Εισαγωγή, τύπος καταμέτρησης φωτονίωνγραμμικός φωτοανιχνευτής χιονοστιβάδας
Η τεχνολογία καταμέτρησης φωτονίων μπορεί να ενισχύσει πλήρως το σήμα φωτονίων για να ξεπεράσει τον θόρυβο ανάγνωσης των ηλεκτρονικών συσκευών και να καταγράψει τον αριθμό των φωτονίων που εξάγονται από τον ανιχνευτή σε μια συγκεκριμένη χρονική περίοδο χρησιμοποιώντας τα φυσικά διακριτά χαρακτηριστικά του ηλεκτρικού σήματος εξόδου του ανιχνευτή υπό ασθενή ακτινοβολία φωτός και να υπολογίσει τις πληροφορίες του μετρούμενου στόχου σύμφωνα με την τιμή του φωτονόμετρου. Προκειμένου να επιτευχθεί εξαιρετικά ασθενής ανίχνευση φωτός, έχουν μελετηθεί πολλά διαφορετικά είδη οργάνων με δυνατότητα ανίχνευσης φωτονίων σε διάφορες χώρες. Μια φωτοδίοδος χιονοστιβάδας στερεάς κατάστασης (Φωτοανιχνευτής APD) είναι μια συσκευή που χρησιμοποιεί το εσωτερικό φωτοηλεκτρικό φαινόμενο για την ανίχνευση φωτεινών σημάτων. Σε σύγκριση με τις συσκευές κενού, οι συσκευές στερεάς κατάστασης έχουν προφανή πλεονεκτήματα στην ταχύτητα απόκρισης, την καταμέτρηση σκότους, την κατανάλωση ενέργειας, τον όγκο και την ευαισθησία στο μαγνητικό πεδίο, κ.λπ. Οι επιστήμονες έχουν διεξάγει έρευνα βασισμένη στην τεχνολογία απεικόνισης καταμέτρησης φωτονίων APD στερεάς κατάστασης.
Συσκευή φωτοανιχνευτή APDΔιαθέτει δύο λειτουργίες λειτουργίας, τη λειτουργία Geiger (GM) και τη γραμμική λειτουργία (LM). Η τρέχουσα τεχνολογία απεικόνισης μέτρησης φωτονίων APD χρησιμοποιεί κυρίως τη συσκευή APD λειτουργίας Geiger. Οι συσκευές APD λειτουργίας Geiger έχουν υψηλή ευαισθησία στο επίπεδο ενός φωτονίου και υψηλή ταχύτητα απόκρισης δεκάδων νανοδευτερολέπτων για να επιτύχουν υψηλή χρονική ακρίβεια. Ωστόσο, η λειτουργία APD λειτουργίας Geiger παρουσιάζει ορισμένα προβλήματα, όπως ο νεκρός χρόνος ανιχνευτή, η χαμηλή απόδοση ανίχνευσης, το μεγάλο οπτικό σταυρόλεξο και η χαμηλή χωρική ανάλυση, επομένως είναι δύσκολο να βελτιστοποιηθεί η αντίφαση μεταξύ του υψηλού ποσοστού ανίχνευσης και του χαμηλού ποσοστού ψευδών συναγερμών. Οι μετρητές φωτονίων που βασίζονται σε σχεδόν αθόρυβες συσκευές APD HgCdTe υψηλού κέρδους λειτουργούν σε γραμμική λειτουργία, δεν έχουν περιορισμούς νεκρού χρόνου και παρεμβολών, δεν έχουν μεταπαλμούς που σχετίζονται με τη λειτουργία Geiger, δεν απαιτούν κυκλώματα απόσβεσης, έχουν εξαιρετικά υψηλό δυναμικό εύρος, ευρύ και ρυθμιζόμενο εύρος φασματικής απόκρισης και μπορούν να βελτιστοποιηθούν ανεξάρτητα για απόδοση ανίχνευσης και ρυθμό ψευδών μετρήσεων. Ανοίγει ένα νέο πεδίο εφαρμογής στην απεικόνιση καταμέτρησης φωτονίων με υπέρυθρη ακτινοβολία, αποτελεί μια σημαντική κατεύθυνση ανάπτυξης των συσκευών καταμέτρησης φωτονίων και έχει ευρείες προοπτικές εφαρμογής στην αστρονομική παρατήρηση, την επικοινωνία ελεύθερου χώρου, την ενεργητική και παθητική απεικόνιση, την παρακολούθηση κροσσών και ούτω καθεξής.
Αρχή της καταμέτρησης φωτονίων σε συσκευές HgCdTe APD
Οι συσκευές φωτοανιχνευτών APD που βασίζονται σε υλικά HgCdTe μπορούν να καλύψουν ένα ευρύ φάσμα μηκών κύματος και οι συντελεστές ιονισμού ηλεκτρονίων και οπών είναι πολύ διαφορετικοί (βλ. Σχήμα 1 (α)). Εμφανίζουν έναν μηχανισμό πολλαπλασιασμού ενός μόνο φορέα εντός του μήκους κύματος αποκοπής 1,3~11 µm. Δεν υπάρχει σχεδόν καθόλου υπερβολικός θόρυβος (σε σύγκριση με τον υπερβολικό συντελεστή θορύβου FSi~2-3 των συσκευών Si APD και τον FIII-V~4-5 των συσκευών της οικογένειας III-V (βλ. Σχήμα 1 (β)), έτσι ώστε ο λόγος σήματος προς θόρυβο των συσκευών σχεδόν να μην μειώνεται με την αύξηση του κέρδους, που είναι ένα ιδανικό υπέρυθρο φάσμα.φωτοανιχνευτής χιονοστιβάδας.
ΣΧ. 1 (α) Σχέση μεταξύ του λόγου του συντελεστή ιονισμού κρούσης του υλικού τελλουριδίου υδραργύρου-καδμίου και του συστατικού x του Cd· (β) Σύγκριση του συντελεστή υπερβολικού θορύβου F των συσκευών APD με διαφορετικά συστήματα υλικών
Η τεχνολογία καταμέτρησης φωτονίων είναι μια νέα τεχνολογία που μπορεί να εξάγει ψηφιακά οπτικά σήματα από θερμικό θόρυβο, αναλύοντας τους φωτοηλεκτρονικούς παλμούς που παράγονται από έναφωτοανιχνευτήςμετά τη λήψη ενός μόνο φωτονίου. Δεδομένου ότι το σήμα χαμηλού φωτισμού είναι περισσότερο διασκορπισμένο στο χρονικό πεδίο, το ηλεκτρικό σήμα που εξάγεται από τον ανιχνευτή είναι επίσης φυσικό και διακριτό. Σύμφωνα με αυτό το χαρακτηριστικό του ασθενούς φωτός, οι τεχνικές ενίσχυσης παλμών, διάκρισης παλμών και ψηφιακής μέτρησης χρησιμοποιούνται συνήθως για την ανίχνευση εξαιρετικά ασθενούς φωτός. Η σύγχρονη τεχνολογία μέτρησης φωτονίων έχει πολλά πλεονεκτήματα, όπως υψηλό λόγο σήματος προς θόρυβο, υψηλή διάκριση, υψηλή ακρίβεια μέτρησης, καλή αντι-μετατόπιση, καλή χρονική σταθερότητα και μπορεί να εξάγει δεδομένα στον υπολογιστή με τη μορφή ψηφιακού σήματος για επακόλουθη ανάλυση και επεξεργασία, η οποία είναι απαράμιλλη από άλλες μεθόδους ανίχνευσης. Προς το παρόν, το σύστημα μέτρησης φωτονίων έχει χρησιμοποιηθεί ευρέως στον τομέα των βιομηχανικών μετρήσεων και της ανίχνευσης χαμηλού φωτισμού, όπως η μη γραμμική οπτική, η μοριακή βιολογία, η φασματοσκοπία εξαιρετικά υψηλής ανάλυσης, η αστρονομική φωτομετρία, η μέτρηση της ατμοσφαιρικής ρύπανσης κ.λπ., τα οποία σχετίζονται με την απόκτηση και ανίχνευση ασθενών φωτεινών σημάτων. Ο φωτοανιχνευτής χιονοστιβάδας τελλουριδίου υδραργύρου-καδμίου δεν έχει σχεδόν καθόλου υπερβολικό θόρυβο, καθώς το κέρδος αυξάνεται, ο λόγος σήματος προς θόρυβο δεν μειώνεται και δεν υπάρχει περιορισμός νεκρού χρόνου και μεταπαλμού που να σχετίζεται με τις συσκευές χιονοστιβάδας Geiger, κάτι που είναι πολύ κατάλληλο για εφαρμογή στην καταμέτρηση φωτονίων και αποτελεί σημαντική κατεύθυνση ανάπτυξης των συσκευών καταμέτρησης φωτονίων στο μέλλον.
Ώρα δημοσίευσης: 14 Ιανουαρίου 2025