Detectores de Conteo de Fotones y con Resolución de Energía

Los detectores de conteo de fotones y con resolución de energía registran fotones individuales y, en muchos casos, miden la energía y el tiempo de llegada de cada fotón, capacidades esenciales en altas energías y cada vez más útiles en el rango óptico.

Definition

Los detectores de conteo de fotones registran la llegada de fotones individuales como eventos discretos, mientras que los detectores con resolución de energía miden adicionalmente la energía de cada fotón, a menudo detectando la pequeña cantidad de calor o carga que deposita un solo fotón.

Scope

Este tema abarca los tubos fotomultiplicadores y los fotodiodos de avalancha, las placas de microcanales, los detectores de rayos X como los CCD y los calorímetros que registran la energía de los fotones, y los detectores superconductores, incluidos los sensores de borde de transición, los detectores de inductancia cinética de microondas y las uniones de túnel superconductoras que resuelven la energía y el tiempo en longitudes de onda ópticas.

Core questions

• ¿Cómo se detectan y cuentan los fotones individuales?
• ¿Cómo puede un detector medir la energía de cada fotón?
• ¿Por qué la resolución de energía está naturalmente disponible en energías de rayos X pero es difícil en el rango óptico?
• ¿Qué papel desempeñan los detectores superconductores?

Key theories

Conteo de fotones y ganancia

Dispositivos como los fotomultiplicadores y los fotodiodos de avalancha multiplican la carga de un solo fotón en un pulso medible, lo que permite cronometrar y contar fotones individuales.

Resolución de energía intrínseca en altas energías

Un fotón de rayos X libera muchos portadores de carga en proporción a su energía, por lo que los detectores pueden simultáneamente obtener imágenes y medir de forma aproximada la energía del fotón, lo que se agudiza en gran medida con los calorímetros criogénicos.

Detectores superconductores con resolución de energía

Los sensores de borde de transición, los detectores de inductancia cinética y las uniones de túnel detectan la pequeña energía que un solo fotón deposita en un superconductor, lo que proporciona una resolución intrínseca de energía y tiempo incluso en longitudes de onda ópticas.

Clinical relevance

Estos detectores son indispensables para la astronomía de rayos X y rayos gamma, los estudios de temporización rápida de púlsares y ocultaciones, y las mediciones ópticas limitadas por la cuántica; los arreglos con resolución de energía prometen espectroscopia sin ópticas dispersivas.

History

Los fotomultiplicadores permitieron una fotometría precisa a partir de la década de 1940, y los contadores proporcionales abrieron la astronomía de rayos X en la década de 1960. Los calorímetros criogénicos y los detectores superconductores desarrollados desde la década de 1990 ahora ofrecen alta resolución espectral en energías de rayos X y resolución de energía de fotón único en el rango óptico.

Key figures

• Riccardo Giacconi
• Bruce Cabrera

Seminal works

• rieke2003
• mclean2008

Frequently asked questions

¿Cómo puede un detector medir la energía de un solo fotón?

Cuando un fotón es absorbido, deposita una cantidad fija de energía. Detectores como los calorímetros criogénicos detectan el pequeño aumento de temperatura que esto provoca, o cuentan los portadores de carga liberados, los cuales se escalan con la energía del fotón, lo que permite medir la energía de cada fotón.

¿Por qué los detectores superconductores funcionan a temperaturas tan bajas?

Explotan la sensibilidad extrema de un superconductor cerca de su temperatura de transición, donde la energía de un solo fotón produce un cambio medible. Este estado delicado existe solo a temperaturas cercanas al cero absoluto, por lo que los detectores deben mantenerse en refrigeradores criogénicos.