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Recuento de fotones individuales a velocidad de GHz

Esta división ha sido probado por nuestros especialistas así aseguramos la exactitud de nuestro post.

Solución:

Es casi seguro que se puede hacer que funcione un esquema utilizado por varios detectores de física de partículas actuales (aunque generalmente implica componentes electrónicos personalizados de alta velocidad que son bastante costosos; quizás un sistema pequeño puede salirse con la suya con solo una buena FPGA …).

El esquema básico es digitalizar continuamente la salida de los detectores primarios (PMT o lo que sea) en un búfer circular de búferes circulares. Las dos instancias de este sistema con las que he trabajado usaban anchos de ADC de $ 8 $ – $ 32 , mathrm ns $, pero no hay nada especial en eso: podría bajar a alrededor de 1 ns con bastante facilidad y alrededor de $ 0.1 , mathrm ns $ debería ser posible.

En el nivel de la electrónica, la señal primaria se preamplifica (si es necesario / deseado, a menudo la ganancia del detector primario es suficiente) y se divide en (al menos) el disparador y la electrónica digital.

La electrónica digital está respaldada por búferes circulares de $ N $ de muestras de $ M $ cada uno. Cada búfer también mantiene punteros al inicio y al final de los datos escritos recientemente. En cualquier momento dado, el sistema está trabajando en la muestra $ m en[0M)$delbúfer$nen[0N)$;seescribelamuestrayseavanzalamuestradetrabajo$m:=(m+1)bmodM$Enelcasodequenoocurraningúndisparadorelsistemapuedesobrescribircontinuamentedatos”nointeresantes”amedidaque$m$recorretodoelrango[0M)$ofbuffer$nin[0N)$;thesampleiswrittenandtheworkingsampleisadvanced$m:=(m+1)bmodM$Intheeventthatnotriggeroccursthesystemisallowedtocontinuouslyoverwrite”uninteresting”dataas$m$cyclesthroughthewholerange

Cuando ocurre un disparo, el sistema avanza el búfer $ n: = (n + 1) bmod N $ para que el búfer (s) más reciente no se sobrescriba.

El sistema de adquisición de datos puede leer las memorias intermedias bloqueadas cuando haya tiempo disponible y reconstruir las partes “interesantes” de la señal. (Si necesita saber cómo se ven las partes “poco interesantes” de la señal, siempre puede generar un false gatillo para enganchar el “nada”; esto se llama un desencadenante de “sesgo mínimo” o “aleatorio” y generalmente hacer necesito uno.)

El tamaño de los búferes individuales se elige para asegurar que toda la señal esté en una sola ventana cerrada. La cantidad de búferes que necesita depende de la tasa esperada y la latencia de lectura. Necesita algún esquema para lidiar con los desencadenantes que se acerquen tanto que el “siguiente” búfer todavía contenga datos obsoletos (solo parcialmente sobrescritos) y otros problemas que estoy seguro de que puede ver por sí mismo si lo piensa.

Esto no necesariamente cuenta fotones, le permite reconstruir aproximadamente la señal analógica del detector con una granularidad similar al tiempo en el orden del ancho de la muestra. Por lo tanto, no necesariamente se puede distinguir la diferencia entre, digamos, dos fotones verdes en estrecha coincidencia y uno cerca de un fotón UV, pero esto a menudo es lo suficientemente bueno.

Sospecho que los osciloscopios de captura de alta velocidad hacen algo similar internamente.

A partir de febrero de 2016, hay dos formas de contar fotones a velocidades superiores a GHz que son asequibles y técnicamente sólidas. La tecnología ha avanzado, a diferencia de las fanfarronadas con exceso de especificaciones. Hamamatsu fabrica un tubo híbrido R10467U-40 con un 45% de QE en el visible y la capacidad de contar fotones a múltiples velocidades de GHz. Esto se ha logrado para LIDAR utilizando un láser YAG duplicado en NPS. Las señales Lidar son una combinación de decaimiento exponencial y 1 / R ^ 2, y el tubo híbrido es excelente para señales decrecientes. Esto es similar a la disminución de la fluorescencia, pero más difícil debido al gran rango dinámico y la señal extremadamente variable. Hamamatsu tiene otro tubo que también permitirá un conteo sostenido de GHz que funcionaría pero no está tan adaptado a esta aplicación.

Hay literatura en la última página del siguiente enlace web que compara las fortalezas y debilidades de varios detectores en Acerca del conteo de fotones. Los fabricantes tienden a no señalar las debilidades de varios detectores, pero este artículo se basa en 40 años de experiencia.

http://www.photoncounting.net/

Recientemente se ha desarrollado y probado una nueva interfaz de salida digital para el tubo híbrido. El contador de fotones en el enlace puede hacer contenedores de 250 ps usando los cuatro canales, o uno puede pagar 10 veces más y obtener una resolución de contenedor ligeramente mejor. Dos de los amplificadores del enlace permitirían el recuento de fotones de 2 GHz.

A diferencia de los multiplicadores de electrones, el tubo híbrido puede recuperarse de una gran señal en un nanosegundo sin cola de desintegración. La mejor manera de medir la vida útil de los fluorescentes con precisión sería recolectar una gran cantidad de fotones en lugar de medir su tiempo de llegada a unos pocos picosegundos, y el conteo de fotones de 10 MHz tendría dificultades para hacer esto. La técnica de conteo de fotones de Ghz es una gran mejora con respecto a la técnica de chopper de luz ultracentrífuga de 20,000 rpm que he usado para medir la vida útil de la desintegración de sub-nanosegundos con un PMT en la edad oscura.

El costo total de un sistema de GHz, asumiendo que uno tiene un osciloscopio digital, debería ser menos de cuatro mil dólares. La mayoría de las empresas ya no publican los precios de los contadores de fotones. Dos empresas que fabrican sistemas ultrarrápidos son:

http://www.fastcomtec.com/products/ultra-fast-photon-counters.html

y

http://www.becker-hickl.de/

Estos contadores de fotones tienden a ser caros: 5000 UE a 15 000 UE. La excelente literatura de Becker-hickl describe las mediciones del tubo híbrido y las técnicas para la disminución de la fluorescencia.

Ahora hay chips lógicos digitales asequibles disponibles con tiempos de subida de 30 picosegundos y velocidades de conmutación de más de 10 GHz. Es hora de actualizar esta pregunta.

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