Inleiding, fotonenteltypelineaire lawinefotodetector
Fotonenteltechnologie kan het fotonensignaal volledig versterken om de uitleesruis van elektronische apparaten te overwinnen en het aantal fotonen registreren dat door de detector in een bepaalde periode wordt uitgezonden. Dit gebeurt door gebruik te maken van de natuurlijke discrete eigenschappen van het elektrische signaal van de detector onder zwakke lichtbestraling en door de informatie van het gemeten object te berekenen aan de hand van de waarde van de fotonenmeter. Om extreem zwakke lichtdetectie mogelijk te maken, zijn in verschillende landen diverse instrumenten met fotonendetectiemogelijkheden onderzocht. Een voorbeeld hiervan is een solid-state lawinefotodiode (APD-fotodetectorEen APD (Atomic Power Detector) is een apparaat dat gebruikmaakt van het interne foto-elektrische effect om lichtsignalen te detecteren. In vergelijking met vacuümapparaten hebben halfgeleiderapparaten duidelijke voordelen op het gebied van reactiesnelheid, donkere telling, stroomverbruik, volume en gevoeligheid voor magnetische velden, enzovoort. Wetenschappers hebben onderzoek gedaan naar de beeldvormingstechnologie met behulp van APD's (Atomic Power Detectors) voor fotonentelling.
APD-fotodetectorapparaatDe huidige APD-fotonteltechnologie, die gebruikmaakt van twee werkingsmodi (Geiger-modus, GM) en lineaire modus (LM), maakt voornamelijk gebruik van APD's in de Geiger-modus. APD's in de Geiger-modus hebben een hoge gevoeligheid op het niveau van individuele fotonen en een hoge responssnelheid van tientallen nanoseconden, wat resulteert in een hoge tijdnauwkeurigheid. Echter, APD's in de Geiger-modus kennen enkele problemen, zoals een dode tijd van de detector, een lage detectie-efficiëntie, een grote optische kruisspraak en een lage ruimtelijke resolutie. Hierdoor is het lastig om een balans te vinden tussen een hoge detectiesnelheid en een lage vals-alarmfrequentie. Fotontellers gebaseerd op vrijwel ruisvrije HgCdTe APD's met hoge versterking werken in de lineaire modus, kennen geen dode tijd en kruisspraakbeperkingen, hebben geen na-puls zoals in de Geiger-modus, vereisen geen quench-circuits, hebben een ultrahoog dynamisch bereik, een breed en instelbaar spectraal responsbereik en kunnen onafhankelijk worden geoptimaliseerd voor detectie-efficiëntie en vals-alarmfrequentie. Het opent een nieuw toepassingsgebied voor infrarood fotonentelbeeldvorming, is een belangrijke ontwikkelingsrichting voor fotonentelapparaten en heeft brede toepassingsmogelijkheden in astronomische observatie, vrije ruimtecommunicatie, actieve en passieve beeldvorming, interferentiepatronen en dergelijke.
Principe van fotontelling in HgCdTe APD-apparaten
APD-fotodetectoren op basis van HgCdTe-materialen kunnen een breed golflengtebereik bestrijken, en de ionisatiecoëfficiënten van elektronen en gaten verschillen sterk (zie figuur 1 (a)). Ze vertonen een enkelvoudig dragervermenigvuldigingsmechanisme binnen de afsnijgolflengte van 1,3 tot 11 µm. Er is vrijwel geen overmatige ruis (vergeleken met de overmatige ruisfactor FSi~2-3 van Si APD-apparaten en FIII-V~4-5 van III-V-apparaten (zie figuur 1 (b)), waardoor de signaal-ruisverhouding van de apparaten vrijwel niet afneemt met toenemende versterking. Dit is een ideaal infraroodkenmerk.lawinefotodetector.
FIG. 1 (a) Verband tussen de impactionisatiecoëfficiëntverhouding van kwikcadmiumtelluridemateriaal en component x van Cd; (b) Vergelijking van de overmatige ruisfactor F van APD-apparaten met verschillende materiaalsystemen
Fotonenteltechnologie is een nieuwe technologie die optische signalen digitaal kan extraheren uit thermische ruis door de foto-elektronenpulsen te analyseren die worden gegenereerd door eenfotodetectorNa ontvangst van een enkel foton. Omdat het signaal bij zwak licht meer verspreid is in het tijdsdomein, is het elektrische signaal dat door de detector wordt gegenereerd ook van nature discreet. Vanwege deze eigenschap van zwak licht worden pulsversterking, pulsdiscriminatie en digitale teltechnieken doorgaans gebruikt om extreem zwak licht te detecteren. Moderne fotonteltechnologie heeft vele voordelen, zoals een hoge signaal-ruisverhouding, hoge discriminatie, hoge meetnauwkeurigheid, goede driftbestendigheid, goede tijdsstabiliteit en de mogelijkheid om gegevens in de vorm van een digitaal signaal naar de computer te sturen voor verdere analyse en verwerking, wat ongeëvenaard is door andere detectiemethoden. Het fotontelsysteem wordt momenteel veelvuldig gebruikt in industriële metingen en detectie van zwak licht, zoals in de niet-lineaire optica, moleculaire biologie, ultra-hoge resolutiespectroscopie, astronomische fotometrie, atmosferische vervuilingsmetingen, enzovoort, die gerelateerd zijn aan de acquisitie en detectie van zwakke lichtsignalen. De kwikcadmiumtelluride-lawinefotodetector heeft vrijwel geen overtollige ruis, de signaal-ruisverhouding neemt niet af naarmate de versterking toeneemt, en er is geen sprake van dode tijd of beperkingen na de puls zoals bij Geiger-lawinedetectoren. Dit maakt hem zeer geschikt voor toepassingen in fotonentelling en vormt een belangrijke ontwikkelingsrichting voor fotonentelapparaten in de toekomst.
Geplaatst op: 14 januari 2025