آشکارسازهای شمارشگر فوتون و تفکیککننده انرژی
آشکارسازهای شمارشگر فوتون و تفکیککننده انرژی، فوتونهای منفرد را ثبت میکنند و در بسیاری از موارد، انرژی و زمان رسیدن هر فوتون را اندازهگیری میکنند؛ قابلیتهایی که در انرژیهای بالا ضروری و در طیف مرئی به طور فزایندهای مفید هستند.
Definition
آشکارسازهای شمارشگر فوتون، رسیدن فوتونهای منفرد را به عنوان رویدادهای گسسته ثبت میکنند، در حالی که آشکارسازهای تفکیککننده انرژی، علاوه بر آن، انرژی هر فوتون را اندازهگیری میکنند، اغلب با حس کردن مقدار کمی گرما یا بار الکتریکی که یک فوتون منفرد رسوب میدهد.
Scope
این موضوع شامل لامپهای تکثیرکننده نوری (photomultiplier tubes) و فوتودیودهای بهمنی (avalanche photodiodes)، صفحات میکروکانال (microchannel plates)، آشکارسازهای پرتو ایکس مانند CCDها و کالریمترهایی که انرژی فوتون را ثبت میکنند، و آشکارسازهای ابررسانا از جمله حسگرهای لبهگذار (transition-edge sensors)، آشکارسازهای القایی جنبشی مایکروویو (microwave kinetic inductance detectors)، و پیوندهای تونلی ابررسانا (superconducting tunnel junctions) است که انرژی و زمان را در طول موجهای نوری تفکیک میکنند.
Core questions
- چگونه فوتونهای منفرد شناسایی و شمارش میشوند؟
- چگونه یک آشکارساز میتواند انرژی هر فوتون را اندازهگیری کند؟
- چرا تفکیک انرژی به طور طبیعی در انرژیهای پرتو ایکس در دسترس است اما در طیف مرئی دشوار است؟
- آشکارسازهای ابررسانا چه نقشی ایفا میکنند؟
Key theories
- شمارش فوتون و بهره
- ابزارهایی مانند فوتومالتیپلایرها و فوتودیودهای بهمنی، بار الکتریکی حاصل از یک فوتون منفرد را به یک پالس قابل اندازهگیری تکثیر میکنند و امکان زمانبندی و شمارش فوتونهای منفرد را فراهم میآورند.
- تفکیک انرژی ذاتی در انرژیهای بالا
- یک فوتون پرتو ایکس، حاملهای بار زیادی را متناسب با انرژی خود آزاد میکند، بنابراین آشکارسازها میتوانند به طور همزمان تصویربرداری کرده و انرژی فوتون را به طور تقریبی اندازهگیری کنند، که این دقت توسط کالریمترهای کرایوژنیک به شدت افزایش مییابد.
- آشکارسازهای ابررسانای تفکیککننده انرژی
- حسگرهای لبهگذار، آشکارسازهای القایی جنبشی، و پیوندهای تونلی، انرژی ناچیزی را که یک فوتون منفرد در یک ابررسانا رسوب میدهد، حس میکنند و تفکیک انرژی و زمان ذاتی را حتی در طول موجهای نوری فراهم میآورند.
Clinical relevance
این آشکارسازها برای اخترشناسی پرتو ایکس و پرتو گاما، مطالعات زمانبندی سریع تپاخترها و اختفاها، و اندازهگیریهای نوری با محدودیت کوانتومی ضروری هستند؛ آرایههای تفکیککننده انرژی، طیفسنجی بدون اپتیک پراکنده را نوید میدهند.
History
فوتومالتیپلایرها (Photomultipliers) امکان فوتومتری دقیق را از دهه ۱۹۴۰ فراهم کردند و شمارندههای تناسبی (proportional counters) اخترشناسی پرتو ایکس را در دهه ۱۹۶۰ آغاز کردند. کالریمترهای کرایوژنیک (cryogenic calorimeters) و آشکارسازهای ابررسانا که از دهه ۱۹۹۰ توسعه یافتهاند، اکنون وضوح طیفی بالایی را در انرژیهای پرتو ایکس و وضوح انرژی تکفوتون را در طیف مرئی ارائه میدهند.
Key figures
- Riccardo Giacconi
- Bruce Cabrera
Related topics
Seminal works
- rieke2003
- mclean2008
Frequently asked questions
- چگونه یک آشکارساز میتواند انرژی یک فوتون منفرد را اندازهگیری کند؟
- هنگامی که یک فوتون جذب میشود، مقدار ثابتی از انرژی را رسوب میدهد. آشکارسازهایی مانند کالریمترهای کرایوژنیک، افزایش دمای ناچیزی را که این امر ایجاد میکند، حس میکنند، یا حاملهای بار آزاد شده را میشمارند، که هر دو با انرژی فوتون متناسب هستند و امکان اندازهگیری انرژی هر فوتون را فراهم میکنند.
- چرا آشکارسازهای ابررسانا در دماهای بسیار پایین کار میکنند؟
- آنها از حساسیت شدید یک ابررسانا در نزدیکی دمای گذار آن بهره میبرند، جایی که انرژی یک فوتون منفرد تغییر قابل اندازهگیری ایجاد میکند. این حالت ظریف تنها در دماهای نزدیک به صفر مطلق وجود دارد، بنابراین آشکارسازها باید در یخچالهای کرایوژنیک نگهداری شوند.