מבוא, צילום גלאי מפולת ליניארי מסוג ספירת פוטון

מבוא, סוג ספירת פוטוןצילום גלאי מפולת ליניארי

טכנולוגיית ספירת הפוטונים יכולה להגביר באופן מלא את אות הפוטונים כדי להתגבר על רעש הקריאה של מכשירים אלקטרוניים, ולתעד את מספר הפוטונים שיוצאים מהגלאי בפרק זמן מסוים על ידי שימוש במאפיינים הבדידים הטבעיים של האות החשמלי של פלט הגלאי תחת הקרנת אור חלשה , וחשב את המידע של המטרה הנמדדת לפי הערך של מד הפוטונים. על מנת לממש זיהוי אור חלש ביותר, סוגים רבים ושונים של מכשירים עם יכולת זיהוי פוטון נחקרו במדינות שונות. פוטודיודת מפולת במצב מוצק (גלאי צילום APD) הוא מכשיר שמשתמש באפקט הפוטואלקטרי הפנימי כדי לזהות אותות אור. בהשוואה למכשירי ואקום, למכשירי מצב מוצק יש יתרונות ברורים במהירות תגובה, ספירת חושך, צריכת חשמל, נפח ורגישות לשדה מגנטי וכו'. מדענים ביצעו מחקר המבוסס על טכנולוגיית ספירת פוטונים במצב מוצק APD.

מכשיר צילום APDיש מצב גייגר (GM) ומצב ליניארי (LM) שני מצבי עבודה, טכנולוגיית ספירת הפוטונים הנוכחית של APD משתמשת בעיקר במכשיר APD במצב Geiger. למכשירי APD במצב Geiger יש רגישות גבוהה ברמת פוטון בודד ומהירות תגובה גבוהה של עשרות ננו-שניות להשגת דיוק זמן גבוה. עם זאת, ל-APD במצב Geiger יש כמה בעיות כמו זמן מת של גלאי, יעילות זיהוי נמוכה, תשבץ אופטי גדול ורזולוציה מרחבית נמוכה, כך שקשה לייעל את הסתירה בין שיעור זיהוי גבוה לשיעור אזעקת שווא נמוך. מוני פוטונים המבוססים על מכשירי HgCdTe APD בעלי רווח גבוה כמעט חסרי רעש פועלים במצב ליניארי, אין להם מגבלות זמן מת והצלבה, אין להם פוסט-פולס הקשור למצב גייגר, אינם דורשים מעגלי מרווה, בעלי טווח דינמי גבוה במיוחד, רחב. וטווח תגובה ספקטרלי ניתן לכוונון, וניתן לבצע אופטימיזציה עצמאית עבור יעילות זיהוי ושיעור ספירת שקר. הוא פותח תחום יישומים חדש של הדמיית ספירת פוטונים באינפרא אדום, מהווה כיוון פיתוח חשוב של התקני ספירת פוטונים, ויש לו סיכויי יישום רחבים בתצפית אסטרונומית, תקשורת בחלל פנוי, הדמיה אקטיבית ופסיבית, מעקב שוליים וכן הלאה.

עקרון ספירת הפוטונים בהתקני HgCdTe APD

התקני photodetector APD המבוססים על חומרי HgCdTe יכולים לכסות טווח רחב של אורכי גל, ומקדמי היינון של אלקטרונים וחורים שונים מאוד (ראה איור 1 (א)). הם מציגים מנגנון כפל נושא אחד בתוך אורך הגל הניתוק של 1.3 ~ 11 מיקרומטר. אין כמעט רעש עודף (בהשוואה למקדם הרעש העודף FSi~2-3 של התקני Si APD ו-FIII-V~4-5 של התקנים ממשפחת III-V (ראה איור 1 (ב)), כך שהאות- יחס לרעש של המכשירים כמעט ואינו יורד עם עליית הרווח, שהוא אינפרא אדום אידיאליגלאי צילום מפולת.

תְאֵנָה. 1 (א) קשר בין יחס מקדם יינון ההשפעה של חומר כספית קדמיום טלוריד לבין רכיב x של Cd; (ב) השוואה של עודף גורם רעש F של התקני APD עם מערכות חומרים שונות

טכנולוגיית ספירת פוטון היא טכנולוגיה חדשה שיכולה לחלץ אותות אופטיים באופן דיגיטלי מרעש תרמי על ידי פתרון פעימות הפוטואלקטרון שנוצרו על ידיphotodetectorלאחר קבלת פוטון בודד. מכיוון שאות האור הנמוך מפוזר יותר בתחום הזמן, האות החשמלי שמוצא הגלאי הוא גם טבעי ודיסקרטי. על פי מאפיין זה של אור חלש, בדרך כלל נעשה שימוש בהגברת דופק, אבחנה של דופק וטכניקות ספירה דיגיטלית לזיהוי אור חלש במיוחד. לטכנולוגיית ספירת פוטונים מודרנית יש יתרונות רבים, כגון יחס אות לרעש גבוה, אפליה גבוהה, דיוק מדידה גבוה, אנטי-סחף טוב, יציבות זמן טובה, ויכולה להוציא נתונים למחשב בצורה של אות דיגיטלי לניתוח מאוחר יותר. ועיבוד, שאין כמותו בשיטות זיהוי אחרות. נכון לעכשיו, נעשה שימוש נרחב במערכת ספירת הפוטונים בתחום המדידה התעשייתית וזיהוי באור נמוך, כגון אופטיקה לא ליניארית, ביולוגיה מולקולרית, ספקטרוסקופיה ברזולוציה גבוהה במיוחד, פוטומטריה אסטרונומית, מדידת זיהום אטמוספרי, וכו'. לרכישה וזיהוי של אותות אור חלשים. לפוטו-גלאי מפולת כספית קדמיום טלוריד כמעט ואין עודף רעש, ככל שההגבר גדל, יחס האות לרעש אינו מתפוגג, ואין הגבלת זמן מת ופוסט-פולס הקשורים למכשירי מפולת גייגר, מה שמתאים מאוד עבור יישום בספירת פוטונים, ומהווה כיוון פיתוח חשוב של התקני ספירת פוטונים בעתיד.