บทนำ เครื่องตรวจจับหิมะถล่มแบบเชิงเส้นชนิดนับโฟตอน

บทนำ ประเภทการนับโฟตอนเครื่องตรวจจับหิมะถล่มเชิงเส้น

เทคโนโลยีการนับโฟตอนสามารถขยายสัญญาณโฟตอนได้อย่างเต็มที่เพื่อเอาชนะสัญญาณรบกวนจากอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ และบันทึกจำนวนโฟตอนที่ส่งออกจากเครื่องตรวจจับในช่วงระยะเวลาหนึ่งโดยใช้ลักษณะเฉพาะตามธรรมชาติของสัญญาณไฟฟ้าที่ส่งออกจากเครื่องตรวจจับภายใต้แสงที่อ่อน และคำนวณข้อมูลของเป้าหมายที่วัดได้ตามค่าของเครื่องวัดโฟตอน เพื่อให้สามารถตรวจจับแสงที่อ่อนมากได้ จึงมีการศึกษาเครื่องมือหลายชนิดที่มีความสามารถในการตรวจจับโฟตอนในหลายประเทศ โฟโตไดโอดแบบโซลิดสเตตสำหรับหิมะถล่ม (เครื่องตรวจจับภาพ APD) เป็นอุปกรณ์ที่ใช้เอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริกภายในเพื่อตรวจจับสัญญาณแสง เมื่อเทียบกับอุปกรณ์สุญญากาศ อุปกรณ์โซลิดสเตตมีข้อได้เปรียบที่ชัดเจนในด้านความเร็วในการตอบสนอง จำนวนแสงที่มืด การใช้พลังงาน ปริมาตร และความไวต่อสนามแม่เหล็ก เป็นต้น นักวิทยาศาสตร์ได้ทำการวิจัยโดยอาศัยเทคโนโลยีการถ่ายภาพการนับโฟตอน APD แบบโซลิดสเตต

อุปกรณ์ตรวจจับภาพ APDมีโหมดการทำงานสองโหมด คือ โหมดไกเกอร์ (GM) และโหมดเชิงเส้น (LM) เทคโนโลยีการถ่ายภาพการนับโฟตอนของ APD ในปัจจุบันใช้อุปกรณ์ APD โหมดไกเกอร์เป็นหลัก อุปกรณ์ APD โหมดไกเกอร์มีความไวสูงในระดับโฟตอนเดี่ยว และความเร็วในการตอบสนองสูงถึงหลายสิบนาโนวินาที เพื่อให้ได้ความแม่นยำของเวลาสูง อย่างไรก็ตาม APD โหมดไกเกอร์มีปัญหาบางประการ เช่น เวลาตายของเครื่องตรวจจับ ประสิทธิภาพการตรวจจับต่ำ ปริศนาอักษรไขว้ทางแสงขนาดใหญ่ และความละเอียดเชิงพื้นที่ต่ำ ดังนั้นจึงเป็นการยากที่จะปรับให้เหมาะสมระหว่างอัตราการตรวจจับที่สูงและอัตราการเตือนผิดพลาดที่ต่ำ เครื่องนับโฟตอนที่ใช้อุปกรณ์ APD HgCdTe ที่มีอัตราขยายสูงเกือบไร้สัญญาณรบกวน ทำงานในโหมดเชิงเส้น ไม่มีข้อจำกัดเรื่องเวลาตายและครอสทอล์ค ไม่มีโพสต์พัลส์ที่เกี่ยวข้องกับโหมดไกเกอร์ ไม่จำเป็นต้องใช้วงจรดับ มีช่วงไดนามิกสูงมาก ช่วงการตอบสนองสเปกตรัมที่กว้างและปรับได้ และสามารถปรับให้เหมาะสมได้อย่างอิสระเพื่อประสิทธิภาพการตรวจจับและอัตราการนับผิดพลาด มันเปิดสาขาการประยุกต์ใช้งานใหม่ของการถ่ายภาพนับโฟตอนอินฟราเรด ถือเป็นทิศทางการพัฒนาที่สำคัญของอุปกรณ์นับโฟตอน และมีแนวโน้มการประยุกต์ใช้งานที่กว้างขวางในด้านการสังเกตการณ์ทางดาราศาสตร์ การสื่อสารในพื้นที่ว่าง การถ่ายภาพแบบแอ็คทีฟและพาสซีฟ การติดตามขอบ และอื่นๆ

หลักการนับโฟตอนในอุปกรณ์ APD HgCdTe

อุปกรณ์ตรวจจับแสง APD ที่ใช้วัสดุ HgCdTe สามารถครอบคลุมช่วงความยาวคลื่นได้หลากหลาย และค่าสัมประสิทธิ์การแตกตัวของอิเล็กตรอนและโฮลมีความแตกต่างกันอย่างมาก (ดูรูปที่ 1 (a)) อุปกรณ์เหล่านี้แสดงกลไกการเพิ่มจำนวนของพาหะเดี่ยวภายในความยาวคลื่นตัดที่ 1.3~11 ไมโครเมตร แทบไม่มีสัญญาณรบกวนส่วนเกิน (เมื่อเทียบกับค่าปัจจัยสัญญาณรบกวนส่วนเกิน FSi~2-3 ของอุปกรณ์ Si APD และ FIII-V~4-5 ของอุปกรณ์ตระกูล III-V (ดูรูปที่ 1 (b)) ดังนั้นอัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวนของอุปกรณ์จึงแทบจะไม่ลดลงเมื่อค่าเกนเพิ่มขึ้น ซึ่งเป็นค่าอินฟราเรดที่เหมาะสมเครื่องตรวจจับหิมะถล่ม.

รูปที่ 1 (ก) ความสัมพันธ์ระหว่างอัตราส่วนสัมประสิทธิ์การแตกตัวของผลกระทบของวัสดุปรอทแคดเมียมเทลลูไรด์และองค์ประกอบ x ของแคดเมียม (ข) การเปรียบเทียบปัจจัยเสียงรบกวนส่วนเกิน F ของอุปกรณ์ APD กับระบบวัสดุที่แตกต่างกัน

เทคโนโลยีการนับโฟตอนเป็นเทคโนโลยีใหม่ที่สามารถแยกสัญญาณออปติกจากสัญญาณรบกวนความร้อนแบบดิจิทัลโดยแยกพัลส์โฟโตอิเล็กตรอนที่สร้างขึ้นโดยเครื่องตรวจจับภาพหลังจากได้รับโฟตอนเพียงตัวเดียว เนื่องจากสัญญาณแสงน้อยมีการกระจายตัวมากขึ้นในโดเมนเวลา สัญญาณไฟฟ้าที่ส่งออกจากเครื่องตรวจจับจึงเป็นแบบธรรมชาติและไม่ต่อเนื่อง ด้วยลักษณะเฉพาะของแสงอ่อนนี้ มักใช้เทคนิคการขยายพัลส์ การแยกแยะพัลส์ และการนับแบบดิจิทัลเพื่อตรวจจับแสงอ่อนมาก เทคโนโลยีการนับโฟตอนสมัยใหม่มีข้อดีมากมาย เช่น อัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวนสูง การแยกแยะสูง ความแม่นยำในการวัดสูง ระบบป้องกันการเลื่อนไหลที่ดี เสถียรภาพของเวลาที่ดี และสามารถส่งข้อมูลไปยังคอมพิวเตอร์ในรูปแบบของสัญญาณดิจิทัลเพื่อการวิเคราะห์และประมวลผลในภายหลัง ซึ่งวิธีการตรวจจับอื่นๆ ไม่มีวิธีใดเทียบได้ ปัจจุบัน ระบบการนับโฟตอนถูกนำมาใช้อย่างแพร่หลายในสาขาการวัดเชิงอุตสาหกรรมและการตรวจจับแสงน้อย เช่น ทัศนศาสตร์แบบไม่เชิงเส้น ชีววิทยาโมเลกุล สเปกโทรสโกปีความละเอียดสูงพิเศษ โฟโตเมตรีทางดาราศาสตร์ การวัดมลภาวะในบรรยากาศ ฯลฯ ซึ่งเกี่ยวข้องกับการรับและตรวจจับสัญญาณแสงอ่อน เครื่องตรวจจับหิมะถล่มเทลลูไรด์ปรอทแคดเมียมแทบไม่มีสัญญาณรบกวนส่วนเกิน เมื่อค่าเกนเพิ่มขึ้น อัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวนจะไม่ลดลง และไม่มีข้อจำกัดเรื่องเวลาตายและหลังการเกิดพัลส์ที่เกี่ยวข้องกับอุปกรณ์หิมะถล่มไกเกอร์ ซึ่งเหมาะมากสำหรับการนำไปใช้ในการนับโฟตอน และถือเป็นทิศทางการพัฒนาที่สำคัญของอุปกรณ์นับโฟตอนในอนาคต