Detectores Contadores de Fótons e com Resolução de Energia

Detectores contadores de fótons e com resolução de energia registram fótons individuais e, em muitos casos, medem a energia e o tempo de chegada de cada fóton, capacidades essenciais em altas energias e cada vez mais úteis no espectro óptico.

Definition

Detectores contadores de fótons registram a chegada de fótons únicos como eventos discretos, enquanto detectores com resolução de energia medem adicionalmente a energia de cada fóton, frequentemente detectando a pequena quantidade de calor ou carga que um único fóton deposita.

Scope

Este tópico abrange tubos fotomultiplicadores e fotodiodos de avalanche, placas de microcanais, detectores de raios X como CCDs e calorímetros que registram a energia do fóton, e detectores supercondutores, incluindo sensores de borda de transição, detectores de indutância cinética de micro-ondas e junções de tunelamento supercondutoras que resolvem energia e tempo em comprimentos de onda ópticos.

Core questions

• Como os fótons individuais são detectados e contados?
• Como um detector pode medir a energia de cada fóton?
• Por que a resolução de energia é naturalmente disponível em energias de raios X, mas difícil no espectro óptico?
• Que papel os detectores supercondutores desempenham?

Key theories

Contagem de fótons e ganho

Dispositivos como fotomultiplicadores e fotodiodos de avalanche multiplicam a carga de um único fóton em um pulso mensurável, permitindo que fótons individuais sejam cronometrados e contados.

Resolução de energia intrínseca em altas energias

Um fóton de raios X libera muitos portadores de carga em proporção à sua energia, de modo que os detectores podem simultaneamente gerar imagens e medir grosseiramente a energia do fóton, aprimorada grandemente por calorímetros criogênicos.

Detectores supercondutores com resolução de energia

Sensores de borda de transição, detectores de indutância cinética e junções de tunelamento detectam a minúscula energia que um único fóton deposita em um supercondutor, proporcionando resolução intrínseca de energia e tempo mesmo em comprimentos de onda ópticos.

Clinical relevance

Esses detectores são indispensáveis para astronomia de raios X e raios gama, estudos de temporização rápida de pulsares e ocultações, e medições ópticas com limite quântico; arranjos com resolução de energia prometem espectroscopia sem óptica dispersiva.

History

Fotomultiplicadores possibilitaram fotometria precisa a partir da década de 1940, e contadores proporcionais abriram a astronomia de raios X na década de 1960. Calorímetros criogênicos e detectores supercondutores desenvolvidos desde a década de 1990 agora oferecem alta resolução espectral em energias de raios X e resolução de energia de fóton único no espectro óptico.

Key figures

• Riccardo Giacconi
• Bruce Cabrera

Seminal works

• rieke2003
• mclean2008

Frequently asked questions

Como um detector pode medir a energia de um único fóton?

Quando um fóton é absorvido, ele deposita uma quantidade fixa de energia. Detectores como calorímetros criogênicos detectam o pequeno aumento de temperatura que isso causa, ou contam os portadores de carga liberados, ambos os quais escalam com a energia do fóton, permitindo que a energia de cada fóton seja medida.

Por que os detectores supercondutores são operados em temperaturas tão baixas?

Eles exploram a extrema sensibilidade de um supercondutor perto de sua temperatura de transição, onde a energia de um único fóton produz uma mudança mensurável. Este estado delicado existe apenas em temperaturas próximas do zero absoluto, então os detectores devem ser mantidos em refrigeradores criogênicos.