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測光探測器基礎篇

發布時間:2019-01-24 編輯:霍宏偉

    1、模擬法和光子計數法

根據入射到光電倍增管的光強度和輸出處理回路帶寬的處理方法,可以分為模擬法和光子計數法。

當我們改變入射光的強度,用示波器觀察光電倍增管輸出信號時(圖1),可看到在強光范圍內,因光電倍增管輸出信號脈沖間隔狹窄而相互重合成為模擬波形(圖1-(a)(b))。但是,光減弱時,交流成分(起伏)的比例增大,最后成為各個離散的脈沖狀態(圖1-(c))。將這種脈沖式的離散信號,以二進制的形式進行數字計數的方法通常叫做光子計數法。

在模擬測試中是以含有圖1-(a)的交流成分的平均值作為信號,而在光子計數法里,是以圖1-(c)的各脈沖數作為信號。后者可由脈沖高度甄別器將其和噪聲脈沖分離,穩定性好,與模擬法相比優點是信噪比好,特別是在微弱光領域有非常好的效果。


    圖1 在不同光強度下PMT的輸出波形

     

    2、光子計數探測器原理及組成

光子計數探測器是集成了光電倍增管、高壓電源、分壓電路、光子計數電路的???。圖2是光子計數探測器的組成及原理框圖。從光電倍增管輸出的電流脈沖經放大器放大后,比較器甄別出一定閾值以上的脈沖,用脈沖整形器轉換為標準脈沖信號輸出,后續可直接由計數器進行脈沖計數。光子計數探測器中的光電倍增管工作電壓已被設置為最佳狀態,所以只要從外部輸入低壓就能工作。

   

    圖2 光子計數探測器組成及原理框圖

   

    3、性能特性

· 計數靈敏度

計數靈敏度表示的是當某特定波長的光入射時,對應某一光強(pW),光子計數探測器輸出的計數率值。計數靈敏度與量子效率和收集效率直接有關。 

· 計數線性

當光子周期性入射,且周期在光子計數探測器分辨時間內的情況下,理論上能測得的最大光子數為脈沖對分辨率的倒數。光子計數測量通常用于化學發光和生物發光等微弱光測量,在這些應用中,入射光是隨機的狀態。在這種情況下,當光量達到或超過一定值時,計數值會因飽和而不再與入射光量成正比例關系。計數率線性是一個表示計數值相比理論值損失多少的參數,一般規定計數值低于理論值10%時為偏離線性。光子計數探測器的計數率線性特性一般是由內置電路的脈沖對分辨率決定的,但在高計數率時,光電倍增管的時間特性也是重要的因素。

圖3是光子計數探測器脈沖對分辨率為18ns時的典型計數線性特性曲線,當計數損失10%時最大計數率對應的是 6×106s-1 (注:最大線性計數率與線性偏離的定義相關,線性偏離的定義值不同,最大線性計數率也會不同)。

當計數率超過106s-1時,由于脈沖重疊會產生計數誤差。為了提高計數線性,需要采取以下的措施:

①提高電路的脈沖對分辨率

②采用近似的修正公式

圖3展示了采用近似的補正公式的情況下對計數線性的改善。

   

    圖3 計數線性特性曲線(修正前后對比)

     

· 溫度特性

光子計數法是測量閾值以上脈沖個數的方法,所以電源電路的輸出變化和周圍溫度的變化導致的光電倍增管增益變化對光子計數輸出不會產生多大的影響(具有不容易受到影響的特點)。圖4表示的是溫度變化對應的計數值的變化,從圖中可以看出光子計數法的溫度變化率大約是其他方法的一半。

   

    溫度系數的比較

   

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