Il Conteggio dei Fotoni

La natura corpuscolare della luce può essere messa in evidenza mediante la tecnica del conteggio dei fotoni, realizzata con un tubo fotomoltiplicatore. La tecnica del “photon counting” è già stata descritta nel post La Luce come Quanti di Radiazione, nel quale è stato utilizzato un apposito contatore di fotoni ed una sorgente luminosa impulsata.
In questo post descriviamo un dispositivo simile per realizzare il conteggio di fotoni di sorgenti luminose deboli. Il fotomoltiplicatore adottato è il modello R647 Hamamatsu.

Specifiche del  PMT R647 Hamamatsu

Type : Head-On
Size : 13mm
Photocathode : Bialkali
Max Voltage : 1250V
Bias Voltage : 1000V
Dynodes : 10
Rise Time : 2.1ns
Dark Current : 15nA
Gain : 1 x 10⁶

A lato si vede una immagine del PMT.

Il tubo fotomoltiplicatore è stato inserito all’interno di un contenitore metallico a tenuta di luce : la “dark box”. Su di un lato della scatola sono stati posizionati i connettori BNC per l’alimentazione del tubo PMT e per prelevare il segnale dall’anodo. Sul lato di fronte al fotocatodo è stato praticato un minuscolo foro (pin hole) in modo da far arrivare al fotocatodo la luce (adeguatamente schermata) proveniente dall’esterno.

Per l’alimentazione del PMT è stato utilizzato un generatore HV commerciale Matsusada, in grado di generare una alta tensione negativa, stabilizzata e regolabile, fino ad un massimo di 3kV. Questi generatori si trovano abbastanza facilmente sul mercato di eBay. Per questa realizzazione è stato scelto di mettere a potenziale zero l’anodo ed al potenziale negativo il catodo che deve quindi essere opportunemente isolato. Nella immagine sotto è riportato lo schema del partitore di tensione ed una immagine del generatore Matsusada J4-3N-LX.

Il segnale viene prelevato direttamente dall’anodo, senza il condensatore di disaccoppiamento, dato che l’anodo ha potenziale nullo. I vantaggi di questo tipo di collegamento sono una maggiore “pulizia” del segnale e la possibilità di funzionare anche in regime continuo per la misurazione di deboli sorgenti luminose.

Il segnale prelevato dall’anodo viene inviato ad un amplificatore a transimpedenza seguito da uno stadio buffer, sia la resistenza di ingresso che quella di uscita sono state poste a 50Ω. Come amplificatore operazionale è stato utilizzato il modello OPA354 della TI, CMOS rail-to-rail, caratterizzato da una banda da 100MHz e da basso rumore. L’amplificatore viene alimentato a 3,3V ottenuti dal regolatore MCP1700 3v3.

Nella immagine sotto viene mostrato lo schema dell’amplificatore.

Alimentatore ad alta tensione, dark box ed amplificatore sono stati collocati in una struttura in legno come mostrato nelle immagini sotto.

Sul lato forato della dark box è stato collocato uno schermo costituito da un vetro inattinico (usato nelle maschere per saldatori) e davanti a questo, alla stessa altezza del foro, è stato posizionato un diodo laser rosso che emette a 650nm.

Conteggio Fotoni da Sorgente Laser

Utilizzando il diodo laser rosso posizionato al di fuori della dark box e diretto verso il pin hole, opportunamente schermato con il filtro, sono state effettuate delle prove di conteggio fotoni per diverse intensità del fascio laser.

Intensita Alta 

Intensità Media

Intensità Bassa

Come si vede dalle immagini dei segnali acquisiti dall’oscilloscopio ad alte intensità corrispondono impulsi di alta ampiezza e frequenza di 5 MHz – 8 MHz, diminuendo l’intensità del fascio l’ampiezza degli impulsi cala e la frequenza si attesta sui 500kHz.
Per schermare ulteriormente il fascio laser si può utilizzare un filtro polarizzatore. La luce laser è polarizzata, quindi ruotando il filtro si può variare con continuità l’intensità del fascio fino ad ottenere una frequenza di pochi impulsi al secondo, come si può vedere nella immagine riportata sotto che mostra un singolo impulso.

Conteggio Fotoni da altre Sorgenti

Abbiamo fatto una prova con uno scintillatore di solfuro di zinco attivato con argento eccitato dalla emissione alfa di una capsula di americio, il tutto posizionato all’interno della dark box in prossimità del fotocatodo.

Singolo impulso di scintillazione

Impulsi di scintillazione sovrapposti : rateo 2000CPS

Abbiamo fatto una prova con uno scintillatore LYSO eccitato dalla sua stessa radioattività intrinseca, il cristallo è stato posizionato all’interno della dark box in prossimità del fotocatodo.

Impulsi di scintillazione sovrapposti : rateo 36CPS

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