光子计数技术
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光谱光子计数ct
光谱光子计数ct一、引言CT（计算机断层扫描）是现代医学中非常重要的诊断工具，它能够提供人体内部的高清图像。
而光谱光子计数CT作为最新的技术，正在改变我们对医学影像的认知。
这种技术具有更高的探测效率和更准确的物质识别能力，使得医学诊断更加精准，治疗效果更加显著。
二、光谱光子计数CT的工作原理光谱光子计数CT与传统CT的主要区别在于其探测和处理光子的方式。
传统CT 通过测量不同角度的X射线衰减来重建图像，而光谱光子计数CT则能够识别不同能量的光子，从而区分不同的物质。
这主要得益于其使用的先进探测器，能够将接收到的X射线光子转换为电信号，并通过算法对这些信号进行分析，以确定光子的能量和来源。
三、光谱光子计数CT的优势1. 更高的物质分辨能力：由于能够识别不同能量的光子，光谱光子计数CT能够区分不同的物质，如钙、硅等，这对于区分肿瘤和其他病变组织非常有帮助。
2. 更高的图像质量：由于采用了更先进的探测器和算法，光谱光子计数CT能够提供更高清、更准确的图像。
3. 更低的辐射剂量：这种技术能够更有效地利用X射线，降低了患者的辐射暴露。
四、光谱光子计数CT的应用前景光谱光子计数CT在很多领域都有广阔的应用前景。
例如，在肿瘤诊断和治疗中，它可以更准确地识别肿瘤的位置和大小，帮助医生制定更精确的治疗计划。
在心血管疾病诊断中，它可以提供更详细的血管结构和功能信息，有助于早期发现和预防心血管疾病。
此外，在神经系统、骨骼系统等领域，光谱光子计数CT也具有广泛的应用前景。
五、结论光谱光子计数CT作为一种新型的医学影像技术，以其高分辨率、高物质分辨能力和低辐射剂量等优点，正逐渐受到医疗界的重视和应用。
未来，随着技术的不断进步和应用领域的不断拓展，我们相信光谱光子计数CT将在医学领域发挥越来越重要的作用，为人类的健康事业作出更大的贡献。
第四章：光子计数技术
God said, Let there be light: and there was light. 一．光子
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。
17
光子计数技术的应用
Prof. Yang, The college of Optic and Electronic Information Engineering, USST
18
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。
Prof. Yang, The college of Optic and Electronic Information Engineering, USST
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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。
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
Prof. Yang, The college of Optic and Electronic Information Engineering, USST
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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。
Prof. Yang, The college of Optic and Electronic Information Engineering, USST
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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。
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！。
第五章-光子计数技术
27
5.光电倍增管的偏置电路
光电倍增管的偏置电路都是用电阻分压器组成如图。
一般总电压Vak在900~2000V之间，由实验确定。 各倍增极电压在80~150V之间。
各倍增极电压的稳定与否将严重地影响光电倍增管的增益G的
稳定性。
K
A
C3 C2 C1
28
分压电阻的选取
为了减小倍增极电流变化带来的倍增极电压不稳，要求各分 压电阻取得适当值以保证流过电阻链的电流IR比最大阳极电流 Iamax大得多。 通常要求
加大电容将使脉冲变小变宽； 加大电阻则将使脉冲变大变宽，均 不符合光子计数的要求。
26
在正常的RaCa情况下，阳极电压的幅度为
Va I a Ra 8(A) 50() 0.4(mV )
注意，这个数据是以光电倍增管的增益G=106为例计算得出的，不同 的光电倍增管，其增益G是不同的，且G与偏置电压有关。 为了使得光子计数器的光电倍增管正常地工作，获得稳定的增益G并 使阳极输出电压有最大的信噪比和窄的脉冲高度，必须设计合理的偏 置电路。
20
渡越时间离散的影响
阳极电流脉冲的宽度：阳极电流脉冲的形状中，tw为光电流脉 冲的半宽度，即幅度下降至一半时所对应的脉宽。
阳极电流脉冲的宽度与渡越时间离散程度成正比，越宽就越 容易产生交叠。目前，用于光子计数的光电倍增管的输出阳极 电流脉冲半宽度约为10－30ns。
为了充分利用光电倍增管的响应速度，光电倍增管的电路时
18
1.光电倍增管的工作原理回顾
光电倍增管是利用外光电效应把入射光子转变为光电 信号的探测器。 光电倍增管的结构示意图如图所示。
D2 D4 D6 D8 D10
D1 D3 D5 D7 D 9
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5.光电倍增管的偏置电路
光电倍增管的偏置电路都是用电阻分压器组成如图。
一般总电压Vak在900~2000V之间，由实验确定。 各倍增极电压在80~150V之间。
各倍增极电压的稳定与否将严重地影响光电倍增管的增益G的
稳定性。
K
A
C3 C2 C1
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分压电阻的选取
为了减小倍增极电流变化带来的倍增极电压不稳，要求各分 压电阻取得适当值以保证流过电阻链的电流IR比最大阳极电流 Iamax大得多。 通常要求
加大电容将使脉冲变小变宽； 加大电阻则将使脉冲变大变宽，均 不符合光子计数的要求。
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在正常的RaCa情况下，阳极电压的幅度为
Va I a Ra 8(A) 50() 0.4(mV )
注意，这个数据是以光电倍增管的增益G=106为例计算得出的，不同 的光电倍增管，其增益G是不同的，且G与偏置电压有关。 为了使得光子计数器的光电倍增管正常地工作，获得稳定的增益G并 使阳极输出电压有最大的信噪比和窄的脉冲高度，必须设计合理的偏 置电路。
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渡越时间离散的影响
阳极电流脉冲的宽度：阳极电流脉冲的形状中，tw为光电流脉 冲的半宽度，即幅度下降至一半时所对应的脉宽。
阳极电流脉冲的宽度与渡越时间离散程度成正比，越宽就越 容易产生交叠。目前，用于光子计数的光电倍增管的输出阳极 电流脉冲半宽度约为10－30ns。
为了充分利用光电倍增管的响应速度，光电倍增管的电路时
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1.光电倍增管的工作原理回顾
光电倍增管是利用外光电效应把入射光子转变为光电 信号的探测器。 光电倍增管的结构示意图如图所示。
D2 D4 D6 D8 D10
D1 D3 D5 D7 D 9
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光子计数技术.ppt
单光子探测技术的应用领域： • 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、光时域反射、 • 量子密钥分发系统等。 由于单光子探测器在高技术领域的重要地位， 已经成为各国光电子学界重点研究的课题之一
单光子探测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 及其它不稳定因素的影响较小； ●消除了探测器的大部分热噪声的影响，大大提高 了测量结果的信噪比； ●有比较宽的线性动态区； ●输出数字信号，适合与计算机接口连接进行数字 数据处理。
• 假设每个倍增极的倍增系数是相等的。 若m的取值范围按3~6计，n按9~14计， 则光电倍增管的增益G可高达7.8×1010， 一般为105~108之间。
4 PMT阳极电流脉冲与输出电压脉冲的计算
光电倍增管吸收一个光子后， 在阳极形成一个电流脉冲， 则其形状如图（b）所示。
图a为电荷累积的时间宽度，
光子计数技术概述
• 单光子探测技术是一种极微弱光探测法
所探测的光强度比光电传感器本身在室温下的 热噪声水平（10-14W）还要低，
用通常的直流检测方法不能把这种湮没在噪声 中的信号提取出来。
• 单光子计数方法利用弱光照射下光子探测器输 出电信号自然离散的特点，采用脉冲甄别技术 和数字计数技术把极其微弱的光信号识别并提 取出来。
• 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。
• 这种单光子探测器的出现，对人们探索 高技术领域将起到积极的推动作用。
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。
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
1 2 3 4
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。
LOGO
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。
LOGO
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
03
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
添加标题
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
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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。
6
1.光电倍增管（PMT）单光子探测器
单光子探测需要的光电倍增管要求增益高、暗电流小、 噪声低、时间分辨率高、量子效率高、较小的上升和下 降时间。 特点： 具有高的增益（104～107）； 大光敏面积； 低噪声等效功率（NEP）； 体积庞大、量子效率低下、反向偏压高； 仅能够工作在UV和可见光谱范围内； 抗外部磁场能力较差。
不稳定因素的影响较小； ●消除了探测器的大部分热噪声的影响，大大提高了测量
结果的信噪比； ●有比较宽的线性动态区； ●输出数字信号，适合与计算机接口连接进行数字数据处
理。
5
二、单光子计数的光电器件
可用来作为单光子计数的光电器件有许多种， 光电倍增管（PMT）、 雪崩光电二极管（APD）、 增强型光电二极管（IPD）、 微通道板（MCP）、 微球板（MSP） 真空光电二极管（VAPD）
14
目前对单光子探测器将主要从两个方面去研究 一方面，研制和开发有高灵敏度新型结构的光探测器； 另一方面，研究和改进探测器的外围控制驱动技术，利 用现有的探测器进行单光子探测。
15
四、PMT单光子计数器的组成
PMT
制
高
冷
压
器
源
放大器
鉴别器
计数器A
计数率RBБайду номын сангаас时钟
控 制
计数器B
显示
启 动
单光子计数器由光电倍增管（PMT），前置放大器， 幅度鉴别器和计数器构成。 高压电源来是PMT正常工作；PMT必须配备制冷器以 减少阴极的热电子发射。
7
2、雪崩光电二极管（APD）
雪崩光电二极管不同于光电倍增管，它是一种建立在内光 电效应基础上的光电器件。 雪崩光电二极管具有内部增益和放大的作用，一个光子可 以产生10~100对光生电子空穴对，从而能够在器件内部产生 很大的增益。
8
目前应用的APD主要有三种，即 Si-APD、Ge-APD和InGaAs-APD。它们分别对应不同 的波长。 Si-APD主要工作在400nm～1100nm， Ge-APD在800nm～1550nm， InGaAs-APD则在900nm～1700nm。 已经有了相关的报道：在光通信三个波段（即850nm、 1310nm和1550nm）的单光子探测器用于量子密钥系统。
13
在850nm波段，考虑到光电倍增管工作电压很高和使用维 护的复杂程度，在实际应用中人们还是选用Si-APD雪崩光 电二极管。 现在对Si的研究已经趋于成熟，Si-APD也已经有了比较 好的制造工艺。国外已经有公司开发出了专门针对850nm 单光子探测的商用Si-APD。 在1310nm和1550nm波段， Si-APD已经不能用于进行单 光子探测了，一般选用InGaAs-APD，但由于制造工艺的 问题，目前还没有专门针对单光子探测的商用InGaAsAPD。目前对这两个波段的单光子探测一般都是关于利用 现有针对光纤通信的商用APD，通过优化外围驱动电路， 改善工作环境，使其达到单光子探测的目的。
光子计数器
1
光子计数器
1 概述 2 光电倍增管及偏置电路与接地方式 3 光子计数过程中的噪声 4 光子计数器中的放大器 5 光子计数器测量弱光的上限 6 光子计数器中的鉴别器 7 光电倍增管的单光子响应峰 8 光电倍增管的计数坪区——最佳偏压的选择
2
1 概述
一、单光子计数技术 利用弱光照射下光电探测器输出电信号自然离散的特点， 采用脉冲甄别技术和数字计数技术把极其微弱的信号识别并 提取出来。 单光子计数探测技术是一种极微弱光探测法。 它所探测的光的光电流强度比光电检测器本身在室温下的 热噪声水平（10-14W）还要低，用通常的直流检测方法不能 把这种湮没在噪声中的信号提取出来。
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PMT单光子计数系统工作原理
PMT接受光辐射； 阳极产生电流脉冲并经过阳极负载输出； 经过放大器信号放大后送到鉴别器； 鉴别器通过设置第一鉴别电平和第二鉴别电平来减少暗 电流和干扰； 计数器计得信号脉冲的个数并显示出来。
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2 光电倍增管及偏置电路与接地方式
光电倍增管是光子计数器的核心部体，它将接收到的一 个一个光子转变为电脉冲信号。 要使光电倍增管正常工作，必须配备致冷器和高压电源。 并不是所有的光电倍增管都适于制作光子计数器。对用 于光子计数器的光电倍增管有一些特殊的要求。
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。
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1.光电倍增管（PMT）单光子探测器
单光子探测需要的光电倍增管要求增益高、暗电流小、 噪声低、时间分辨率高、量子效率高、较小的上升和下 降时间。 特点： 具有高的增益（104～107）； 大光敏面积； 低噪声等效功率（NEP）； 体积庞大、量子效率低下、反向偏压高； 仅能够工作在UV和可见光谱范围内； 抗外部磁场能力较差。
不稳定因素的影响较小； ●消除了探测器的大部分热噪声的影响，大大提高了测量
结果的信噪比； ●有比较宽的线性动态区； ●输出数字信号，适合与计算机接口连接进行数字数据处
理。
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二、单光子计数的光电器件
可用来作为单光子计数的光电器件有许多种， 光电倍增管（PMT）、 雪崩光电二极管（APD）、 增强型光电二极管（IPD）、 微通道板（MCP）、 微球板（MSP） 真空光电二极管（VAPD）
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目前对单光子探测器将主要从两个方面去研究 一方面，研制和开发有高灵敏度新型结构的光探测器； 另一方面，研究和改进探测器的外围控制驱动技术，利 用现有的探测器进行单光子探测。
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四、PMT单光子计数器的组成
PMT
制
高
冷
压
器
源
放大器
鉴别器
计数器A
计数率RBБайду номын сангаас时钟
控 制
计数器B
显示
启 动
单光子计数器由光电倍增管（PMT），前置放大器， 幅度鉴别器和计数器构成。 高压电源来是PMT正常工作；PMT必须配备制冷器以 减少阴极的热电子发射。
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2、雪崩光电二极管（APD）
雪崩光电二极管不同于光电倍增管，它是一种建立在内光 电效应基础上的光电器件。 雪崩光电二极管具有内部增益和放大的作用，一个光子可 以产生10~100对光生电子空穴对，从而能够在器件内部产生 很大的增益。
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目前应用的APD主要有三种，即 Si-APD、Ge-APD和InGaAs-APD。它们分别对应不同 的波长。 Si-APD主要工作在400nm～1100nm， Ge-APD在800nm～1550nm， InGaAs-APD则在900nm～1700nm。 已经有了相关的报道：在光通信三个波段（即850nm、 1310nm和1550nm）的单光子探测器用于量子密钥系统。
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在850nm波段，考虑到光电倍增管工作电压很高和使用维 护的复杂程度，在实际应用中人们还是选用Si-APD雪崩光 电二极管。 现在对Si的研究已经趋于成熟，Si-APD也已经有了比较 好的制造工艺。国外已经有公司开发出了专门针对850nm 单光子探测的商用Si-APD。 在1310nm和1550nm波段， Si-APD已经不能用于进行单 光子探测了，一般选用InGaAs-APD，但由于制造工艺的 问题，目前还没有专门针对单光子探测的商用InGaAsAPD。目前对这两个波段的单光子探测一般都是关于利用 现有针对光纤通信的商用APD，通过优化外围驱动电路， 改善工作环境，使其达到单光子探测的目的。
光子计数器
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光子计数器
1 概述 2 光电倍增管及偏置电路与接地方式 3 光子计数过程中的噪声 4 光子计数器中的放大器 5 光子计数器测量弱光的上限 6 光子计数器中的鉴别器 7 光电倍增管的单光子响应峰 8 光电倍增管的计数坪区——最佳偏压的选择
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1 概述
一、单光子计数技术 利用弱光照射下光电探测器输出电信号自然离散的特点， 采用脉冲甄别技术和数字计数技术把极其微弱的信号识别并 提取出来。 单光子计数探测技术是一种极微弱光探测法。 它所探测的光的光电流强度比光电检测器本身在室温下的 热噪声水平（10-14W）还要低，用通常的直流检测方法不能 把这种湮没在噪声中的信号提取出来。
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PMT单光子计数系统工作原理
PMT接受光辐射； 阳极产生电流脉冲并经过阳极负载输出； 经过放大器信号放大后送到鉴别器； 鉴别器通过设置第一鉴别电平和第二鉴别电平来减少暗 电流和干扰； 计数器计得信号脉冲的个数并显示出来。
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2 光电倍增管及偏置电路与接地方式
光电倍增管是光子计数器的核心部体，它将接收到的一 个一个光子转变为电脉冲信号。 要使光电倍增管正常工作，必须配备致冷器和高压电源。 并不是所有的光电倍增管都适于制作光子计数器。对用 于光子计数器的光电倍增管有一些特殊的要求。