Εισαγωγή, τύπος μέτρησης φωτονίωνγραμμικός φωτοανιχνευτής χιονοστιβάδας
Η τεχνολογία μέτρησης 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 ορισμένη χρονική περίοδο χρησιμοποιώντας τα φυσικά διακριτά χαρακτηριστικά του ηλεκτρικού σήματος εξόδου του ανιχνευτή υπό ακτινοβολία ασθενούς φωτός , και υπολογίστε τις πληροφορίες του μετρούμενου στόχου σύμφωνα με την τιμή του φωτονόμετρου. Προκειμένου να πραγματοποιηθεί η εξαιρετικά αδύναμη ανίχνευση φωτός, πολλά διαφορετικά είδη οργάνων με ικανότητα ανίχνευσης φωτονίων έχουν μελετηθεί 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, τον αριθμό σκούρων, την κατανάλωση ενέργειας, την ευαισθησία όγκου και μαγνητικού πεδίου κ.λπ. Οι επιστήμονες έχουν πραγματοποιήσει έρευνα με βάση την τεχνολογία απεικόνισης μέτρησης φωτονίων APD στερεάς κατάστασης.
Συσκευή φωτοανιχνευτή APDέχει λειτουργία Geiger (GM) και γραμμική λειτουργία (LM) δύο λειτουργίες εργασίας, η τρέχουσα τεχνολογία απεικόνισης μέτρησης φωτονίων APD χρησιμοποιεί κυρίως συσκευή APD λειτουργίας Geiger. Οι συσκευές APD σε λειτουργία Geiger έχουν υψηλή ευαισθησία στο επίπεδο ενός φωτονίου και υψηλή ταχύτητα απόκρισης δεκάδων νανοδευτερόλεπτων για να αποκτήσουν υψηλή ακρίβεια χρόνου. Ωστόσο, η λειτουργία Geiger APD έχει ορισμένα προβλήματα όπως ο νεκρός χρόνος ανίχνευσης, η χαμηλή απόδοση ανίχνευσης, το μεγάλο οπτικό σταυρόλεξο και η χαμηλή χωρική ανάλυση, επομένως είναι δύσκολο να βελτιστοποιηθεί η αντίφαση μεταξύ του υψηλού ρυθμού ανίχνευσης και του χαμηλού ρυθμού ψευδών συναγερμών. Οι μετρητές φωτονίων που βασίζονται σε σχεδόν αθόρυβες συσκευές υψηλής απολαβής HgCdTe APD λειτουργούν σε γραμμική λειτουργία, δεν έχουν περιορισμούς νεκρού χρόνου και crosstalk, δεν έχουν μεταπαλμό που να σχετίζεται με τη λειτουργία Geiger, δεν απαιτούν κυκλώματα σβέσης, έχουν εξαιρετικά υψηλό δυναμικό εύρος, ευρεία και ρυθμίσιμο εύρος φασματικής απόκρισης και μπορεί να βελτιστοποιηθεί ανεξάρτητα για αποτελεσματικότητα ανίχνευσης και λανθασμένο ρυθμό καταμέτρησης. Ανοίγει ένα νέο πεδίο εφαρμογής απεικόνισης μέτρησης υπέρυθρων φωτονίων, είναι μια σημαντική κατεύθυνση ανάπτυξης συσκευών μέτρησης φωτονίων και έχει ευρείες προοπτικές εφαρμογής στην αστρονομική παρατήρηση, την επικοινωνία ελεύθερου χώρου, την ενεργητική και παθητική απεικόνιση, την παρακολούθηση περιθωρίων κ.λπ.
Αρχή μέτρησης 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 των ηλεκτρονίων και των οπών είναι πολύ διαφορετικοί (βλ. Εικόνα 1 (α)). Παρουσιάζουν έναν μηχανισμό πολλαπλασιασμού ενός φορέα εντός του μήκους κύματος αποκοπής 1,3~11 μm. Δεν υπάρχει σχεδόν καθόλου υπερβολικός θόρυβος (σε σύγκριση με τον συντελεστή υπερβολικού θορύβου FSi~2-3 των συσκευών Si APD και FIII-V~4-5 των συσκευών της οικογένειας III-V (βλ. Εικόνα 1 (β)), έτσι ώστε το σήμα Η αναλογία προς θόρυβο των συσκευών σχεδόν δεν μειώνεται με την αύξηση του κέρδους, που είναι ένα ιδανικό υπέρυθροφωτοανιχνευτής χιονοστιβάδας.
ΣΥΚΟ. 1 (α) Σχέση μεταξύ του λόγου του συντελεστή ιονισμού κρούσης του υλικού τελλουριδίου του υδραργύρου και του συστατικού x του Cd. (β) Σύγκριση του υπερβολικού συντελεστή θορύβου F συσκευών APD με διαφορετικά συστήματα υλικών
Η τεχνολογία μέτρησης φωτονίων είναι μια νέα τεχνολογία που μπορεί να εξάγει ψηφιακά οπτικά σήματα από θερμικό θόρυβο επιλύοντας τους παλμούς φωτοηλεκτρονίων που παράγονται από έναφωτοανιχνευτήςμετά τη λήψη ενός μόνο φωτονίου. Δεδομένου ότι το σήμα χαμηλού φωτισμού είναι περισσότερο διασκορπισμένο στο πεδίο του χρόνου, το ηλεκτρικό σήμα εξόδου από τον ανιχνευτή είναι επίσης φυσικό και διακριτό. Σύμφωνα με αυτό το χαρακτηριστικό του ασθενούς φωτός, η ενίσχυση παλμών, η διάκριση παλμών και οι τεχνικές ψηφιακής μέτρησης χρησιμοποιούνται συνήθως για την ανίχνευση εξαιρετικά αδύναμου φωτός. Η σύγχρονη τεχνολογία μέτρησης φωτονίων έχει πολλά πλεονεκτήματα, όπως υψηλή αναλογία σήματος προς θόρυβο, υψηλή διάκριση, υψηλή ακρίβεια μέτρησης, καλή αντιολίσθηση, καλή σταθερότητα χρόνου και μπορεί να εξάγει δεδομένα στον υπολογιστή με τη μορφή ψηφιακού σήματος για μεταγενέστερη ανάλυση και επεξεργασία, η οποία δεν συγκρίνεται με άλλες μεθόδους ανίχνευσης. Επί του παρόντος, το σύστημα μέτρησης φωτονίων έχει χρησιμοποιηθεί ευρέως στον τομέα της βιομηχανικής μέτρησης και της ανίχνευσης χαμηλού φωτός, 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 στην απόκτηση και ανίχνευση αδύναμων σημάτων φωτός. Ο φωτοανιχνευτής χιονοστιβάδας υδραργύρου τελλουριδίου καδμίου δεν έχει σχεδόν καθόλου υπερβολικό θόρυβο, καθώς αυξάνεται το κέρδος, η αναλογία σήματος προς θόρυβο δεν αποσυντίθεται και δεν υπάρχει περιορισμός νεκρού χρόνου και μετά τον παλμό που να σχετίζεται με συσκευές χιονοστιβάδας Geiger, που είναι πολύ κατάλληλο για εφαρμογή στη μέτρηση φωτονίων και αποτελεί σημαντική κατεύθυνση ανάπτυξης συσκευών μέτρησης φωτονίων στο μέλλον.
Ώρα δημοσίευσης: Ιαν-14-2025