เครื่องตรวจจับแบบนับโฟตอนและแยกแยะพลังงาน

เครื่องตรวจจับแบบนับโฟตอนและแยกแยะพลังงานจะบันทึกโฟตอนแต่ละตัว และในหลายกรณีสามารถวัดพลังงานและเวลาที่โฟตอนมาถึง ซึ่งเป็นความสามารถที่จำเป็นอย่างยิ่งในย่านพลังงานสูง และมีประโยชน์เพิ่มขึ้นในย่านแสงที่มองเห็นได้

Definition

เครื่องตรวจจับแบบนับโฟตอนจะบันทึกการมาถึงของโฟตอนเดี่ยวเป็นเหตุการณ์ที่ไม่ต่อเนื่อง ในขณะที่เครื่องตรวจจับแบบแยกแยะพลังงานจะวัดพลังงานของโฟตอนแต่ละตัวเพิ่มเติม โดยมักจะตรวจจับปริมาณความร้อนหรือประจุไฟฟ้าเล็กน้อยที่โฟตอนเดี่ยวตกกระทบ

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมถึงหลอดโฟโตมัลติพลายเออร์และโฟโตไดโอดแบบอะวาแลนช์, แผ่นไมโครแชนเนล, เครื่องตรวจจับรังสีเอกซ์ เช่น CCD และแคลอริมิเตอร์ที่บันทึกพลังงานโฟตอน, และเครื่องตรวจจับแบบตัวนำยิ่งยวด รวมถึงเซ็นเซอร์ขอบการเปลี่ยนสถานะ, เครื่องตรวจจับความเหนี่ยวนำจลน์ไมโครเวฟ, และรอยต่ออุโมงค์ตัวนำยิ่งยวดที่สามารถแยกแยะพลังงานและเวลาในย่านความยาวคลื่นแสงที่มองเห็นได้

Core questions

• โฟตอนแต่ละตัวถูกตรวจจับและนับได้อย่างไร?
• เครื่องตรวจจับสามารถวัดพลังงานของโฟตอนแต่ละตัวได้อย่างไร?
• เหตุใดการแยกแยะพลังงานจึงเป็นไปได้โดยธรรมชาติในย่านพลังงานรังสีเอกซ์ แต่ทำได้ยากในย่านแสงที่มองเห็นได้?
• เครื่องตรวจจับแบบตัวนำยิ่งยวดมีบทบาทอย่างไร?

Key theories

การนับโฟตอนและการขยายสัญญาณ

อุปกรณ์ต่างๆ เช่น โฟโตมัลติพลายเออร์และโฟโตไดโอดแบบอะวาแลนช์ จะเพิ่มประจุจากโฟตอนเดี่ยวให้เป็นพัลส์ที่สามารถวัดได้ ทำให้สามารถจับเวลาและนับโฟตอนแต่ละตัวได้

ความละเอียดพลังงานโดยธรรมชาติในย่านพลังงานสูง

โฟตอนรังสีเอกซ์จะปลดปล่อยพาหะประจุจำนวนมากตามสัดส่วนของพลังงาน ทำให้เครื่องตรวจจับสามารถสร้างภาพและวัดพลังงานโฟตอนได้อย่างคร่าวๆ ซึ่งได้รับการปรับปรุงให้คมชัดขึ้นอย่างมากด้วยแคลอริมิเตอร์แบบไครโอเจนิก

เครื่องตรวจจับแบบตัวนำยิ่งยวดที่แยกแยะพลังงานได้

เซ็นเซอร์ขอบการเปลี่ยนสถานะ, เครื่องตรวจจับความเหนี่ยวนำจลน์, และรอยต่ออุโมงค์จะตรวจจับพลังงานเล็กน้อยที่โฟตอนเดี่ยวตกกระทบในตัวนำยิ่งยวด ทำให้ได้ความละเอียดพลังงานและเวลาโดยธรรมชาติแม้ในย่านความยาวคลื่นแสงที่มองเห็นได้

Clinical relevance

เครื่องตรวจจับเหล่านี้มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อดาราศาสตร์รังสีเอกซ์และรังสีแกมมา, การศึกษาพัลซาร์และการบังกันด้วยการจับเวลาที่รวดเร็ว, และการวัดทางแสงที่จำกัดด้วยควอนตัม; อาร์เรย์ที่แยกแยะพลังงานได้มีแนวโน้มที่จะนำไปสู่การทำสเปกโทรสโกปีโดยไม่ต้องใช้อุปกรณ์กระจายแสง

History

โฟโตมัลติพลายเออร์ช่วยให้การวัดแสงมีความแม่นยำตั้งแต่ทศวรรษ 1940 และเครื่องนับแบบสัดส่วนได้เปิดศักราชดาราศาสตร์รังสีเอกซ์ในทศวรรษ 1960 แคลอริมิเตอร์แบบไครโอเจนิกและเครื่องตรวจจับแบบตัวนำยิ่งยวดที่พัฒนาขึ้นตั้งแต่ทศวรรษ 1990 ปัจจุบันให้ความละเอียดสเปกตรัมสูงในย่านพลังงานรังสีเอกซ์ และความละเอียดพลังงานโฟตอนเดี่ยวในย่านแสงที่มองเห็นได้

Key figures

• Riccardo Giacconi
• Bruce Cabrera

Seminal works

• rieke2003
• mclean2008

Frequently asked questions

เครื่องตรวจจับสามารถวัดพลังงานของโฟตอนเดี่ยวได้อย่างไร?

เมื่อโฟตอนถูกดูดกลืน มันจะฝากพลังงานในปริมาณที่คงที่ เครื่องตรวจจับเช่นแคลอริมิเตอร์แบบไครโอเจนิกจะตรวจจับการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิเพียงเล็กน้อยที่เกิดขึ้น หรือนับพาหะประจุที่ถูกปล่อยออกมา ซึ่งทั้งสองอย่างนี้จะแปรผันตามพลังงานของโฟตอน ทำให้สามารถวัดพลังงานของโฟตอนแต่ละตัวได้

เหตุใดเครื่องตรวจจับแบบตัวนำยิ่งยวดจึงทำงานที่อุณหภูมิต่ำมาก?

เครื่องตรวจจับเหล่านี้ใช้ประโยชน์จากความไวสูงของตัวนำยิ่งยวดใกล้กับอุณหภูมิการเปลี่ยนสถานะ ซึ่งพลังงานของโฟตอนเดี่ยวสามารถทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงที่วัดได้ สภาวะที่ละเอียดอ่อนนี้มีอยู่เฉพาะที่อุณหภูมิใกล้ศูนย์สัมบูรณ์เท่านั้น ดังนั้นเครื่องตรวจจับจึงต้องถูกเก็บไว้ในตู้เย็นไครโอเจนิก