Einzelphotonenzählung mit GHz-Rate

Ein Schema, das von mehreren aktuellen Teilchenphysik-Detektoren verwendet wird, kann mit ziemlicher Sicherheit zum Laufen gebracht werden (obwohl es im Allgemeinen kundenspezifische Hochgeschwindigkeitselektronik beinhaltet, die ziemlich teuer ist; vielleicht kann ein kleines System mit nur einem guten FPGA davonkommen ...).

Das Grundschema besteht darin, die Ausgabe der primären Detektoren (PMTs oder was auch immer) kontinuierlich in einen Ringpuffer von Ringpuffern zu digitalisieren. Die beiden Instanzen dieses Systems, mit denen ich gearbeitet habe, verwendeten ADC-Breiten$8$--$32\,\mathrm{ns}$, aber daran ist nichts Besonderes: Sie könnten ziemlich leicht und ungefähr auf etwa 1 ns herunterkommen$0.1\,\mathrm{ns}$sollte möglich sein.

Auf der Elektronikebene wird das Primärsignal vorverstärkt (falls erforderlich/gewünscht, oft ist die primäre Detektorverstärkung ausreichend) und (mindestens) dem Trigger und der digitalen Elektronik zugeführt.

Die digitale Elektronik wird durch unterstützt$N$Ringpuffer von$M$Proben jeweils. Jeder Puffer hält auch Zeiger auf den Anfang und das Ende der kürzlich geschriebenen Daten. Das System arbeitet zu jeder Zeit an einer Probe$m \in [0,M)$Puffer$n \in [0,N)$; die Probe ist geschrieben und die Arbeitsprobe ist fortgeschritten$m := (m + 1) \bmod M$. Falls kein Trigger auftritt, darf das System kontinuierlich "uninteressante" Daten als überschreiben$m$durchläuft den gesamten Bereich.

Wenn ein Trigger auftritt, rückt das System den Puffer vor$n := (n+1) \bmod N$damit die neuesten Puffer nicht überschrieben werden.

Das Datenerfassungssystem kann dann die zwischengespeicherten Puffer auslesen, wenn Zeit verfügbar ist, und die "interessanten" Teile des Signals rekonstruieren. (Wenn Sie wissen müssen, wie die "uninteressanten" Teile des Signals aussehen, können Sie immer einen falschen Trigger erzeugen, um das "Nichts" zu speichern; dies wird als "Minimum Bias" oder "Random" Trigger bezeichnet und Sie brauchen im Allgemeinen einen .)

Die Größe der einzelnen Puffer wird so gewählt, dass sichergestellt ist, dass sich das gesamte Signal in einem einzigen zwischengespeicherten Fenster befinden sollte. Die Anzahl der benötigten Puffer hängt von der erwarteten Rate und der Ausleselatenz ab. Sie brauchen ein Schema, um mit Triggern umzugehen, die so nahe beieinander liegen, dass der "nächste" Puffer immer noch veraltete Daten enthält (nur teilweise überschrieben), und andere Probleme, die Sie sicher selbst sehen können, wenn Sie darüber nachdenken.

Dies zählt nicht unbedingt Photonen, es ermöglicht Ihnen, das analoge Signal vom Detektor mit einer zeitähnlichen Granularität in der Größenordnung der Abtastbreite ungefähr zu rekonstruieren. Sie können also nicht unbedingt den Unterschied zwischen beispielsweise zwei grünen Photonen in enger Übereinstimmung und einem nahen UV-Photon erkennen, aber dies ist oft gut genug.

Ich vermute, dass Hochgeschwindigkeits-Oszilloskope intern etwas Ähnliches tun.

Ab Februar 2016 gibt es zwei Möglichkeiten, Photonen mit Raten von mehr als GHz tatsächlich zu zählen, die erschwinglich und technisch einwandfrei sind. Die Technologie hat sich weiterentwickelt, im Gegensatz zu übertriebener Spezifikationen. Hamamatsu stellt eine Hybridröhre R10467U-40 mit 45 % QE im sichtbaren Bereich und der Fähigkeit her, Photonen mit Raten von mehreren GHz zu zählen. Dies wurde für LIDAR unter Verwendung eines doppelten YAG-Lasers bei NPS erreicht. Lidar-Signale sind eine Kombination aus exponentiellem Abfall und 1/R^2, und die Hybrid-Röhre eignet sich hervorragend zum Verringern von Signalen. Dies ähnelt dem Fluoreszenzzerfall, ist jedoch aufgrund des großen Dynamikbereichs und des extrem variierenden Signals schwieriger. Hamamatsu hat eine andere Röhre, die auch eine anhaltende GHz-Zählung ermöglicht, die funktionieren würde, aber nicht so für diese Anwendung geeignet ist.

Auf der letzten Seite des folgenden Weblinks gibt es Literatur, die unter About Photon Counting die Stärken und Schwächen verschiedener Detektoren vergleicht. Die Hersteller neigen dazu, nicht auf die Schwächen verschiedener Detektoren hinzuweisen, aber dieser Artikel basiert auf 40 Jahren Erfahrung.

http://www.photoncounting.net/

Kürzlich wurde ein neuer digitaler Schnittstellenausgang zur Hybridröhre entwickelt und getestet. Der Photonenzähler im Link kann 250-ps-Bins ausführen, indem alle vier Kanäle verwendet werden, oder man kann 10x so viel bezahlen und eine etwas bessere Bin-Auflösung erhalten. Zwei der Verstärker in der Verbindung würden eine 2-GHz-Photonenzählung ermöglichen.

Im Gegensatz zu Elektronenvervielfachern kann sich die Hybridröhre von einem großen Signal in einer Nanosekunde ohne Abklingfahne erholen. Eine genaue Messung der Fluoreszenzlebensdauer würde am besten durch das Sammeln einer großen Anzahl von Photonen erfolgen, anstatt ihre Ankunftszeit auf wenige Pikosekunden zu messen, und die 10-MHz-Photonenzählung hätte Schwierigkeiten, dies zu tun. Die Ghz-Photonenzähltechnik ist eine enorme Verbesserung gegenüber der Ultrazentrifugen-Lichtzerhackertechnik mit 20.000 U / min, die ich verwendet habe, um die Zerfallslebensdauer im Subnanosekundenbereich mit einem PMT im Mittelalter zu messen.

Die Gesamtkosten für ein GHz-System sollten unter der Annahme, dass man ein digitales Oszilloskop hat, weniger als viertausend Dollar betragen. Die meisten Firmen veröffentlichen ihre Preise für die Photonenzähler nicht mehr. Zwei Unternehmen, die ultraschnelle Systeme herstellen, sind:

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

und

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

Diese Photonenzähler sind in der Regel teuer - 5000 EU bis 15.000 EU. Die ausgezeichnete Literatur bei Becker-hickl beschreibt Messungen der Hybridröhre und Techniken zum Fluoreszenzzerfall.

Es sind jetzt erschwingliche digitale Logikchips mit Anstiegszeiten von 30 Pikosekunden und Umschaltraten von über 10 GHz verfügbar. Es ist Zeit für ein Update zu dieser Frage.