# 模拟法和光子计数法

根据入射到光电倍增管的光强度和输出处理回路带宽的处理方法，可以分为模拟法和光子计数法。

当我们改变入射光的强度，用示波器观察光电倍增管输出信号时（图1），可看到在强光范围内，因光电倍增管输出信号脉冲间隔狭窄而相互重合成为模拟波形（图1-(a)(b)）。但是，光减弱时，交流成分(起伏)的比例增大，最后成为各个离散的脉冲状态（图1-(c)）。将这种脉冲式的离散信号，以二进制的形式进行数字计数的方法通常叫做光子计数法。

在模拟测试中是以含有图1-(a)的交流成分的平均值作为信号，而在光子计数法里，是以图1-(c)的各脉冲数作为信号。后者可由脉冲高度甄别器将其和噪声脉冲分离，稳定性好，与模拟法相比优点是信噪比好，特别是在微弱光领域有非常好的效果。

图1 在不同光强度下PMT的输出波形

# 光子计数探测器原理及组成

光子计数探测器是集成了光电倍增管、高压电源、分压电路、光子计数电路的模块。图2是光子计数探测器的组成及原理框图。从光电倍增管输出的电流脉冲经放大器放大后，比较器甄别出一定阈值以上的脉冲，用脉冲整形器转换为标准脉冲信号输出，后续可直接由计数器进行脉冲计数。光子计数探测器中的光电倍增管工作电压已被设置为最佳状态，所以只要从外部输入低压就能工作。

图2 光子计数探测器组成及原理框图

# 性能特性

1、计数灵敏度

计数灵敏度表示的是当某特定波长的光入射时，对应某一光强（pW），光子计数探测器输出的计数率值。计数灵敏度与量子效率和收集效率直接有关。

2、计数线性度

当光子周期性入射，且周期在光子计数探测器分辨时间内的情况下，理论上能测得的最大光子数为脉冲对分辨率的倒数。光子计数测量通常用于化学发光和生物发光等微弱光测量，在这些应用中，入射光是随机的状态。在这种情况下，当光量达到或超过一定值时，计数值会因饱和而不再与入射光量成正比例关系。计数率线性是一个表示计数值相比理论值损失多少的参数，一般规定计数值低于理论值10%时为偏离线性。光子计数探测器的计数率线性特性一般是由内置电路的脉冲对分辨率决定的，但在高计数率时，光电倍增管的时间特性也是重要的因素。 

图3是光子计数探测器脉冲对分辨率为18ns时的典型计数线性特性曲线，当计数损失10%时最大计数率对应的是 6×10⁶s^-1 （注：最大线性计数率与线性偏离的定义相关，线性偏离的定义值不同，最大线性计数率也会不同）。

当计数率超过10⁶s^-1时，由于脉冲重叠会产生计数误差。为了提高计数线性，需要采取以下的措施：

①提高电路的脉冲对分辨率

②采用近似的修正公式

图3展示了采用近似的补正公式的情况下对计数线性的改善。

图3 计数线性特性曲线（修正前后对比）

3、温度特性

光子计数法是测量阈值以上脉冲个数的方法，所以电源电路的输出变化和周围温度的变化导致的光电倍增管增益变化对光子计数输出不会产生多大的影响(具有不容易受到影响的特点)。图4表示的是温度变化对应的计数值的变化，从图中可以看出光子计数法的温度变化率大约是其他方法的一半。

图4 温度系数的比较