中的信號提取出來。近年來，由於鎖定放大器在信號頻帶很寬或噪聲與信號有同樣頻譜時就無能為力了，而且它還受模擬積分電路飄移的影響，因此鎖定放大器在弱光測量受到一定的限制。
現代光子計數技術的優點是：有很高的信噪比。基本上消除了光電倍增管的高壓直流漏電流和各倍增極的熱電子發射形成的暗電流所造成的影響。可以區分強度有微小差別的信號，測量精度很高。抗漂移性很好。在光子計數測量系統中，光電倍增管增益的變化、零點漂移和其他不穩定因素對計數影響不大，所以時間穩定性好。有比較寬的線性動態範圍，最大計數率可達測106s-1。量數據以數字顯示，並以數位訊號形式直接輸入計算機進行分析處理。
產品介紹
光子量子特性
光是由光子組成的光子流，光子是靜止質量為零，有一定能量的粒子。一個光子的能量可用下式確定
式中c=3.0×108m/s是真空中的光速，h=6.6×10-34J.S是普朗克常數。光流強度常用光功率表示，單位為W。單色光的光功率可用下式表示
式中R為單位時間通過某一截面的光子數。即只要測得R，就可得到。
組成部分
原理
光電計數器工作時，光電倍增管的光電陰極接受光輻射的照射，在光電倍增光的負載上形成了一系列的電脈衝，把它連線到放大器上。這些脈衝經放大器放大後，加在甄別器的輸入器上，甄別器濾除部分噪音脈衝，只允許那些和光輻射功率成正比的脈衝通過，並送入計數器。
光子計數器的組成（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，在弱光測量中，人們首先選用它人微言輕光信號的探測器件。光電倍增管由光窗、光陰極、倍增極和陽極組成。常用的光電倍增管有盒式結構、直線聚焦結構和百葉窗結構。
光窗：光線或射線射入的視窗，檢測不同的波長的光，應選擇不同的光窗玻璃。
光陰極：這是接受光子產生光電子的電極，它由光電效應機率大而光子逸出功小的材料製造。
倍增極：管內光電子產生倍增的電極，在光電倍增管的光陰極及各倍增極上加有適當的電壓，構成電子光學聚集系統。當光電倍增管光陰極產生的光電子打到倍增極上產生二次電子時，這些電子被聚焦到下一級倍增極上又產生二次電子，因此使管內電子數目倍增。倍增極的數目有8～13個，一般電子放大倍數達106-109。
陽極：這是最後收集電子的電極，經過多次倍增後的電子被陽極收集，形成輸出信號，陽極與末級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，陽極接一個高的正電壓；另一種是陽極經過一個適當的負載電阻接地，而使陰極具有一個高的負電壓。
光電倍增管性能的好壞直接關係到光子計數器能否正常工作。對光電倍增管的主要要求有：光譜回響適合於所用的工作波段，暗電流要小（它決定管子的探測靈敏度）；回響速速度快、後續脈衝效應小及光陰極穩定性高。
光電倍增管結構
光電倍增管的典型輸出脈衝高度分布（2）放大器
放大器把光電倍增管陽極迴路輸出的光電子脈衝及其他的噪聲脈衝線性放大，因而放大器的設計要有利於電子脈衝的形成和傳輸，要求：有一定的增益；上升時間，即放大器的通頻頻寬達100MHz；有較寬的線性動態範圍及低噪聲係數。
放大器的輸出脈衝（3）甄別器
甄別器的作用是棄除低幅度的噪聲脈衝，降低光子計數器的背景計數率，提高檢測結果的信噪比。通過選擇甄別器的第一甄別電平V1和第二甄別電平V2，可實現只將陰極發射而形成的單光子脈衝和熱電子脈衝轉換為標準脈衝參加計數，而扣除掉其他噪聲脈衝。
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V 為允許脈衝通過的閥值時，這種方式稱之為窗式工作方式。V1和V2根據光電倍增管的脈衝幅度分布曲線設定，分別抑制脈衝幅度低的暗噪聲與脈衝幅度高的由宇宙射線和天電干擾等造成的外來干擾脈衝，經過甄別器鑑別的輸出信號是一個幅度與寬度標準化的脈衝，最後通過計數器或定標器記錄，可測得排除大部分噪聲的信號光子數，由於光子信號的半寬度約為10~30ns，因此放大器需要足夠的頻寬，常用的放大器頻寬為100~200MHz，上升及下降時間要求小於3ns，同時放大器還要求有好的線性度（<1%）和良好的增益穩定性，而放大倍數僅需10~200倍即可，計數器要求有較久販計數率，一般為100MHz，和有高的計數容量。
（4）計數器
計數器的主要功能是在規定的測量時間間隔內甄別器輸出的標準脈衝。要求計數器的計數速率達到100MH z。但由於光計數器常用於弱光測量, 其信號計數率極低, 故選用計數速率低於10MHz的計數器(定標器) 也可以滿足要求。
誤差
測量弱光信號最關心的是探測信噪比。因此,必須分析光子計數系統中各種噪聲的來源。
泊松統計噪聲
用光電倍增管探測熱光源發射的光子，相鄰的光子打到光陰極上的時間間隔是隨機的，對於大量粒子的統計結果服從泊松分布。由於這種統計特性，測量到的信號計數中就有一定的不確定度,這種不確定度是一種噪聲，稱統計噪聲。
暗計數
實際上光電倍增管的光陰極和各倍增管極還有熱電子發射，即在沒有入射光時，還有暗計數也稱背景計數。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佳甄別電平等措施使暗計數率Rd降到最小，但對於極微弱的光信號而言，仍是一個不可忽視的噪聲來源。
脈衝堆積效應
光電倍增管具有一定的分辨時間，當在分辨時間內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)，由於它們的時間間隔小於分辨時間，光電倍增管只能輸出一個脈衝，因此光電子脈衝的輸出計數率比單位時間入射到光陰極上的光子數要少；另一方面，甄別器有一定的死時間，在死時間內輸入脈衝時，甄別器輸出計數率也要受到損失，以上現象統稱為脈衝堆積效應。
光子計數器的信噪比，在弱光的條件下，光子到達光陰極具有的統計分布特徵近似地服從泊松分布，也就是說，對於光子流量為R 的光子流，在時間間隔t 內，有n 個光子到達探測器的機率是一定的。總存在熱電子發射等造成的俺計數噪聲。雖然甄別器可以棄除大部分暗電流脈衝，但總還剩餘一些，設其暗計數率為R，光陰極的量根據信噪比的公式，光電倍增管的熱電子發射的內部光子，例子反饋等產生的暗計數率，是決定系統測量動態範圍的下限的主要因素。
套用研究
測量結果受光電倍增管的漂移、系統增益的變化等不穩定因素的影響較小。 基本上消除了光電倍增管高壓直流漏電流和各倍增極的熱發射噪聲的影響，大大提高測量結果的信噪比。 有比較寬的線性動態範圍。 可輸出數位訊號，適合與計算機接口作數字數據處理。採用了光子計數技術，可以把淹沒在背景噪聲的弱光信號提取出來。目前一般的光子計數器探測靈敏度優於10-17W。這是其它探測方法所不能比擬的。單光子探測技術再高解析度的光譜測量，非破壞性物質分析，高速現象檢測，精密分析，大氣測污，生物發光，放射探測，高能物理，天文測光，光時域反射，量子密鑰分發系統等領域有著廣泛套用。
1、光子計數技術在雷射脈衝探測中的套用
無掃描雷射大光場照明時目標處的光強甚弱，通常需要加大雷射器的功率和提高探測器的靈敏度。從探測技術角度探討提高系統探測靈敏度的技術途徑，即將光子計數技術套用於雷射脈衝探測系統。光子計數探測的動態範圍為10 到10 W，回波以離散光子流的形式照射在探測器的光敏面上。當接收系統檢測模超過20 時，光電子統計近似服從泊松分布規律。對於典型的雷射脈衝探測系統，採用最大似然方法估算出探測閾值，並估算出平均探測時間。例如，對10 W回波，估算的積累時間為0.2 ms。針對脈衝探測情況，採用時間門選通多點採樣的數據採集方法和多脈衝預積累相關處理算法。採樣周期與雷射脈衝寬度相等，時間門寬稍小於雷射重複周期。根據探測誤差機率的需要，採用Monte Carlo 算法估算出探測積累的脈衝數和相關計算的參數。初步估算探測時間至少在10 ms 量級。光子計數技術用於雷射脈衝探測可以提高探測靈敏度，增大探測距離。但存在盲區，即近距離回波信號功率較大時，光子計數技術不適用。光子計數探測的閾值光電子數與回波功率有關，因此，需要預先探測或計算出回波功率。數值模擬的結果表明，要獲得高探測機率，就得採用多脈衝積累檢測技術。對於10 kHz 重複周期的雷射探測系統，積累500 個脈衝要耗時50 ms。
2、光子圖像的探測技術
以微通道板像增強器為主的超弱發光圖像探測系統，具有二維光子計數成像功能，可同時獲得有機體超弱發光強度的時間和空間信息。微通道板（MCP）以玻璃薄片為基地，在基片上以數微米到十幾微米的空間周期以六角形周期排布孔徑比空間周期略小的微孔。一塊MCP上約有上百萬微通道，二次電子可以通道壁上碰撞倍增放大，工作原理與光電倍增管相似。特點：大面陣、高時間、空間分辨的電子倍增探測器。
3、超弱發光的醫學套用
反映體內生理狀態荷瘤前後（病變－－正常）心博停止前和心博停止後疾病診斷及癒合評價血液的超弱發光在法醫上的套用。
