Фотосчётные и энергоразрешающие детекторы

Фотосчётные и энергоразрешающие детекторы регистрируют отдельные фотоны и во многих случаях измеряют энергию и время прихода каждого фотона, что является необходимыми возможностями при высоких энергиях и всё более полезным в оптическом диапазоне.

Definition

Фотосчётные детекторы регистрируют приход отдельных фотонов как дискретные события, в то время как энергоразрешающие детекторы дополнительно измеряют энергию каждого фотона, часто путём регистрации небольшого количества тепла или заряда, которые осаждает один фотон.

Scope

Эта тема охватывает фотоэлектронные умножители и лавинные фотодиоды, микроканальные пластины, рентгеновские детекторы, такие как ПЗС-матрицы и калориметры, которые регистрируют энергию фотонов, а также сверхпроводящие детекторы, включая датчики с изменяющимся сопротивлением перехода, детекторы кинетической индуктивности на СВЧ и сверхпроводящие туннельные переходы, которые разрешают энергию и время на оптических длинах волн.

Core questions

• Как обнаруживаются и подсчитываются отдельные фотоны?
• Как детектор может измерять энергию каждого фотона?
• Почему энергетическое разрешение естественным образом доступно при рентгеновских энергиях, но трудно достижимо в оптическом диапазоне?
• Какую роль играют сверхпроводящие детекторы?

Key theories

Фотосчёт и усиление

Устройства, такие как фотоумножители и лавинные фотодиоды, умножают заряд от одиночного фотона в измеримый импульс, что позволяет определять время и подсчитывать отдельные фотоны.

Внутреннее энергетическое разрешение при высоких энергиях

Рентгеновский фотон высвобождает множество носителей заряда пропорционально своей энергии, поэтому детекторы могут одновременно получать изображения и грубо измерять энергию фотона, что значительно улучшается с помощью криогенных калориметров.

Сверхпроводящие энергоразрешающие детекторы

Датчики с изменяющимся сопротивлением перехода, детекторы кинетической индуктивности и туннельные переходы регистрируют крошечную энергию, которую одиночный фотон осаждает в сверхпроводнике, обеспечивая внутреннее разрешение по энергии и времени даже на оптических длинах волн.

Clinical relevance

Эти детекторы незаменимы для рентгеновской и гамма-астрономии, исследований пульсаров и затмений с быстрым временным разрешением, а также для оптических измерений с квантовым пределом; энергоразрешающие массивы обещают спектроскопию без дисперсионной оптики.

History

Фотоумножители обеспечили точную фотометрию с 1940-х годов, а пропорциональные счётчики открыли рентгеновскую астрономию в 1960-х годах. Криогенные калориметры и сверхпроводящие детекторы, разработанные с 1990-х годов, теперь обеспечивают высокое спектральное разрешение при рентгеновских энергиях и разрешение энергии одиночных фотонов в оптическом диапазоне.

Key figures

• Riccardo Giacconi
• Bruce Cabrera

Seminal works

• rieke2003
• mclean2008

Frequently asked questions

Как детектор может измерять энергию одиночного фотона?

При поглощении фотон передаёт фиксированное количество энергии. Детекторы, такие как криогенные калориметры, регистрируют крошечное повышение температуры, которое это вызывает, или подсчитывают высвобожденные носители заряда, причём оба эти параметра масштабируются с энергией фотона, что позволяет измерять энергию каждого фотона.

Почему сверхпроводящие детекторы работают при таких низких температурах?

Они используют чрезвычайную чувствительность сверхпроводника вблизи его температуры перехода, где энергия одиночного фотона вызывает измеримое изменение. Это деликатное состояние существует только при температурах, близких к абсолютному нулю, поэтому детекторы должны находиться в криогенных холодильниках.