Tasa de GHz conteo de fotones individuales

Es casi seguro que se puede hacer que funcione un esquema utilizado por varios detectores de física de partículas actuales (aunque generalmente involucra electrónica personalizada de alta velocidad que es bastante costosa; tal vez un sistema pequeño pueda salirse con la suya con solo un buen 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 principal se preamplifica (si es necesario/se desea, a menudo la ganancia del detector principal es suficiente) y se divide (al menos) en el disparador y la electrónica digital.

La electrónica digital está respaldada por$N$topes circulares de$M$muestras cada uno. Cada búfer también mantiene punteros al inicio y al final de los datos escritos recientemente. En un momento dado, el sistema está trabajando en la muestra.$m \in [0,M)$de tampón$n \in [0,N)$; se escribe la muestra y se avanza la muestra de trabajo$m := (m + 1) \bmod M$. En el caso de que no ocurra ningún disparador, el sistema puede sobrescribir continuamente los datos "poco interesantes" como$m$ciclos a través de toda la gama.

Cuando ocurre un disparador, el sistema avanza el búfer$n := (n+1) \bmod N$para que los búferes más recientes no se sobrescriban.

El sistema de adquisición de datos puede luego leer los búfer bloqueados a medida que 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 disparador falso para bloquear la "nada"; esto se llama un disparador de "sesgo mínimo" o "aleatorio" y generalmente necesita uno .)

El tamaño de los búferes individuales se elige para garantizar que toda la señal esté en una sola ventana bloqueada. 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 aún 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 los 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 puede notar la diferencia entre, digamos, dos fotones verdes en estrecha coincidencia y un fotón cercano al UV, pero esto a menudo es suficiente.

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 de más de GHz que son asequibles y técnicamente sólidas. La tecnología ha avanzado, a diferencia de las fanfarronadas por 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 varias 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 al decaimiento de la fluorescencia pero más difícil debido al amplio rango dinámico y la señal extremadamente variable. Hamamatsu tiene otro tubo que también permitirá el 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 no suelen señalar las debilidades de varios detectores, pero este artículo lo hace basándose 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 bins de 250 ps usando los cuatro canales, o uno puede pagar 10 veces más y obtener una resolución de bin ligeramente mejor. Dos de los amplificadores en el enlace permitirían el conteo de fotones de 2 GHz.

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

El costo total de un sistema de GHz, suponiendo que uno tenga un osciloscopio digital, debería ser menos de cuatro mil dólares. La mayoría de las empresas ya no publican sus precios para 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 suelen ser caros: de 5000 a 15 000 UE. La excelente bibliografía de Becker-hickl describe medidas del tubo híbrido y técnicas para el decaimiento de la fluorescencia.

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