光電倍增管模塊的增益原理及光子計數(shù)探頭無增益原因

光電倍增管（PMT）是一種廣泛應(yīng)用的高靈敏度光探測器件。通過調(diào)節(jié)倍增級電壓，可以有效調(diào)節(jié)光電倍增管的增益，即放大倍數(shù)。例如，常見的裸管型號 R928，其工作電壓的調(diào)節(jié)能夠?qū)崿F(xiàn)對放大倍數(shù)的精準控制，二者之間的關(guān)系如下圖所示。

對于常見的光電倍增管模塊，如 H10721，我們同樣可以通過調(diào)節(jié)外部增益電壓來改變模塊的放大倍數(shù)，其調(diào)節(jié)電壓與放大倍數(shù)的關(guān)系如下圖所示：

但是光子計數(shù)探頭同屬于光電倍增管模塊為什么沒有增益調(diào)節(jié)能力？首先，光子計數(shù)探頭模塊不同于常見的光電倍增管模塊，它是在電流型光電倍增管模塊的基礎(chǔ)上增加了如下的光子信號處理電路。

該電路能將單個光子激發(fā)的脈沖信號，經(jīng)過放大、鑒別、整形后輸出對應(yīng)的光子數(shù)邏輯脈沖。所以，我們能夠通過輸出的脈沖數(shù)來進行光子的計數(shù)。

當光電倍增管接收的光亮從一個很強的范圍變到單個光子信號時，光電倍增管的輸出會產(chǎn)生一個很明顯的變化，可以參考下圖：

一般的光電倍增管模塊由于后端沒有信號處理電路，直接輸出就是光電倍增管本身的信號。此時，如果我們對光電倍增管進行增益調(diào)節(jié)，可以有效地放大信號，可以參考下圖：

但是由于光子計數(shù)探頭探測的光強特別微弱，基本都是以單個光子的形式出現(xiàn)，此時光電倍增管的輸出就會如下圖所示，每一個脈沖都代表一個光子信號。此時，如果我們增加對光子計數(shù)探頭的增益，可以顯著提高單光子激發(fā)脈沖的高度，但是對應(yīng)的脈沖個數(shù)沒有發(fā)生變化。也就是說，增加增益不會對光子個數(shù)產(chǎn)生影響。

同時，如果我們增加光子探頭的增益，在放大光子激發(fā)脈沖高度的同時，也會放大噪聲信號，如果放大的噪聲信號超過后面鑒別器的檢測下限，反而會引起由于引入噪聲計數(shù)而導致測量的不準確。所以，光子計數(shù)探頭需要一個合適的增益，在放大微弱信號的同時，還能夠做到噪聲和信號的分離，實現(xiàn)真正的光子信號探測輸出。

如下圖所示，當我們改變光電倍增管的工作電壓時，信噪比會在一段區(qū)間內(nèi)基本保持不變，那我們把這段曲線也稱之為坪特性曲線，在這段范圍內(nèi)，增益的增加對計數(shù)值沒有明顯地增加，所以，一般的光子計數(shù)探頭的增益電壓設(shè)置在坪區(qū)的電壓范圍之內(nèi)，可以得到一個穩(wěn)定的計數(shù)值。

光子計數(shù)探頭不具備增益調(diào)節(jié)能力主要是因為在出廠前我們已經(jīng)將光子計數(shù)探頭的工作電壓設(shè)定在坪區(qū)范圍內(nèi)，單純的調(diào)節(jié)增益只會改變光電倍增管輸出的脈沖高度，而不會導致光子計數(shù)值的增加。同時，如果提高光子計數(shù)探頭的增益，可能會放大噪聲信號，導致背景噪聲值的增加，所以光子計數(shù)探頭不具備增益的調(diào)節(jié)能力。所以，在收到貨后，我們只需要提供供電電壓，光子計數(shù)探頭就可以正常工作了。