光子計数型およびエネルギー分解型検出器

光子計数型およびエネルギー分解型検出器は、個々の光子を登録し、多くの場合、各光子のエネルギーと到達時間を測定します。これらの機能は高エネルギー領域で不可欠であり、光学領域でもますます有用になっています。

Definition

光子計数型検出器は、単一光子の到達を個別の事象として記録するのに対し、エネルギー分解型検出器は、単一光子が堆積するわずかな熱量または電荷を感知することによって、各光子のエネルギーをさらに測定します。

Scope

このトピックでは、光電子増倍管とアバランシェフォトダイオード、マイクロチャンネルプレート、CCDや光子エネルギーを記録するカロリメーターなどのX線検出器、および遷移端センサー、マイクロ波運動インダクタンス検出器、光学波長でエネルギーと時間を分解する超伝導トンネル接合などの超伝導検出器について扱います。

Core questions

• 個々の光子はどのように検出され、計数されるのでしょうか？
• 検出器はどのようにして各光子のエネルギーを測定できるのでしょうか？
• なぜX線エネルギーではエネルギー分解能が自然に得られるのに、光学領域では難しいのでしょうか？
• 超伝導検出器はどのような役割を果たすのでしょうか？

Key theories

光子計数とゲイン

光電子増倍管やアバランシェフォトダイオードなどのデバイスは、単一光子からの電荷を測定可能なパルスに増幅し、個々の光子のタイミングを計り、計数することを可能にします。

高エネルギーにおける固有のエネルギー分解能

X線光子は、そのエネルギーに比例して多くの電荷キャリアを放出するため、検出器は同時に画像を形成し、光子エネルギーを大まかに測定することができます。これは極低温カロリメーターによって大幅に精度が向上します。

超伝導エネルギー分解型検出器

遷移端センサー、運動インダクタンス検出器、トンネル接合は、単一光子が超伝導体に堆積する微小なエネルギーを感知し、光学波長でも固有のエネルギー分解能と時間分解能を提供します。

Clinical relevance

これらの検出器は、X線およびガンマ線天文学、パルサーや食の高速タイミング研究、量子限界光学測定に不可欠です。エネルギー分解型アレイは、分散光学系なしでの分光分析を可能にする可能性を秘めています。

History

光電子増倍管は1940年代から精密測光を可能にし、比例計数管は1960年代にX線天文学を切り開きました。1990年代以降に開発された極低温カロリメーターと超伝導検出器は、現在、X線エネルギーで高いスペクトル分解能を、光学領域で単一光子エネルギー分解能を提供しています。

Key figures

• Riccardo Giacconi
• Bruce Cabrera

Seminal works

• rieke2003
• mclean2008

Frequently asked questions

検出器はどのようにして単一光子のエネルギーを測定できるのでしょうか？

光子が吸収されると、一定量のエネルギーが堆積されます。極低温カロリメーターなどの検出器は、これが引き起こす微小な温度上昇を感知したり、放出される電荷キャリアを計数したりします。これらの両方は光子のエネルギーに比例するため、各光子のエネルギーを測定することができます。

なぜ超伝導検出器は非常に低い温度で動作するのでしょうか？

それらは、超伝導体が転移温度付近で示す極端な感度を利用しています。この状態では、単一光子のエネルギーが測定可能な変化を引き起こします。このデリケートな状態は絶対零度に近い温度でのみ存在するため、検出器は極低温冷凍機内で保持される必要があります。