单光子计数系统甄别电压的确定

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摘要：在光电倍增管理论的基础上，通过实验确定单光子计数系统的甄别电压，研究外界因素对单光子计数系统信噪比的影响，运用Matlab软件对实验数据进行曲线拟合，得出了相应的结论。

关键词：甄别电压 单光子计数 信噪比

中图分类号：TN152 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2012）11-0053-02

1、引言

随着生物医学检测技术的发展，在弱光检测领域，对光信号功率要求越来越低，信噪比要求越来越高，当光电流强度比在室温下的热噪声水平（10-14W）低时，如何把这种淹没在噪声中的光信号从噪声中提取出来是一个至关重要的问题，尤其是在光子计数率很低的时候。本文从实验方面间接的确定单光子计数器的甄别电压，通过实验和曲线拟合证明了改变这些参数时信噪比的变化。

2、单光子计数系统的基本原理

单光子计数系统的原理框图如图1所示

当入射到光电倍增管的光信号经过倍增后，形成了光子脉冲输出，然后在经过前置放大器对光子脉冲进行放大，通常情况下，光电倍增管的噪声脉冲比单光子脉冲的幅度小，因此，利用甄别电路把噪声脉冲和单光子脉冲区分开来，是至关重要的，当输入脉冲电压高于甄别电压V时，甄别器输出标准的脉冲，当输入脉冲低于甄别电压时，甄别器无输出。

3、实验研究

影响单光子计数系统的光子计数的因素有很多，其中阴极电压、积分时间、阈值、输入功率以及有无光照，均能影响光子计数。分别从改变输入光功率、积分时间等方面观察对光子计数率与信噪比的影响，用Matlab曲线拟合判断光子计数率与功率、信噪比与积分时间之间的关系，最后分别改变积分时间、阴极电压、入射光功率P观察其对甄别电压的影响。

为了不致引起混淆，作以下规定：光电倍增管接收到的光功率简称接收光功率P，光功率计测出的入射光功率简称入射光功率P，噪声计数用N表示，信号计数用N表示，噪声计数和信号计数的总计数为光子计数N。

3.1　实验测得光计数率R与理论光计数率R的关系

如图2所示，当没有噪声计数时，光子计数率R与接收光功率P成线性关系，即R=ηP/，当光电倍增管的接收光功率很小时，噪声计数占多数，实际光子计数率大于理论光子计数率，当光功率增大时，光电倍增管的输出脉冲会出现重叠现象，即脉冲堆积效应，实际光子计数率小于理论光子计数率，所以，实际光子计数率与接收光功率P不能成线性关系。

3.2　光子计数器的信噪比

用光电倍增管探测光子数量，发射的光子在时间上服从泊松分布，也就是说在探测到上一个光子后的时间间隔t内，探测到n个光子的概率为P（n，t）==，其中，η是光电倍增管的量子计数效率，R是光子平均流量，N是在时间间隔t内光电倍增管阴极发射的光电子平均数。由泊松分布的标准偏差得到：，这个偏差值反应光信号的涨落，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SNR为：SNR=　=，可见，测量结果的信噪比SNR正比于测量时间间隔t的平方根。

实际上，光电倍增管的光阴极和各倍增极还有热电子发射，即在没有入射光时，仍有暗记数，当用扣除背景计数工作方式时，SNR==，当信号计数N小于噪声计数N时，信噪比小于1，此时测量无意义，当SNR=1时，对应的接收信号功率P即为仪器的探测灵敏度。由以上分析可知，在弱光测量中，为获得一定得信噪比，可增加测量时间间隔t。

3.3　最佳甄别电压

取积分时间相同为1000ms，选用透光率相同的减光片，接收光功率分别取为1.91×10-13W，1.65×10-13W，1.93×10-13W，2.26×10-13W，2.61×10-13W，试验曲线如图3，4所示。

从图3可以看出，接收光功率不同时，最佳甄别电压大致相同，为11V，即最佳甄别电压不随接收光功率的改变而改变，同时，噪声计数和信号计数均随接收光功率的增大而增大，并且呈现出一定的比例的增大。

当光功率恒定取2.26×10-13W时，通过改变积分时间，来验证微分曲线，分别取积分时间为500ms，1000ms，1500ms，2000ms，2500ms，试验曲线如图4所示；从图4可以看出，积分时间不同时，最佳甄别电压大致相同，为11V，即最佳甄别电压不随采样间隔与积分时间的改变而改变，同时，噪声计数和信号计数均随接收光功率的增大而增大，并且呈现出一定的比例的增大。

4、结语

在单光子计数实验中，运用MATLAB软件对实验数据进行拟合，发现最佳甄别电压不随外界光功率和积分时间的变化而变化，同时，增大光功率，延长积分时间均能增大信噪比。所以可以将有用信号和噪声信号同时放大，通过微分曲线能够更加明显的显示出最佳甄别电压，同时也增大了信噪比。

参考文献

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