प्रस्तावना, फोटॉन मोजणी प्रकारचा रेखीय हिमस्खलन फोटोडिटेक्टर

प्रस्तावना, फोटॉन मोजणी प्रकाररेखीय हिमस्खलन फोटोडिटेक्टर

फोटॉन मोजणी तंत्रज्ञान इलेक्ट्रॉनिक उपकरणांमधील रीडआउट नॉईजवर मात करण्यासाठी फोटॉन सिग्नलला पूर्णपणे प्रवर्धित करू शकते, आणि मंद प्रकाश किरणांच्या परिस्थितीत डिटेक्टरच्या आउटपुट इलेक्ट्रिकल सिग्नलच्या नैसर्गिक विविक्त वैशिष्ट्यांचा वापर करून एका विशिष्ट कालावधीत डिटेक्टरद्वारे उत्सर्जित केलेल्या फोटॉनची संख्या नोंदवते, आणि फोटॉन मीटरच्या मूल्यानुसार मोजल्या जाणाऱ्या लक्ष्याच्या माहितीची गणना करते. अत्यंत मंद प्रकाशात शोध घेणे शक्य करण्यासाठी, विविध देशांमध्ये फोटॉन शोध क्षमता असलेल्या अनेक वेगवेगळ्या प्रकारच्या उपकरणांचा अभ्यास केला गेला आहे. एक सॉलिड स्टेट अव्हॅलेंच फोटोडायोड (APD फोटोडिटेक्टरहे एक असे उपकरण आहे जे प्रकाश संकेत ओळखण्यासाठी अंतर्गत फोटोइलेक्ट्रिक परिणामाचा वापर करते. व्हॅक्यूम उपकरणांच्या तुलनेत, सॉलिड-स्टेट उपकरणांचे प्रतिसाद गती, डार्क काउंट, वीज वापर, आकारमान आणि चुंबकीय क्षेत्र संवेदनशीलता इत्यादी बाबतीत स्पष्ट फायदे आहेत. शास्त्रज्ञांनी सॉलिड-स्टेट APD फोटॉन काउंटिंग इमेजिंग तंत्रज्ञानावर आधारित संशोधन केले आहे.

APD फोटोडिटेक्टर उपकरणगायगर मोड (GM) आणि लिनियर मोड (LM) असे दोन कार्यप्रणालीचे प्रकार असले तरी, सध्याचे APD फोटॉन काउंटिंग इमेजिंग तंत्रज्ञान प्रामुख्याने गायगर मोड APD उपकरणांचा वापर करते. गायगर मोड APD उपकरणांमध्ये एकल फोटॉनच्या पातळीवर उच्च संवेदनशीलता आणि काही नॅनोसेकंदांचा उच्च प्रतिसाद वेग असतो, ज्यामुळे उच्च वेळेची अचूकता प्राप्त होते. तथापि, गायगर मोड APD मध्ये डिटेक्टर डेड टाइम, कमी डिटेक्शन कार्यक्षमता, मोठे ऑप्टिकल क्रॉसटॉक आणि कमी स्पॅशियल रिझोल्यूशन यांसारख्या काही समस्या आहेत, त्यामुळे उच्च डिटेक्शन दर आणि कमी फॉल्स अलार्म दर यांच्यातील विरोधाभास ऑप्टिमाइझ करणे कठीण आहे. जवळपास-आवाजरहित उच्च-गेन HgCdTe APD उपकरणांवर आधारित फोटॉन काउंटर्स लिनियर मोडमध्ये कार्य करतात, त्यांना डेड टाइम आणि क्रॉसटॉकचे कोणतेही निर्बंध नसतात, गायगर मोडशी संबंधित पोस्ट-पल्स नसतो, क्वेंच सर्किट्सची आवश्यकता नसते, त्यांची डायनॅमिक रेंज अत्यंत उच्च असते, स्पेक्ट्रल रिस्पॉन्स रेंज विस्तृत आणि ट्यून करण्यायोग्य असते, आणि डिटेक्शन कार्यक्षमता व फॉल्स काउंट दरासाठी स्वतंत्रपणे ऑप्टिमाइझ केले जाऊ शकते. यामुळे इन्फ्रारेड फोटॉन काउंटिंग इमेजिंगचे एक नवीन उपयोजन क्षेत्र खुले होते, ही फोटॉन काउंटिंग उपकरणांची एक महत्त्वाची विकास दिशा आहे आणि खगोलशास्त्रीय निरीक्षण, मुक्त अवकाश संचार, सक्रिय आणि निष्क्रिय इमेजिंग, फ्रिंज ट्रॅकिंग इत्यादींमध्ये याला व्यापक उपयोजनाची शक्यता आहे.

HgCdTe APD उपकरणांमध्ये फोटॉन मोजणीचे तत्त्व

HgCdTe पदार्थांवर आधारित APD फोटोडिटेक्टर उपकरणे तरंगलांबीची विस्तृत श्रेणी व्यापू शकतात आणि इलेक्ट्रॉन व होल यांचे आयनीकरण गुणांक खूप भिन्न असतात (आकृती १ (अ) पहा). ते १.३~११ µm च्या कट-ऑफ तरंगलांबीमध्ये एकल वाहक गुणाकार यंत्रणा दर्शवतात. यामध्ये जवळजवळ कोणताही अतिरिक्त आवाज (excess noise) नसतो (Si APD उपकरणांच्या FSi~2-3 आणि III-V फॅमिली उपकरणांच्या FIII-V~4-5 या अतिरिक्त आवाज घटकांच्या तुलनेत (आकृती १ (ब) पहा)), त्यामुळे गेन वाढल्याने उपकरणांचे सिग्नल-टू-नॉइज गुणोत्तर जवळजवळ कमी होत नाही, जे एक आदर्श इन्फ्रारेड उपकरण आहे.हिमस्खलन फोटोडिटेक्टर.

आकृती १ (अ) मर्क्युरी कॅडमियम टेल्युराइड पदार्थाच्या इम्पॅक्ट आयनीकरण गुणांक गुणोत्तर आणि Cd च्या घटक x यांच्यातील संबंध; (ब) वेगवेगळ्या पदार्थ प्रणाली असलेल्या APD उपकरणांच्या अतिरिक्त नॉईज फॅक्टर F ची तुलना.

फोटॉन काउंटिंग तंत्रज्ञान हे एक नवीन तंत्रज्ञान आहे, जे एका विशिष्ट प्रकाश स्रोताद्वारे निर्माण होणाऱ्या फोटोइलेक्ट्रॉन स्पंदांचे विश्लेषण करून, औष्णिक गोंधळातून प्रकाशीय संकेत डिजिटल पद्धतीने वेगळे काढू शकते.फोटोडिटेक्टरएक फोटॉन प्राप्त झाल्यानंतर, कमी-प्रकाशाचा सिग्नल टाइम डोमेनमध्ये अधिक विखुरलेला असल्यामुळे, डिटेक्टरद्वारे आउटपुट होणारा इलेक्ट्रिकल सिग्नल देखील नैसर्गिक आणि विविक्त असतो. कमी प्रकाशाच्या या वैशिष्ट्यानुसार, अत्यंत कमी प्रकाश शोधण्यासाठी सामान्यतः पल्स ॲम्प्लिफिकेशन, पल्स डिस्क्रिमिनेशन आणि डिजिटल काउंटिंग तंत्रांचा वापर केला जातो. आधुनिक फोटॉन काउंटिंग तंत्रज्ञानाचे अनेक फायदे आहेत, जसे की उच्च सिग्नल-टू-नॉइज रेशो, उच्च डिस्क्रिमिनेशन, उच्च मापन अचूकता, चांगली अँटी-ड्रिफ्ट, चांगली टाइम स्टॅबिलिटी, आणि ते पुढील विश्लेषण आणि प्रक्रियेसाठी डिजिटल सिग्नलच्या स्वरूपात डेटा संगणकावर आउटपुट करू शकते, जे इतर शोध पद्धतींमध्ये अतुलनीय आहे. सध्या, फोटॉन काउंटिंग प्रणालीचा वापर औद्योगिक मापन आणि कमी-प्रकाश शोधण्याच्या क्षेत्रात मोठ्या प्रमाणावर केला जातो, जसे की नॉनलाइनर ऑप्टिक्स, आण्विक जीवशास्त्र, अल्ट्रा-हाय रिझोल्यूशन स्पेक्ट्रोस्कोपी, खगोलशास्त्रीय फोटोमेट्री, वातावरणीय प्रदूषण मापन इत्यादी, जे कमी प्रकाश सिग्नल मिळवणे आणि शोधण्याशी संबंधित आहेत. मर्क्युरी कॅडमियम टेल्युराइड अव्हॅलेंच फोटोडिटेक्टरमध्ये अतिरिक्त नॉईज जवळजवळ नसतो, गेन वाढल्यावर सिग्नल-टू-नॉईज रेशो कमी होत नाही, आणि गायगर अव्हॅलेंच उपकरणांशी संबंधित डेड टाइम व पोस्ट-पल्स निर्बंध नसतात, ज्यामुळे ते फोटॉन मोजणीच्या अनुप्रयोगासाठी अत्यंत योग्य आहे आणि भविष्यात फोटॉन मोजणी उपकरणांच्या विकासाची एक महत्त्वाची दिशा आहे.