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La Luce come Quanti di Radiazione

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In questo post proponiamo di evidenziare la caratteristica corpuscolare della luce attraverso l’utilizzo della tecnica del conteggio dei fotoni (photon counting). Per la rilevazione della luce viene utilizzato un tubo fotomoltiplicatore sensibile al singolo fotone e come sorgente luminosa un LED attenuato pilotato da un impulso ultrabreve.

La tecnica del “Photon Counting”

Nella misura di segnali luminosi deboli, il limite ultimo di sensibilità è rivelare l’arrivo di singoli quanti di radiazione ottica nel visibile e nel vicino infrarosso, cioè singoli fotoni. Data l’esiguità dell’energia associata a un fotone è evidente la difficoltà insita in questa misura.
La rivelazione dei singoli fotoni può essere fatta con sensori a stato solido, ad esempio i fotodiodi a valanga (APD) oppure con fotomoltiplicatori (photomultiplier tube, PMT), nei quali tra catodo e anodo è interposta una sequenza di elettrodi, detti dinodi. Un elettrone emesso dal fotocatodo viene accelerato da una tensione di qualche centinaio di Volt e fatto incidere sul primo dinodo, provocando l’emissione secondaria di vari elettroni (normalmente da tre a cinque), che a loro volta vengono accelerati verso il secondo dinodo, dove provocano una nuova emissione di elettroni, e così via. Il numero di elettroni cresce esponenzialmente con il numero di dinodi utilizzati e l’amplificazione raggiunge valori anche maggiori di un milione. Il fattore di amplificazione è affetto da fluttuazioni statistiche che però, data la natura del meccanismo di amplificazione, sono piuttosto moderate.

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Schema di principio del PMT

I fotomoltiplicatori risultano assai utili sia come fotorivelatori analogici, dotati di elevata amplificazione interna, sia come rivelatori digitali di singoli fotoni, collegando all’uscita un circuito che, a partire dagli impulsi forniti dal rivelatore in risposta a singoli fotoni, generi impulsi adatti a essere trattati da circuiti di conteggio o di misura del tempo di arrivo.

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Il Fotomoltiplicatore

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PMT H7829 Hamamatsu

Come fotomoltiplicatore è stato utilizzato il modulo H7828 Hamamatsu, il quale contiene al suo interno un tubo fotomoltiplicatore da 19mm, il circuito ad alta velocità per il conteggio fotoni ed una sezione di alimentazione che fornisce l’alta tensione al tubo. L’alta tensione per il tubo ed il livello di soglia del discriminatore sono pre-settati al livello ottimale in modo da permettere il funzionamento del modulo semplicemente collegando l’alimentazione a +5V.
La risposta spettrale del fototubo va da 300nm a 650nm, il sensore è quindi adatto ad essere utilizzato nella gamma del visibile.

blockDiagram

Specifiche del Fotomoltiplicatore

Input Voltage : 4.5 – 5.5V
Peak Sensitivity Wavelength : 420nm
Dark Count : 200 eventi/s
Pulse-pair Resolution : 70ns
Output Pulse Width : 30ns
Output Pulse Height : 3.0V
Load Resistance : 50ohm
Signal Output Logic : positive

Fast Pulser

Come sorgente luminosa è stato utilizzato un normale diodo LED (blu – UV) pilotato da un circuito per la generazione di impulsi ultra-brevi. Dallo schema si vede che il LED viene pilotato da un transistor a valanga ZTX415 polarizzato a 270V. La carica viene accumulata nel condensatore C1 e poi rilasciata in un tempo molto breve quando arriva un impulso alla base del transistor. Sulla resistenza R2, da 0.1ohm, può essere prelevato il segnale che corrisponde all’impulso di corrente che fluisce nel diodo LED.
Più avanti si vede la traccia all’oscilloscopio dell’impulso di corrente : è uno spike da circa 10V e una durata di 10ns, quindi estremamente breve. Al fine di ridurre al massimo la durata dell’impulso è necessario mantenere minime le induttanze parassite del percorso seguito dalla corrente, in particolare la resistenza R2 ed i collegamenti tra C1, il transistor, il LED, R3 e D1. Questo si ottiene facendo collegamenti elettrici molto corti ed utilizzando una ampia area di massa. Le resistenze vanno inoltre scelte con bassa induttanza parassita.

fastPulser

 Setup Sperimentale

Fotomoltiplicatore e sorgente luminose sono stati collocati all’interno di un contenitore di alluminio (counting box) a tenuta di luce : in modo da evitare che il fotomoltiplicatore potesse captare la luce ambientale. Il LED è stato posizionato di fronte al fotomoltiplicatore, schermato da un tubetto di plastica nera, tra il LED ed il fotocatodo è stato posizionato uno schermo con al centro un foro in modo da ridurre al minimo la luce che raggiunge il fotocatodo.

countingBox
Immagine dell’interno della “Counting Box”

 Misure di “Photon Counting”

Prima di tutto sono state eseguite delle prove a LED spento in modo da valutare il “dark rate”. Il dark rate sono gli impulsi generati dal PMT a causa del rumore termico.
Sono state fatte due prove : una a temperatura ambiente di 20°C ed una a circa 0°C, ottenuta mantenendo la counting box a contatto con del ghiaccio. Si nota che abbassando la temperatura del PMT il dark rate cala notevolmente :

T = 20°C : dark rate = 159 Hz
T = 0°C : dark rate = 50 Hz

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Esempio di impulso originato per rumore termico

Successivamente sono state fatte delle prove con livelli di luce molto bassi, in modo da evidenziare il conteggio dei singoli fotoni.

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Photon Counting di Impulsi ultra brevi

Sono poi state fatte delle misurazioni di “photon counting” utilizzando la luce emessa dal LED pilotato dal fast pulser.

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La traccia superiore blu mostra l’andamento dell’impulso di corrente che attraversa il LED. L’impulso, molto breve, ha una durata di circa 10ns. La traccia gialla inferiore è l’output del modulo contatore di fotoni. Ogni impulso corrisponde ad un fotone catturato dal fotocatodo del PMT.

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Traccia dell’oscilloscopio estesa su di una durata temporale di qualche microsecondo. Si nota come gli impulsi fotonici si estendano per circa due – tre microsecondi successivamente all’impulso di corrente.

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Traccia dell’oscilloscopio estesa su di una durata temporale di qualche decina di microsecondi. Si nota come gli impulsi fotonici sono addensati in prossimità dell’impulso di corrente e vadano poi diradandosi dopo la prima fase iniziale : segno che il LED si sta spegnendo.

Documento pdf con la descrizione del progetto : PhotonCounter_ITA

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