Ievads, fotonu skaitīšanas tipa lineārais lavīnu fotodetektors

Ievads, fotonu skaitīšanas veidslineārās lavīnas fotodetektors

Fotonu skaitīšanas tehnoloģija var pilnībā pastiprināt fotonu signālu, lai pārvarētu elektronisko ierīču nolasīšanas troksni un reģistrētu detektora izvadīto fotonu skaitu noteiktā laika periodā, izmantojot detektora izejas elektriskā signāla dabiskos diskrētos raksturlielumus vājas gaismas apstarošanas apstākļos. , un aprēķina izmērītā mērķa informāciju atbilstoši fotonu mērītāja vērtībai. Lai realizētu ārkārtīgi vājas gaismas noteikšanu, dažādās valstīs ir pētīti daudz dažādu instrumentu ar fotonu noteikšanas iespēju. Cietvielu lavīnas fotodiode (APD fotodetektors) ir ierīce, kas gaismas signālu noteikšanai izmanto iekšējo fotoelektrisko efektu. Salīdzinot ar vakuumierīcēm, cietvielu ierīcēm ir acīmredzamas priekšrocības reakcijas ātrumā, tumšo skaitīšanu, enerģijas patēriņu, tilpumu un magnētiskā lauka jutību utt. Zinātnieki ir veikuši pētījumus, kuru pamatā ir cietvielu APD fotonu skaitīšanas attēlveidošanas tehnoloģija.

APD fotodetektora ierīceir Geigera režīms (GM) un lineārais režīms (LM) divi darba režīmi, pašreizējā APD fotonu skaitīšanas attēlveidošanas tehnoloģija galvenokārt izmanto Geigera režīma APD ierīci. Geigera režīma APD ierīcēm ir augsta jutība viena fotona līmenī un augsts reakcijas ātrums desmitiem nanosekundēs, lai iegūtu augstu laika precizitāti. Tomēr Geigera režīma APD ir dažas problēmas, piemēram, detektora nāves laiks, zema noteikšanas efektivitāte, liela optiskā krustvārdu mīkla un zema telpiskā izšķirtspēja, tāpēc ir grūti optimizēt pretrunu starp augstu noteikšanas līmeni un zemu viltus trauksmes līmeni. Fotonu skaitītāji, kuru pamatā ir gandrīz beztrokšņas augstas pastiprinājuma HgCdTe APD ierīces, darbojas lineārā režīmā, tiem nav miršanas laika un šķērsrunas ierobežojumu, tiem nav pēcimpulsa, kas saistīts ar Geigera režīmu, nav nepieciešamas dzēšanas ķēdes, ir īpaši augsts dinamiskais diapazons, plašs. un regulējams spektrālās reakcijas diapazons, un to var neatkarīgi optimizēt noteikšanas efektivitātei un viltus skaitīšanas ātrumam. Tas paver jaunu infrasarkano fotonu skaitīšanas attēlveidošanas pielietojuma jomu, ir svarīgs fotonu skaitīšanas ierīču attīstības virziens, un tam ir plašas pielietojuma perspektīvas astronomiskajā novērošanā, brīvās telpas komunikācijā, aktīvajā un pasīvā attēlveidošanā, robežu izsekošanas jomā un tā tālāk.

Fotonu skaitīšanas princips HgCdTe APD ierīcēs

APD fotodetektoru ierīces, kuru pamatā ir HgCdTe materiāli, var aptvert plašu viļņu garumu diapazonu, un elektronu un caurumu jonizācijas koeficienti ir ļoti atšķirīgi (sk. 1. (a) attēlu). Tiem ir viens nesēja pavairošanas mehānisms robežviļņa garumā no 1,3 līdz 11 µm. Pārmērīga trokšņa gandrīz nav (salīdzinot ar Si APD ierīču liekā trokšņa koeficientu FSi~2-3 un III-V saimes ierīcēm FIII-V~4-5 (sk. 1. (b) attēlu), tāpēc signāls- Ierīču attiecība pret troksni gandrīz nemazinās, palielinoties pastiprinājumam, kas ir ideāls infrasarkanais starojumslavīnu fotodetektors.

Zīm. 1 a) saikne starp dzīvsudraba kadmija telurīda materiāla triecienjonizācijas koeficienta attiecību un Cd komponentu x; (b) APD ierīču ar dažādu materiālu sistēmām pārmērīgā trokšņa koeficienta F salīdzinājums

Fotonu skaitīšanas tehnoloģija ir jauna tehnoloģija, kas var digitāli iegūt optiskos signālus no termiskā trokšņa, izšķirot fotoelektronu impulsus, ko radafotodetektorspēc viena fotona saņemšanas. Tā kā vājā apgaismojumā signāls ir vairāk izkliedēts laika diapazonā, arī detektora elektriskā signāla izvade ir dabiska un diskrēta. Saskaņā ar šo vājas gaismas raksturlielumu ļoti vājas gaismas noteikšanai parasti tiek izmantotas impulsu pastiprināšanas, impulsu diskriminācijas un digitālās skaitīšanas metodes. Mūsdienu fotonu skaitīšanas tehnoloģijai ir daudz priekšrocību, piemēram, augsta signāla un trokšņa attiecība, augsta diskriminācija, augsta mērījumu precizitāte, laba pretnovirzīšanās, laba laika stabilitāte, un tā var izvadīt datus uz datoru digitālā signāla veidā turpmākai analīzei. un apstrāde, kas nav līdzvērtīga citām noteikšanas metodēm. Pašlaik fotonu skaitīšanas sistēma ir plaši izmantota rūpniecisko mērījumu un vāja apgaismojuma noteikšanas jomā, piemēram, nelineārā optika, molekulārā bioloģija, īpaši augstas izšķirtspējas spektroskopija, astronomiskā fotometrija, atmosfēras piesārņojuma mērījumi utt., Kas ir saistīti. vāju gaismas signālu iegūšanai un noteikšanai. Dzīvsudraba kadmija telurīda lavīnas fotodetektoram gandrīz nav pārmērīga trokšņa, jo, pieaugot pastiprinājumam, signāla un trokšņa attiecība nesamazinās, kā arī nav nāves laika un pēcimpulsa ierobežojuma saistībā ar Geigera lavīnas ierīcēm, kas ir ļoti piemērots pielietojums fotonu skaitīšanā, un tas ir svarīgs fotonu skaitīšanas ierīču attīstības virziens nākotnē.