บทนำ เครื่องตรวจจับหิมะถล่มแบบเชิงเส้นชนิดนับโฟตอน

บทนำ ประเภทการนับโฟตอนเครื่องตรวจจับหิมะถล่มเชิงเส้น

เทคโนโลยีการนับโฟตอนสามารถขยายสัญญาณโฟตอนได้อย่างเต็มที่เพื่อเอาชนะสัญญาณรบกวนการอ่านของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ และบันทึกจำนวนโฟตอนที่ส่งออกโดยเครื่องตรวจจับในช่วงระยะเวลาหนึ่งโดยใช้ลักษณะเฉพาะตามธรรมชาติของสัญญาณไฟฟ้าที่ส่งออกจากเครื่องตรวจจับภายใต้การฉายแสงที่อ่อน และคำนวณข้อมูลของเป้าหมายที่วัดได้ตามค่าของมิเตอร์โฟตอน เพื่อให้สามารถตรวจจับแสงที่อ่อนมากได้ เครื่องมือหลายประเภทที่มีความสามารถในการตรวจจับโฟตอนได้รับการศึกษาในหลายประเทศ โฟโตไดโอดแบบโซลิดสเตตสำหรับหิมะถล่ม (เครื่องตรวจจับภาพ APD) เป็นอุปกรณ์ที่ใช้เอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริกภายในเพื่อตรวจจับสัญญาณแสง เมื่อเปรียบเทียบกับอุปกรณ์สูญญากาศ อุปกรณ์โซลิดสเตตมีข้อได้เปรียบที่ชัดเจนในด้านความเร็วในการตอบสนอง การนับจำนวนมืด การใช้พลังงาน ปริมาตร และความไวของสนามแม่เหล็ก เป็นต้น นักวิทยาศาสตร์ได้ทำการวิจัยโดยอาศัยเทคโนโลยีการถ่ายภาพการนับโฟตอน APD แบบโซลิดสเตต

อุปกรณ์ตรวจจับภาพ APDมีโหมดการทำงานสองโหมดคือ Geiger mode (GM) และ linear mode (LM) เทคโนโลยีการถ่ายภาพนับโฟตอน APD ในปัจจุบันใช้เครื่อง Geiger mode APD เป็นหลัก อุปกรณ์ Geiger mode APD มีความไวสูงในระดับโฟตอนเดียวและความเร็วในการตอบสนองสูงถึงสิบนาโนวินาทีเพื่อให้ได้ความแม่นยำของเวลาสูง อย่างไรก็ตาม Geiger mode APD มีปัญหาบางอย่าง เช่น เวลาตายของเครื่องตรวจจับ ประสิทธิภาพการตรวจจับต่ำ ปริศนาอักษรไขว้แบบออปติคอลขนาดใหญ่ และความละเอียดเชิงพื้นที่ต่ำ ดังนั้นจึงยากที่จะปรับให้เหมาะสมสำหรับความขัดแย้งระหว่างอัตราการตรวจจับที่สูงและอัตราการแจ้งเตือนเท็จที่ต่ำ เครื่องนับโฟตอนที่ใช้ HgCdTe APD ที่มีอัตราขยายสูงเกือบไม่มีสัญญาณรบกวนทำงานในโหมดเชิงเส้น ไม่มีข้อจำกัดเรื่องเวลาตายและครอสทอล์ก ไม่มีโพสต์พัลส์ที่เกี่ยวข้องกับโหมด Geiger ไม่ต้องใช้วงจรดับ มีช่วงไดนามิกสูงมาก ช่วงการตอบสนองสเปกตรัมกว้างและปรับได้ และสามารถปรับให้เหมาะสมสำหรับประสิทธิภาพการตรวจจับและอัตราการนับเท็จได้อย่างอิสระ ช่วยเปิดประตูสู่การประยุกต์ใช้งานใหม่ของการถ่ายภาพนับโฟตอนอินฟราเรด นับเป็นทิศทางการพัฒนาที่สำคัญของอุปกรณ์นับโฟตอน และมีแนวโน้มการประยุกต์ใช้งานที่กว้างขวางในด้านการสังเกตทางดาราศาสตร์ การสื่อสารในอวกาศ การถ่ายภาพแบบแอ็คทีฟและพาสซีฟ การติดตามขอบ และอื่นๆ

หลักการนับโฟตอนในอุปกรณ์ APD HgCdTe

อุปกรณ์ตรวจจับแสง APD ที่ใช้สาร HgCdTe สามารถครอบคลุมช่วงความยาวคลื่นได้หลากหลาย และค่าสัมประสิทธิ์การแตกตัวของอิเล็กตรอนและโฮลมีความแตกต่างกันมาก (ดูรูปที่ 1 (a)) อุปกรณ์เหล่านี้แสดงกลไกการเพิ่มจำนวนตัวพาแบบเดียวภายในช่วงความยาวคลื่นตัดที่ 1.3~11 µm แทบไม่มีสัญญาณรบกวนเกิน (เมื่อเปรียบเทียบกับปัจจัยสัญญาณรบกวนเกิน FSi~2-3 ของอุปกรณ์ Si APD และ FIII-V~4-5 ของอุปกรณ์ในตระกูล III-V (ดูรูปที่ 1 (b)) ดังนั้นอัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวนของอุปกรณ์จึงแทบจะไม่ลดลงเมื่อค่าเกนเพิ่มขึ้น ซึ่งเป็นอินฟราเรดในอุดมคติเครื่องตรวจจับหิมะถล่ม.

รูปที่ 1 (ก) ความสัมพันธ์ระหว่างอัตราส่วนค่าสัมประสิทธิ์การแตกตัวของผลกระทบของวัสดุปรอทแคดเมียมเทลลูไรด์กับองค์ประกอบ x ของแคดเมียม (ข) การเปรียบเทียบค่าปัจจัยเสียงส่วนเกิน F ของอุปกรณ์ APD กับระบบวัสดุที่แตกต่างกัน

เทคโนโลยีการนับโฟตอนเป็นเทคโนโลยีใหม่ที่สามารถแยกสัญญาณออปติกจากสัญญาณรบกวนความร้อนแบบดิจิทัลด้วยการแยกพัลส์โฟโตอิเล็กตรอนที่สร้างขึ้นโดยเครื่องตรวจจับภาพหลังจากได้รับโฟตอนเดียว เนื่องจากสัญญาณแสงน้อยกระจายตัวมากขึ้นในโดเมนเวลา สัญญาณไฟฟ้าที่ส่งออกโดยเครื่องตรวจจับจึงเป็นธรรมชาติและแยกจากกัน ตามลักษณะของแสงอ่อนนี้ การขยายพัลส์ การแยกแยะพัลส์ และการนับแบบดิจิทัลมักใช้เพื่อตรวจจับแสงอ่อนมาก เทคโนโลยีการนับโฟตอนสมัยใหม่มีข้อดีมากมาย เช่น อัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวนสูง การแยกแยะสูง ความแม่นยำในการวัดสูง ป้องกันการเลื่อนไหลได้ดี เสถียรภาพเวลาดี และสามารถส่งข้อมูลไปยังคอมพิวเตอร์ในรูปแบบของสัญญาณดิจิทัลสำหรับการวิเคราะห์และประมวลผลในภายหลัง ซึ่งไม่มีวิธีตรวจจับอื่นเทียบได้ ในปัจจุบัน ระบบการนับโฟตอนได้รับการใช้กันอย่างแพร่หลายในด้านการวัดทางอุตสาหกรรมและการตรวจจับแสงน้อย เช่น ออปติกแบบไม่เชิงเส้น ชีววิทยาโมเลกุล สเปกโตรสโคปีความละเอียดสูงพิเศษ โฟโตเมตรีดาราศาสตร์ การวัดมลภาวะในบรรยากาศ ฯลฯ ซึ่งเกี่ยวข้องกับการรับและตรวจจับสัญญาณแสงอ่อน เครื่องตรวจจับหิมะถล่มเทลลูไรด์ปรอทแคดเมียมแทบไม่มีสัญญาณรบกวนส่วนเกิน เมื่อค่าเกนเพิ่มขึ้น อัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวนจะไม่ลดลง และไม่มีข้อจำกัดเรื่องเวลาตายและโพสต์พัลส์ที่เกี่ยวข้องกับอุปกรณ์หิมะถล่มไกเกอร์ ซึ่งเหมาะมากสำหรับการนำไปใช้ในการนับโฟตอน และถือเป็นทิศทางการพัฒนาที่สำคัญของอุปกรณ์นับโฟตอนในอนาคต