第四章：光子计数技术
光子计数技术
光子计数技术嘿，朋友们！今天咱来聊聊光子计数技术，这可真是个神奇的玩意儿啊！你想想看，光子就像是一个个小小的光精灵，而光子计数技术呢，就是专门来捕捉和统计这些光精灵的魔法。
这就好比我们在一个热闹的光之派对上，要准确地数清楚有多少个光精灵在蹦跶。
光子计数技术在好多领域都大显身手呢！比如说在医学领域，它就像一个超级侦探，能帮医生们更清楚地看清我们身体内部的情况。
就好像医生有了一双特别厉害的眼睛，能透过层层迷雾看清那些小小的病变或者异常。
这多牛啊！在科学研究中，它也是个得力助手。
科学家们用它来探索那些我们平常看不见摸不着的神秘世界。
就好像给科学家们打开了一扇通往奇妙世界的大门，让他们能发现更多未知的精彩。
而且哦，光子计数技术还特别灵敏。
哪怕是极其微弱的光信号，它都能察觉到。
这就好像它有一双超级敏锐的耳朵，能听到别人听不到的细微声音。
咱再打个比方，光子计数技术就像是一个超级精确的天平，能准确地称出光的重量。
你说神奇不神奇？它能把那些微小的光的变化都给捕捉到，然后告诉我们很多重要的信息。
那它是怎么做到这么厉害的呢？嘿嘿，这可就涉及到一些高深的知识啦！简单来说，就是通过一系列复杂的仪器和算法，把光子一个一个地数清楚。
这可不是个简单的活儿，需要很高的技术和耐心呢！你说要是没有光子计数技术，我们的生活得失去多少精彩和便利啊？很多疾病可能就没那么容易被发现，很多科学研究可能就会遇到阻碍。
所以说啊，光子计数技术真的是太重要啦！咱可别小看了这个看似不起眼的技术，它在背后默默地为我们的生活和科学进步做着巨大的贡献呢！它就像一个默默付出的无名英雄，虽然不被大多数人所熟知，但却无比重要。
怎么样，现在是不是对光子计数技术有了更深的认识和了解呢？是不是觉得它真的很神奇很厉害呢？反正我是这么觉得的！以后再看到那些和光子计数技术相关的东西，可别再一脸茫然啦，咱也能跟别人讲讲这其中的门道呢！。
光子计数技术
单光子探测技术应用： 高分辨率的光谱测量、 非破坏性物质分析、高速现象检测、 精密分析、大气测污、生物发光、 放射探测、高能物理、天文测光、 量子密钥分发系统等领域。
单光子探测器在高技术领域具有重要地位，成为各国光 电子学界重点研究的课题之一 。
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这种技术和模拟检测技术相比有如下优点： ●测量结果受光电探测器的漂移、系统增益变化以及其它
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APD单光子计数具有量子效率高、功耗低、工作频谱范 围大、体积小、工作电压较低等优点。 但是同时也有增益低、噪声大，外围控制电路及热电制 冷电路较复杂等缺点。
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3、真空雪崩光电二极管（VAPD）
针对PMT和APD的缺点，目前开发出一种真空雪崩光电二 极管（VAPD）单光子探测器，它是由光阴极和一个具有大 光敏区面积的半导体硅APD组成。 光阴极和APD之间保持高真空态，光子信号打到光阴极上， 产生光电子，这些光电子在高压电场的作用下加速，然后再 打到APD上。 对于硅APD，这些光电子的能量约为硅禁带能量的2000倍， 这样一个光电子就能产生大于2000对的电子空穴对。在 VAPD中，Si-APD的典型增益为500倍，因而VAPD的增益可 以达到106倍。
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VAPD单光子探测器是一种PMT和APD相结合的产物， 具有许多PMT和APD无法比拟的优点。 其主要特点有：低噪声、动态范围大、分辨率高、抗磁 干扰能力强、探测光谱范围宽等特点。
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三、单光子探测器的现状及其发展
对于可见光探测，光电倍增管有很好的响应度，暗电流 也非常小，很早就用于单光子计数，现在技术已经比较成 熟，市场上也有了不少类似的产品。 随着人们对红外光研究的不断深入，特别是近年来量子 通信技术、量子密码术的研究不断引起各国的重视，对红 外通信波段（850nm、1310nm和1550nm）单光子探测器 的研究尤为迫切。 光电倍增管却显得无能为力，即使是最好的红外光阴极Si阴极，光谱响应到1050nm就已经截止了，仅这一点就排 除了光电倍增管在红外通信波段的应用。
光子计数技术
光子计数技术光子计数技术，是检测极微弱光的有力手段，这一技术是通过分辨单个光子在检测器（光电倍增管）中激发出来的光电子脉冲，把光信号从热噪声中以数字化的方式提取出来。
这种系统具有良好的长时间稳定性和很高的探测灵敏度。
目前，光子技术系统广泛应用于科技领域中的极微弱光学现象的研究和某些工业部分中的分析测量工作，如在天文测光、大气测污、分子生物学、超高分辨率光谱学、非线性光学等现代科学技术领域中，都涉及极微弱光信息的检测问题。
现代光子计数技术的优点是：1．有很高的信噪比。
基本上消除了光电倍增管的高压直流漏电流和各倍增极的热电子发射形成的暗电流所造成的影响。
可以区分强度有微小差别的信号，测量精度很高。
2．抗漂移性很好。
在光子计数测量系统中，光电倍增管增益的变化、零点漂移和其他不稳定因素对计数影响不大，所以时间稳定性好。
3．有比较宽的线性动态范围，最大计数率可达106s-1.4．测量数据以数字显示，并以数字信号形式直接输入计算机进行分析处理。
一．实验的目1．学习光子计数技术的原理，掌握光子计数系统中主要仪器的基本操作。
2．掌握用光子计数系统检测微弱光信号的方法。
了解弱光检测中的一些特殊问题。
二．实验原理（一）光子流量和光流强度光是由光子组成的光子流，光子是一种没有静止质量，但有能量（动量）的粒子。
一个频率为（或波长为）的光子，其能量为（2－8－1）式中普朗克常量，光速（m／s）。
以波长＝6.310m的氦—氖激光为例，一个光子的能量为：=(J)一束单色光的功率等于光子流量乘以光子能量，即（2－8－2）光子的流量R（光子个数／S）为单位时间内通过某一截面的光子数，如果设法测出入射光子的流量R，就可以计算出相应的入射光功率P。
有了一个光子能量的概念，就对微弱光的量级有了明显的认识，例如，对于氦—氖激光器而言，1mW的光功率并不是弱光范畴，因为光功率P=1mW,则光子／S所以，1mW的氦—氖激光，每秒有量级的光子，从光子计数的角度看，如此大量的光子数是很强的光子。
光子计数ct 阿尔兹海默
光子计数ct 阿尔兹海默
光子计数CT（PC-CT）是一种先进的医学影像技术，通过直接探测X射线光子的能量和数量，实现了高灵敏度、高空间分辨率和低噪声的图像重建。
这种技术在阿尔茨海默病（AD）的早期诊断和治疗中可能具有潜在的应用价值。
阿尔茨海默病是一种神经退行性疾病，主要表现为记忆力减退、认知能力下降等症状。
目前，临床上对于阿尔茨海默病的诊断主要依赖于神经心理学测试、脑脊液生物标志物检测和神经影像学检查等方法。
然而，这些方法在早期诊断和疾病进程监测方面仍存在一定的局限性。
光子计数CT技术具有高灵敏度、高空间分辨率和低噪声等优点，能够提供更精确的图像信息。
在阿尔茨海默病的研究中，光子计数CT技术可以用于检测脑内微小结构的变化，如神经元丢失、胶质增生等。
这些变化在阿尔茨海默病的早期阶段就已经发生，因此光子计数CT技术有助于实现早期诊断。
此外，光子计数CT技术还可以用于监测阿尔茨海默病的疾病进程。
通过定期对患者进行光子计数CT扫描，可以观察脑内结构的变化情况，从而评估疾病的严重程度和发展趋势。
这有助于医生制定个性化的治疗方案，提高治疗效果。
总之，光子计数CT技术在阿尔茨海默病的早期诊断和治疗中具有潜在的应用价值。
未来，随着技术的不断发展和完善，相信这一技
术将为阿尔茨海默病的诊疗带来更多的可能性。
微弱信号检测-光子计数技术
第二节 光子计数器中的光电倍增管
PMT挑选的注意事项
• 渡越时间短，渡越时间离散型小，时间常数小。 • 高的量子效率，量子效率与光子能量、窗口及光阴极材料 的特性有关。 • 光子计数器应采取制冷措施以减少阴极的热电子发射，通 常需在-20° C以下工作。 • 在最后二、三个倍增极间并入电容以形成良好的高频特性 传输线。
式中：I a 是阳极直流电流；SNRa 是忽略PMT的热电子或热离子发射及其他倍增极噪声 后的阳极电流信噪比。直流电流I a的散粒噪声即为：2 MqI a f
第一节 光子计数器的原理概述
泊松统计分布，散粒噪声和暗电流（暗计数）
• 实际上，无光子输入时，由于温度影响，光阴极和倍增极 也会发射热电子。这种热载流子发射的速率随光电倍增管 冷却而减小。由光阴极的热发射而产生的计数称为暗计数 ，它不仅随阴极面积的减小而减小，而且还与阴极材料有 关。 • 设阴极发射热电子的速率为Ra , 2 2 则总的标准偏差变为 1 2 Rt R a t 这样光阴极电流的信噪比下降为：
第三节 放大器——鉴别器
一、前置放大器和脉冲高度鉴别器概述 • 鉴别器阈值：用实验获得的脉冲高度分布图来决定。
第三节 放大器——鉴别器
一、前置放大器参数及放大——鉴别器电路
• 前置放大器的主要任务是将光电倍增管输出的窄脉冲（ 10~30ns），低噪声地放大到鉴别器所要求的电平。因此，放 大器的增益与光电倍增管的增益和鉴别电平有关。一般，增益 大约在数百至数千倍，输入阻抗在50~100欧之间。通常选用 50欧，时间常数不至于太大，且便于和传输电缆匹配。
对于泊松分布来说，有：
数学期望：M ( ) Rt 方差：D ( ) 2 Rt 方差的平方根： Rt
光子计数
主要内容
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光子探测器的种类 光子计数器的原理 光子计数系统 光子计数器的测量方法
光子探测器的种类
可以作为光子计数的光电器件有很多，如光电倍增管（PMT）、雪崩二 极管（APD）、增强型光电极管（IPD）、微通道板（MCP）、微球板 （MSP）、真空光电二极管（VAPD）等。下面简单介绍几个光电器件：
计时器C
光子计数器的测量方法
假定两个PMT特性相同，其量子效率为1，T为试验样品的透过率，则计 数器A的值为：
RA N A TR A t T N RC
式中RA/RC是分光镜的分光比，等于一常数。由上式可知，计数器A的 计数值NA与辐射强度的波动无关，从而消除了因辐射源波动而产生的 误差。
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光子计数技术的优点
它与传统的光电流测量法相比，有以下优点： 1. 这一技术是通过分立光子产生的电子脉冲来测量，因此 系统的探测灵敏度高、抗噪声能力强； 2. 大大提高了系统的稳定性；
3. 可以排除光电探测器的漂移、系统增益变化等原因所造 成的测量误差；
4. 输出是数字量，因此可直接与计算机连接，构成自动测 试与数据处理系统；
光子计数系统
右图为典型的脉冲高度分布图： 图中有三个峰值。第一个峰值是 光电倍增管打拿极的热激发和前 脉 置放大器的噪声峰，脉冲数量很 冲 速 大而幅度较小，随脉冲幅度增高 率 /( 脉冲速率减小。第二个峰是单个 计 数 光子打到阴极形成的单光子响应 /s 峰，脉冲数量大而且幅度较噪声 ) 的大。第三个脉冲是双光子堆积 峰。光强很弱时，双光子堆积现 象几乎不会出现，光强很强时还 会出现多光子脉冲重叠现象。
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光子计数技术 Photon-counting technique
《光子计数技术》课件
环境监测
空气质量监测：检 测空气中的PM2.5、 PM10等污染物浓 度
水质监测：检测水 中的COD、BOD 等污染物浓度
土壤监测：检测土 壤中的重金属、农 药残留等污染物浓 度
噪声监测：检测环 境中的噪声强度， 评估噪声污染程度
科学研究
光子计数技术在量子通信中的应用 光子计数技术在量子计算中的应用 光子计数技术在量子测量中的应用 光子计数技术在量子成像中的应用
科研项目实例
量子通信：光子计数技术在量子通信中的应用 生物医学成像：光子计数技术在生物医学成像中的应用 环境监测：光子计数技术在环境监测中的应用 航空航天：光子计数技术在航空航天中的应用
安全检查设备应用
机场安检：用于检测行李中的爆炸物和危险物品 海关检查：用于检测货物中的违禁品和危险品 核电站安全检查：用于检测核辐射和核泄漏 食品药品安全检查：用于检测食品药品中的有害物质和添加剂
2010年代：光子计数技术 在生物医学领域得到应用
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光子计数技术的基本原 理
光子与物质的相互作用
光子与电子的相互作用：光子被电 子吸收，产生光电效应
光子与分子的相互作用：光子被分 子吸收，产生化学反应
添加标题
添加标题
添加标题
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光子与原子核的相互作用：光子被 原子核吸收，产生核反应
光子与物质的相互作用：光子被物 质吸收，产生光子计数信号
02 光子计数技术概述
定义和原理
光子计数技术：一种通过检测光子 数量来测量信号强度的技术
应用：广泛应用于光学、光电子学、 量子信息等领域
添加标题
添加标题添加标题添加 Nhomakorabea题原理：利用光电效应，将光子转换 为电信号，然后通过电子设备进行 计数
光子计数的远程激光测距原理
光子计数的远程激光测距原理光子计数的远程激光测距原理是一种基于激光技术的测距方法。
激光测距技术是一种利用激光束测量目标物体距离的方法，它可以实现非接触式、高精度的测距。
而光子计数则是利用光子计数器对激光光脉冲进行计数，以获得精确的测量结果。
光子计数的远程激光测距原理主要包括以下几个步骤：发射激光、接收激光、光子计数和测距计算。
发射激光。
激光器产生一束激光光束，通过光学系统将激光光束聚焦成一个细小的光点，照射到目标物体上。
接着，接收激光。
目标物体反射部分激光光束，接收器接收到反射光，并将其转换为电信号。
然后，光子计数。
接收到的光信号经过放大和滤波处理后，进入光子计数器。
光子计数器是一种高精度的仪器，它可以对光脉冲进行精确计数。
测距计算。
通过测量发射激光与接收到的反射光之间的时间差，再结合光速的知识，可以准确计算出目标物体与测距设备之间的距离。
光子计数的远程激光测距技术具有许多优点。
首先，它可以实现高精度的测距，测量误差通常在毫米级别。
其次，由于采用激光测距技术，因此可以实现非接触式测量，不会对目标物体造成伤害。
此外，光子计数的远程激光测距技术还具有快速、稳定和可靠的特点，适用于各种工业和科研领域。
光子计数的远程激光测距技术在许多领域都有广泛的应用。
在工业领域，它可以用于机器人导航、自动化生产线的测距和定位等。
在建筑领域，它可以用于室内外测量和建筑物的结构监测。
在地质勘探和测绘领域，它可以用于地形测量和地质灾害预警。
在军事领域，它可以用于目标识别和导弹制导等。
此外，光子计数的远程激光测距技术还可以应用于空间探测、遥感和环境监测等领域。
总结起来，光子计数的远程激光测距原理是一种基于激光技术和光子计数器的测距方法。
它通过发射激光、接收激光、光子计数和测距计算等步骤，实现非接触式、高精度的测距。
该技术具有快速、稳定和可靠的特点，广泛应用于工业、建筑、地质勘探、军事和环境监测等领域。
随着科技的不断进步和应用需求的增加，光子计数的远程激光测距技术将有更广阔的发展前景。
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光子能量 Ep=hν (J) ＝hC/λq (eV) 其中， 其中， ν=C/λ ， ν 是光频， 是光频， h为普朗克常数。 为普朗克常数。 为普朗克常数 光辐射功率 P ＝R Ep （W） ） R：光子速率， ：光子速率， 单位时间内发射的 光子数。 光子数。
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光子计数技术的应用
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光子计数技术的基本过程： 光子计数技术的基本过程： 1. 用光电倍增管检测微弱光的光子流，形成包括噪声 用光电倍增管检测微弱光的光子流， 信号在内的输出光脉冲。 信号在内的输出光脉冲。 2. 利用脉冲幅度鉴别器鉴别噪声脉冲和多光子脉冲， 利用脉冲幅度鉴别器鉴别噪声脉冲和多光子脉冲， 只允许单光子脉冲通过， 只允许单光子脉冲通过， 3. 利用光子脉冲计数器检测光子数，根据测量目的， 利用光子脉冲计数器检测光子数，根据测量目的， 折算出被测参量。 折算出被测参量。 4. 为补偿辐射源或背景噪声的影响，可采用双通道测 为补偿辐射源或背景噪声的影响， 量方法。 量方法。
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光子计数方法的特点： 光子计数方法的特点： 1. 只适用于极微弱光的测量，光子的速率限制在大 只适用于极微弱光的测量， 的功率， 约109/s，相当于 ，相当于1nW的功率，不能测量包括许多 的功率 光子的短脉冲强度。 光子的短脉冲强度。 2. 不论是连续的，斩光的，脉冲的光信号都可以使 不论是连续的，斩光的， 能取得良好的信噪比。 用，能取得良好的信噪比。 3. 为了得到最佳性能，必须选择光电倍增管和装备 为了得到最佳性能， 带制冷器的外罩。 带制冷器的外罩。 4. 不用数模转换即可提供数字输出。 不用数模转换即可提供数字输出。
K hν
D1 R1 R2 D2 Dn Rn
A
V0 Rl
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二．光电倍增管的供电和信号输出电路
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二.光子计数系统框图 稳态光子计数器
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背景补偿系统
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有斩光器的光子计数系统工作波形
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1． 单电平工作， K3打向 端, 上阈值接高电平。 ． 单电平工作， 打向1端 上阈值接高电平。 2． 窗口工作方式 ， K3打向 端。（异或门：相同出 ） 打向1端。（异或门 相同出0） 异或门： ． 3. 校正工作方式， K1,K2合上，K3打向 端 合上， 打向2端 校正工作方式，
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门控光子计数器
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4-2 光子计数器中的光电检测器件比较
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光电倍增管
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2、工作原理 、 光子透过入射窗口入射到光电阴极上。 光子透过入射窗口入射到光电阴极上。 光电阴极的电子受光子激发，离开表面发射到真空中。 光电阴极的电子受光子激发，离开表面发射到真空中。 光电子通过电场加速和电子光学系统聚焦入射到第一倍增极 D1上，倍增极将发射出比入射电子数目更多的二次电子。入 倍增极将发射出比入射电子数目更多的二次电子。 射电子经N 级倍增极倍增后，光电子就放大N次 射电子经 级倍增极倍增后，光电子就放大 次。 经过倍增后的二次电子有阳极A收集起来，形成阳极光电流， 经过倍增后的二次电子有阳极 收集起来，形成阳极光电流， 收集起来 在负载R 上产生信号电压。 在负载 L上产生信号电压。
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4－4光子计数器的测量方法 － 光子计数器的测量方法
一．光子速率的直接测量法
t=N/RC N为计数器 的予置值，RC为时钟发生器的脉冲频率， 为计数器C的予置值 为计数器 的予置值， 为时钟发生器的脉冲频率， 则光速率为： 则光速率为： RA＝NA/t=NA RC /N， NA 为计数器 在t时间内的计数值。 为计数器A在 时间内的计数值 时间内的计数值。 ，
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三. 光子发射的泊松分布
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4－3 放大器－鉴别器 － 放大器－
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二．源补偿测量法
常用于光源的发光强度不十分稳定的情况
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一．结构与原理
1、结构 、 光电倍增管由光窗、光电阴极、电子光学系统、 光电倍增管由光窗、光电阴极、电子光学系统、电子 五个主要部分组成，其外形如图。 倍增系统和阳极等 五个主要部分组成，其外形如图。
聚焦极
管脚
入射光
窗口 光电阴极 电子倍增器 阳极
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