フォトンカウンティング型リニアアバランシェ光検出器の紹介

入門、フォトンカウンティングタイプリニアアバランシェ光検出器

フォトンカウンティング技術は、電子デバイスの読み出しノイズを克服するために光子信号を完全に増幅し、弱い光照射下での検出器出力電気信号の自然な離散特性を利用して、一定期間内に検出器によって出力される光子の数を記録することができます。 、フォトンメーターの値に応じて測定対象の情報を計算します。微弱な光の検出を実現するために、光子検出機能を備えた装置が各国で研究されています。固体アバランシェフォトダイオード (APD光検出器）は、内部の光電効果を利用して光信号を検出するデバイスです。真空デバイスと比較して、ソリッドステートデバイスは、応答速度、ダークカウント、消費電力、体積、磁場感度などの点で明らかな利点があります。科学者は、ソリッドステートAPDフォトンカウンティングイメージング技術に基づいた研究を実施してきました。

APD光検出装置ガイガー モード (GM) とリニア モード (LM) の 2 つの動作モードがあり、現在の APD フォトン カウンティング イメージング技術は主にガイガー モード APD デバイスを使用します。ガイガーモードAPDデバイスは、単一光子レベルの高感度と数十ナノ秒の高速応答速度を備え、高い時間精度が得られます。しかし、ガイガーモードAPDには、検出器のデッドタイム、低い検出効率、大きな光学クロスワード、低い空間分解能などの問題があり、高い検出率と低い誤警報率の矛盾を最適化することが困難です。ほぼノイズレスの高利得 HgCdTe APD デバイスをベースにしたフォトンカウンターは、リニアモードで動作し、デッドタイムやクロストークの制限がなく、ガイガーモードに関連するポストパルスがなく、クエンチ回路が不要で、超高ダイナミックレンジ、広帯域を備えています。調整可能なスペクトル応答範囲を備えており、検出効率と誤計数率を個別に最適化できます。これは、赤外線フォトンカウンティングイメージングの新たな応用分野を切り開き、フォトンカウンティングデバイスの重要な開発方向であり、天体観測、自由空間通信、アクティブおよびパッシブイメージング、縞追跡などにおける幅広い応用の見通しを持っています。

HgCdTe APD デバイスにおけるフォトンカウンティングの原理

HgCdTe 材料をベースとした APD 光検出器デバイスは、広範囲の波長をカバーでき、電子と正孔のイオン化係数は大きく異なります (図 1 (a) を参照)。 1.3～11μmのカットオフ波長内でシングルキャリア増倍機構を示します。過剰ノイズはほとんどありません（Si APD デバイスの過剰ノイズ係数 FSi ～ 2 ～ 3、III-V ファミリ デバイスの FIII-V ～ 4 ～ 5 と比較して（図 1 (b) を参照））、信号デバイスの対雑音比はゲインが増加してもほとんど低下せず、これは理想的な赤外線です。アバランシェ光検出器.

イチジク。 1 (a) 水銀カドミウムテルル化物材料の衝撃イオン化係数比とCdの成分xとの関係。 (b) 異なる材料系の APD デバイスの過剰雑音指数 F の比較

フォトンカウンティング技術は、熱雑音から発生する光電子パルスを分解することで、デジタル的に光信号を抽出できる新しい技術です。光検出器単一の光子を受け取った後。低照度信号は時間領域でより分散しているため、検出器から出力される電気信号も自然で離散的です。この微弱な光の特性を利用して、通常、極微弱な光を検出するにはパルス増幅、パルス弁別、デジタル計数などの手法が用いられます。最新のフォトンカウンティング技術には、高い信号対雑音比、高い識別、高い測定精度、良好なアンチドリフト、良好な時間安定性などの多くの利点があり、その後の分析のためにデジタル信号の形式でデータをコンピュータに出力できます。他の検出方法では比類のない処理が可能です。現在、フォトンカウンティングシステムは、非線形光学、分子生物学、超高分解能分光法、天体測光、大気汚染測定などの工業用測定および微弱光検出の分野で広く使用されています。微弱な光信号の取得と検出に。水銀カドミウムテルル化物アバランシェ光検出器には余分なノイズがほとんどなく、ゲインが増加しても信号対雑音比が減衰せず、ガイガーアバランシェデバイスに関連するデッドタイムやポストパルス制限がないため、非常に適しています。これは、フォトンカウンティングへの応用であり、将来のフォトンカウンティングデバイスの重要な開発方向です。