Examinando el afterpulsing en intensificadores de imagen óptica

Este artículo habla sobre el efecto de afterpulsing que se ve en los intensificadores de imagen ópticos. El afterpulsing puede ocurrir cuando los fotoelectrones primarios golpean la superficie de una placa de microcanales o cuando los electrones del fotocátodo se liberan por feedback iónico. El resultado son pulsos retrasados extra que siguen al pulso principal.

Para estudiar este efecto, utilizamos una cámara rápida llamada Tpx3Cam, que nos permitió ver afterpulses en intervalos de tiempo cortos y a distancias cercanas al pulso principal. Notamos cómo el afterpulsing cambiaba a medida que aumentaban las diferencias de tiempo. También examinamos cómo se distribuía el afterpulsing en el espacio y encontramos un patrón específico, o asimetría, que parece estar relacionado con iones involucrados en el afterpulsing.

Los intensificadores de imagen ópticos son dispositivos de vacío diseñados para amplificación rápida. Ayudan a que las cámaras ópticas sean más sensibles. Cuando la luz golpea un fotocátodo, se convierte en fotoelectrones, que luego se amplifican en una placa de microcanales (MCP) antes de producir un destello rápido de luz en un centelleador. Este destello, causado por un solo fotón, es capturado por una cámara. Usamos principalmente cámaras basadas en dispositivos de carga acoplada (CCD) y sensores de semiconductor de óxido metálico complementario (CMOS). Nuestro enfoque aquí está en cámaras sensibles a un solo fotón, especialmente la Tpx3Cam, que tiene un cronometraje muy preciso y capacidades de lectura rápida. La utilizamos para medir varias cualidades de los intensificadores, y nuestros hallazgos pueden aplicarse a todas las cámaras amplificadas.

El afterpulsing se caracteriza principalmente por los pulsos extra que aparecen Después del pulso original. Puede confundir los resultados en experimentos que implican detectar fotones individuales, especialmente cuando los investigadores observan cómo se correlacionan los fotones en tiempo y espacio. Un ejemplo clave donde el afterpulsing es relevante es el efecto Hanbury Brown - Twiss (HBT), que muestra correlaciones en pares de fotones térmicos. Otros ejemplos incluyen coincidencias de fotones individuales en la interferencia de Hong-Ou-Mandel (HOM) y detecciones erróneas de estados brillantes en cristales iónicos en trampas Paul.

#Cámara Rápida Tpx3Cam

Para nuestras investigaciones, utilizamos la Tpx3Cam, una cámara impulsada por datos para captar imágenes de fotones individuales. Esta cámara cuenta con un sensor de alta eficiencia cuántica (QE) hecho de silicio. El sensor está conectado a un chip Timepix3, que tiene píxeles que miden señales entrantes. Cada píxel puede procesar señales que superen un umbral de alrededor de 600 electrones con una precisión de 1.56 nanosegundos.

Además de medir el tiempo de llegada (ToA), la cámara también mide el tiempo sobre umbral (ToT), que muestra la energía depositada en cada píxel. Tanto ToA como ToT se registran como códigos de tiempo. La lectura para Timepix3 es impulsada por datos, lo que significa que permite múltiples impactos en cada píxel, cada uno trabajando de manera independiente y muy rápido a un ancho de banda de 80 megapíxeles por segundo.

#Cámara Intensificada

Para aumentar la sensibilidad al fotón único, agregamos un dispositivo llamado Cricket. Este dispositivo integra un intensificador de imagen, una fuente de alimentación y ópticas para proyectar destellos de luz del intensificador sobre el sensor de la cámara. El intensificador de imagen consta de un fotocátodo, una placa de microcanales (MCP) y un centelleador rápido. Funciona a una alta ganancia, asegurando que un fotón detectado genere una señal mucho mayor que el umbral de la cámara.

Diferentes Fotocátodos cubren una variedad de longitudes de onda, siendo algunos muy efectivos en ciertos rangos. Por ejemplo, un fotocátodo verde de alta QE es eficiente en el rango de 400 - 480 nm, mientras que un fotocátodo rojo de alta QE funciona bien de 550 - 850 nm. La MCP puede detectar con una eficiencia cercana al 100%.

#Procesamiento de Datos

Para analizar los datos capturados por la Tpx3Cam, procesamos la información ToA cruda para pares de fotones individuales. En nuestras observaciones, los fotones aparecen como pequeños grupos de píxeles impactados. Organizamos estos píxeles en clústeres dentro de un marco temporal específico utilizando un enfoque metódico. Dado que los píxeles impactados miden ToA y ToT de manera independiente, podemos encontrar las coordenadas de los fotones individuales con precisión usando esta información.

También tuvimos en cuenta un problema de temporización conocido como “time-walk”, que puede ocurrir debido al tiempo de respuesta variable de la electrónica de los píxeles. Después de hacer este ajuste, logramos una resolución temporal de 2 nanosegundos para fotones individuales.

El afterpulsing surge principalmente de electrones secundarios o iones que crean nuevos pulsos cerca del pulso original con cierto retraso. Ilustramos dos mecanismos de afterpulsing. El primero ocurre cuando los fotoelectrones primarios golpean la superficie de entrada de la MCP, generando electrones secundarios. Normalmente, la mayoría de estos electrones secundarios tienen baja energía y se recogen rápido, contribuyendo al pulso principal. Sin embargo, algunos pueden escapar y crear sus propias avalanchas.

El segundo mecanismo se debe a iones cargados positivamente formados a medida que la avalancha de electrones secuencial se mueve a través de la MCP. Estos iones drifteen de vuelta al fotocátodo, donde causan la emisión de nuevos fotoelectrones. Debido a su mayor masa, los afterpulses resultantes están retrasados.

#Observaciones y Mediciones

En nuestro caso, utilizamos un fotocátodo rojo de alta QE y medimos los conteos oscuros, que generaron alrededor de 80 kHz de actividad de fotones individuales. Después de pasar por el proceso de registro, estas señales exhibieron características similares a las de fotones individuales reales.

Para identificar los afterpulses, observamos las diferencias de tiempo y posición entre impactos consecutivos. Notamos un aumento notable en los pulsos que estaban espacialmente cerca debido al afterpulsing. Este aumento disminuyó significativamente para diferencias de tiempo más allá de unos 200 nanosegundos.

También notamos que la distribución mostraba una asimetría azimutal, lo que sugiere una dirección preferida relacionada con la orientación de los canales de la MCP con respecto al sensor. Confirmamos esto rotando el intensificador y observando cómo cambiaba la dirección.

Analizamos más a fondo cómo los valores totales de tiempo sobre umbral (ToT) caían dentro del área asimétrica en comparación con el área total. En diferencias de tiempo cortas, la relación se mantenía consistente, indicando uniformidad, pero se desplazaba hacia la asimetría después de unos 100 nanosegundos. Este comportamiento indica que el afterpulsing está mayormente presente en la fase inicial antes de establecerse en un estado menos intenso.

#Fases de Afterpulsing

De nuestros resultados, identificamos dos fases de afterpulsing. La primera es una fase corta y brillante que dura alrededor de 10 nanosegundos y aparece simétrica. La segunda fase es más larga con menor intensidad y dura alrededor de 300 nanosegundos, mostrando una distribución asimétrica. Creemos que la primera fase se debe principalmente a electrones secundarios, mientras que la segunda fase está relacionada con iones generados durante el proceso de multiplicación en la MCP. El movimiento de iones causa la asimetría que se ve en los resultados.

Trazamos las distancias entre impactos sucesivos y sus separaciones de tiempo. Observamos picos claros para valores pequeños en ambas distribuciones, indicando afterpulses. Para distancias menores a 10 píxeles, la fracción de eventos de afterpulsing fue de alrededor del 1.6%.

#Conclusión

En resumen, estudiamos los efectos de afterpulsing en intensificadores de imagen ópticos usando Tpx3Cam. Demostramos claramente la presencia de afterpulsing en intervalos cortos de tiempo y distancias desde el pulso principal, así como su evolución a lo largo del tiempo. Nuestros estudios de distribución espacial destacaron una asimetría azimutal significativa.

Identificamos dos fases distintas de afterpulsing, con características vinculadas a electrones secundarios o iones. La cámara Tpx3Cam jugó un papel crucial en estas mediciones, proporcionando los detalles de temporización y espaciales necesarios para diferenciar las contribuciones de estos mecanismos.

Nuestros hallazgos ofrecen valiosos conocimientos para mediciones desafiantes que involucran coincidencias de fotones capturadas por cámaras intensificadas, que también pueden mostrar relaciones espaciales. El estudio enfatizó la necesidad de tener en cuenta los efectos de afterpulsing al analizar el comportamiento de los fotones, especialmente en experimentos que exigen resultados precisos.