光子计数和能量分辨探测器

光子计数和能量分辨探测器能够记录单个光子，并且在许多情况下，还能测量每个光子的能量和到达时间。这些能力在高能领域至关重要，并且在光学领域也日益有用。

Definition

光子计数探测器将单个光子的到达记录为离散事件，而能量分辨探测器则额外测量每个光子的能量，通常通过感应单个光子沉积的少量热量或电荷来实现。

Scope

本主题涵盖光电倍增管和雪崩光电二极管、微通道板、记录光子能量的X射线探测器（如CCD和量能器），以及包括渡越边传感器、微波动能电感探测器和超导隧道结在内的超导探测器，这些探测器能够在光学波长下分辨能量和时间。

Core questions

• 单个光子是如何被探测和计数的？
• 探测器如何测量每个光子的能量？
• 为什么能量分辨率在X射线能量下自然可用，但在光学波长下却很难实现？
• 超导探测器扮演什么角色？

Key theories

光子计数和增益

光电倍增管和雪崩光电二极管等器件将单个光子产生的电荷倍增成可测量的脉冲，从而能够对单个光子进行计时和计数。

高能下的固有能量分辨率

X射线光子会释放与其能量成比例的许多电荷载流子，因此探测器可以同时成像并粗略测量光子能量，而低温量能器则大大提高了这种测量精度。

超导能量分辨探测器

渡越边传感器、动能电感探测器和隧道结能够感应单个光子在超导体中沉积的微小能量，即使在光学波长下也能提供固有的能量和时间分辨率。

Clinical relevance

这些探测器对于X射线和伽马射线天文学、脉冲星和掩星的快速计时研究以及量子极限光学测量不可或缺；能量分辨阵列有望实现无需色散光学元件的光谱学。

History

光电倍增管自20世纪40年代起实现了精确的光度测量，比例计数器在20世纪60年代开启了X射线天文学。自20世纪90年代以来开发的低温量能器和超导探测器，现在能够在X射线能量下提供高光谱分辨率，并在光学波长下实现单光子能量分辨率。

Key figures

• Riccardo Giacconi
• Bruce Cabrera

Seminal works

• rieke2003
• mclean2008

Frequently asked questions

探测器如何测量单个光子的能量？

当光子被吸收时，它会沉积固定量的能量。低温量能器等探测器会感应由此产生的微小温升，或计数释放的电荷载流子，这两者都与光子能量成比例，从而可以测量每个光子的能量。

为什么超导探测器需要在如此低的温度下运行？

它们利用了超导体在其转变温度附近极高的灵敏度，在此温度下，单个光子的能量会产生可测量的变化。这种精细的状态只存在于接近绝对零度的温度下，因此探测器必须保存在低温制冷机中。