مقدمه، نوع شمارش فوتونآشکارساز نوری بهمن خطی
فناوری شمارش فوتون می‌تواند سیگنال فوتون را به طور کامل تقویت کند تا بر نویز بازخوانی دستگاه‌های الکترونیکی غلبه کند و با استفاده از ویژگی‌های گسسته طبیعی سیگنال الکتریکی خروجی آشکارساز تحت تابش نور ضعیف، تعداد فوتون‌های خروجی توسط آشکارساز را در یک دوره زمانی مشخص ثبت کند و اطلاعات هدف اندازه‌گیری شده را با توجه به مقدار فوتون‌متر محاسبه کند. به منظور تحقق تشخیص نور بسیار ضعیف، انواع مختلفی از ابزارها با قابلیت تشخیص فوتون در کشورهای مختلف مورد مطالعه قرار گرفته‌اند. یک فوتودیود بهمنی حالت جامد (آشکارساز نوری APD) دستگاهی است که از اثر فوتوالکتریک داخلی برای تشخیص سیگنال‌های نور استفاده می‌کند. در مقایسه با دستگاه‌های خلاء، دستگاه‌های حالت جامد مزایای آشکاری در سرعت پاسخ، تعداد تاریک، مصرف برق، حجم و حساسیت میدان مغناطیسی و غیره دارند. دانشمندان تحقیقاتی را بر اساس فناوری تصویربرداری شمارش فوتون APD حالت جامد انجام داده‌اند.
دستگاه آشکارساز نوری APDدارای دو حالت کاری گایگر (GM) و حالت خطی (LM) است، فناوری تصویربرداری شمارش فوتون APD فعلی عمدتاً از دستگاه APD حالت گایگر استفاده می‌کند. دستگاه‌های APD حالت گایگر حساسیت بالایی در سطح فوتون تکی و سرعت پاسخ بالا در حد ده‌ها نانوثانیه برای دستیابی به دقت زمانی بالا دارند. با این حال، APD حالت گایگر دارای مشکلاتی مانند زمان مرده آشکارساز، راندمان تشخیص پایین، جدول کلمات متقاطع نوری بزرگ و وضوح مکانی پایین است، بنابراین بهینه‌سازی تضاد بین نرخ تشخیص بالا و نرخ هشدار کاذب پایین دشوار است. شمارنده‌های فوتونی مبتنی بر دستگاه‌های APD HgCdTe با بهره بالا و تقریباً بی‌صدا در حالت خطی کار می‌کنند، هیچ محدودیت زمان مرده و تداخل ندارند، هیچ پالس پس از پالس مرتبط با حالت گایگر ندارند، نیازی به مدارهای خاموش‌کننده ندارند، دارای محدوده دینامیکی فوق‌العاده بالا، محدوده پاسخ طیفی گسترده و قابل تنظیم هستند و می‌توانند به طور مستقل برای راندمان تشخیص و نرخ شمارش کاذب بهینه شوند. این یک زمینه کاربردی جدید در تصویربرداری شمارش فوتون مادون قرمز ایجاد می‌کند، یک جهت توسعه مهم در دستگاه‌های شمارش فوتون است و چشم‌انداز کاربرد گسترده‌ای در رصد نجومی، ارتباطات فضای آزاد، تصویربرداری فعال و غیرفعال، ردیابی حاشیه‌ای و غیره دارد.
اصل شمارش فوتون در دستگاه‌های APD HgCdTe
دستگاه‌های آشکارساز نوری APD مبتنی بر مواد HgCdTe می‌توانند طیف وسیعی از طول موج‌ها را پوشش دهند و ضرایب یونیزاسیون الکترون‌ها و حفره‌ها بسیار متفاوت است (شکل 1 (الف) را ببینید). آن‌ها یک مکانیسم تکثیر حامل منفرد را در طول موج قطع 1.3 تا 11 میکرومتر نشان می‌دهند. تقریباً هیچ نویز اضافی وجود ندارد (در مقایسه با ضریب نویز اضافی FSi~2-3 دستگاه‌های APD Si و FIII-V~4-5 دستگاه‌های خانواده III-V (شکل 1 (ب) را ببینید)، به طوری که نسبت سیگنال به نویز دستگاه‌ها تقریباً با افزایش بهره کاهش نمی‌یابد، که یک طیف مادون قرمز ایده‌آل است.آشکارساز نوری بهمن.
شکل 1 (الف) رابطه بین نسبت ضریب یونیزاسیون ضربه‌ای ماده تلورید کادمیوم جیوه و جزء x کادمیوم؛ (ب) مقایسه ضریب نویز اضافی F دستگاه‌های APD با سیستم‌های ماده‌ای مختلف
فناوری شمارش فوتون، فناوری جدیدی است که می‌تواند سیگنال‌های نوری را به صورت دیجیتالی از نویز حرارتی با تجزیه پالس‌های فوتوالکترون تولید شده توسط ... استخراج کند.آشکارساز نوریپس از دریافت یک فوتون. از آنجایی که سیگنال نور کم در حوزه زمان پراکنده‌تر است، سیگنال الکتریکی خروجی توسط آشکارساز نیز طبیعی و گسسته است. با توجه به این ویژگی نور ضعیف، معمولاً از تکنیک‌های تقویت پالس، تفکیک پالس و شمارش دیجیتال برای تشخیص نور بسیار ضعیف استفاده می‌شود. فناوری مدرن شمارش فوتون مزایای بسیاری دارد، مانند نسبت سیگنال به نویز بالا، تفکیک بالا، دقت اندازه‌گیری بالا، ضد رانش خوب، پایداری زمانی خوب، و می‌تواند داده‌ها را به شکل سیگنال دیجیتال برای تجزیه و تحلیل و پردازش بعدی به کامپیوتر ارسال کند، که با سایر روش‌های تشخیص قابل مقایسه نیست. در حال حاضر، سیستم شمارش فوتون به طور گسترده در زمینه اندازه‌گیری صنعتی و تشخیص نور کم، مانند اپتیک غیرخطی، زیست‌شناسی مولکولی، طیف‌سنجی با وضوح فوق‌العاده بالا، نورسنجی نجومی، اندازه‌گیری آلودگی جوی و غیره، که مربوط به کسب و تشخیص سیگنال‌های نور ضعیف هستند، مورد استفاده قرار گرفته است. آشکارساز نوری بهمنی جیوه کادمیوم تلورید تقریباً هیچ نویز اضافی ندارد، زیرا با افزایش بهره، نسبت سیگنال به نویز کاهش نمی‌یابد و هیچ زمان مرده و محدودیت پس از پالس مربوط به دستگاه‌های بهمنی گایگر وجود ندارد، که برای کاربرد در شمارش فوتون بسیار مناسب است و یک جهت توسعه مهم برای دستگاه‌های شمارش فوتون در آینده است.
زمان ارسال: ۱۴ ژانویه ۲۰۲۵