Počítání fotonů - Photon counting

Počítání fotonů je technika, při které jedinec fotony se počítají pomocí a jednofotonový detektor (SPD). Na rozdíl od normálního fotodetektoru, který generuje analogový signál úměrný tok fotonů, detektor s jedním fotonem vydává puls signálu pokaždé, když je detekován foton. Počítá se celkový počet impulzů (ale ne jejich amplituda), což dává celé číslo fotonů detekovaných za období měření. The účinnost počítání je určeno kvantová účinnost a jakékoli elektronické ztráty, které se v systému vyskytují.
Mnoho fotodetektory lze konfigurovat pro detekci jednotlivých fotonů, z nichž každý má relativní výhody a nevýhody.[1][2]Mezi běžné typy patří fotonásobiče, Geigerovy čítače, jednofotonové lavinové diody, supravodivé nanodrátové jednofotonové detektory, snímače přechodové hrany, a scintilační čítače. Zařízení spojená s nabíjením lze také někdy použít.
Výhody a nevýhody
Počítání fotonů eliminuje šum šumu, kde se konstanta proporcionality mezi výstupem analogového signálu a počtem fotonů náhodně mění. To znamená, že faktor nadměrného šumu detektoru počítání fotonů je jednota a dosažitelná odstup signálu od šumu pro pevný počet fotonů bude obvykle vyšší, než kdyby byl stejný detektor provozován bez počítání fotonů.[3]
Počítání fotonů se může zlepšit časové rozlišení. V konvenčním detektoru generuje více přicházejících fotonů překrývání impulzní reakce, omezující časové rozlišení na přibližně podzim detektoru. Pokud je však známo, že byl detekován jeden foton, lze vyhodnotit střed impulzní odezvy, aby bylo možné přesně určit čas příchodu fotonu. Použitím časově korelované počítání jednotlivých fotonů (TCSPC), časové rozlišení menší než 25 ps bylo prokázáno pomocí detektorů s dobou pádu více než 20krát delší.[4]
Jednofotonové detektory jsou obvykle omezeny na detekci jednoho jediného fotonu najednou a mohou vyžadovat „mrtvý čas“ mezi detekčními událostmi pro reset. Pokud během tohoto intervalu dorazí další fotony, nemusí být detekovány. Proto maximální světlo intenzita které lze přesně spočítat, je obvykle velmi nízká. Obrázky nebo měření složená z nízkého počtu fotonů mají skutečně nízkou hodnotu odstup signálu od šumu kvůli hluk výstřelu způsobené náhodně se měnícím počtem emitovaných fotonů. Tento efekt je méně výrazný u konvenčních detektorů, které mohou současně detekovat velké množství fotonů a zmírnit tak hluk výstřelu.
Aplikace
Detekce jednoho fotonu je užitečná v mnoha oblastech včetněoptická komunikace,kvantová informační věda,kvantové šifrování,lékařské zobrazování,detekce a rozsah světla,Sekvenování DNA,astrofyzika, avěda o materiálech.[1]
Lék
v radiologie, jedna z hlavních nevýhod Rentgenové zobrazování modality je negativní dopad ionizující záření. Přestože se riziko malé expozice (jak se používá ve většině lékařských zobrazovacích metod) považuje za velmi malé, radiační ochrana zásada „co nejnižší, jak je rozumně proveditelné“ (ALARP ) se vždy použije. Jedním ze způsobů, jak snížit expozice, je provést Rentgenové detektory co nejúčinnější, takže nižší dávkách lze použít pro stejnou diagnostickou kvalitu obrazu. Detektory pro počítání fotonů by mohly pomoci díky své schopnosti snadněji odmítat hluk a dalším výhodám ve srovnání s běžnými integrujícími (sčítacími) detektory.[5][6]
Mamografie pro počítání fotonů byla komerčně zavedena v roce 2003. Ačkoli tyto systémy nejsou rozšířené, existují určité důkazy o jejich schopnosti produkovat srovnatelné obrazy při přibližně 40% nižší dávce pro pacienta než jiné systémy digitální mamografie s ploché detektory.[7][8] Technologie byla následně vyvinuta pro rozlišení mezi fotonovými energiemi, tzv spektrální zobrazování,[9][10][6] s možností dalšího zlepšování kvality obrazu,[9] a rozlišovat mezi různými typy tkání.[11] Počítačová tomografie pro počítání fotonů je další klíčová oblast zájmu, která se rychle vyvíjí a je na pokraji uskutečnitelnosti pro rutinní klinické použití.[12][13][14]
Fluorescenční mikroskopie
Časově korelované počítání jednotlivých fotonů (TCSPC ) přesně zaznamenává doby příchodu jednotlivých fotonů, což umožňuje měřit rozdíly v pikosekundové časové škále v dobách příchodu fotonů generovaných fluorescenční, fosforescence nebo jiné chemické procesy, které vyzařují světlo a poskytují další molekulární informace o vzorcích. Použití TCSPC umožňuje relativně pomalým detektorům měřit extrémně malé časové rozdíly, které by byly překryty překryty impulzní reakce pokud by současně dopadalo více fotonů.
LIDAR
Některé pulzní systémy LIDAR pracují v režimu počítání jednotlivých fotonů pomocí TCSPC k dosažení vyššího rozlišení.
Měřené veličiny
Počet fotonů pozorovaných za jednotku času je tok fotonů. Tok fotonu na jednotku plochy je ozáření fotonem pokud fotony dopadají na povrch, nebo fotonový výstup pokud se uvažuje o emisi fotonů z velkoplošného zdroje. Tok na jednotku plný úhel je intenzita fotonu. Tok na jednotku zdrojové plochy na jednotku plného úhlu je fotonové záření. Jednotky SI pro tyto veličiny jsou shrnuty v tabulce níže.
Množství | Jednotka | Dimenze | Poznámky | |||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
název | Symbol[poznámka 1] | název | Symbol | Symbol | ||||
Fotonová energie | n | 1 | počet fotonů n s energií Qstr = h ⋅C / λ.[pozn. 2] | |||||
Fotonový tok | Φq | počítat za druhý | s−1 | T−1 | fotony za jednotku času, dn / dt s n = číslo fotonu. také zvaný fotonová síla. | |||
Intenzita fotonu | Já | počítat za steradský za vteřinu | sr−1.S−1 | T−1 | dn / dω | |||
Fotonová záře | Lq | počítat za čtvereční metr za steradián za sekundu | m−2.Sr−1.S−1 | L−2.T−1 | d2n / (dA cos (θ) dω) | |||
Fotonové ozáření | Eq | počet na metr čtvereční za sekundu | m−2.S−1 | L−2.T−1 | dn / dA | |||
Fotonový výstup | M | počet na metr čtvereční za sekundu | m−2.S−1 | L−2.T−1 | dn / dA | |||
Viz také: Počítání fotonů · SI · Radiometrie · Fotometrie |
- ^ Organizace pro normalizaci doporučuji označovat množství fotonů příponou "q „(pro„ kvantum “), aby nedošlo k záměně s radiometrické a fotometrické množství.
- ^ Energie jediného fotonu při vlnové délce λ je Qstr = h⋅c / λ s h = Planckova konstanta ac =rychlost světla.
Viz také
- Jednofotonový zdroj
- Počitadlo fotonů viditelného světla
- Senzor přechodové hrany
- Supravodivý jednopólový detektor nanodrátů
- Časově korelované počítání jednotlivých fotonů
- Převzorkovaný binární obrazový snímač
Reference
- ^ A b „Vysoká účinnost v nejrychlejším jednofotonovém detektorovém systému“ (Tisková zpráva). Národní institut pro standardy a technologie. 19. února 2013. Citováno 2018-10-11.
- ^ Hadfield, RH (2009). "Jednofotonové detektory pro aplikace optických kvantových informací". Fotonika přírody. 3 (12): 696. Bibcode:2009NaPho ... 3..696H. doi:10.1038 / nphoton.2009.230.
- ^ K.K, Hamamatsu Photonics. „Detekční otázky a odpovědi“. hub.hamamatsu.com. Citováno 2020-08-14.
- ^ „Rychlý akviziční systém TCSPC FLIM se šířkou IRF do 25 psů“ (PDF). Becker a Hickl. Citováno 17. srpna 2020.
- ^ Shikhaliev, M (2015). "Lékařské rentgenové a CT zobrazování s detektory počítajícími fotony". V Iwanczyk, Jan S. (ed.). Radiační detektory pro lékařské zobrazování. Boca Raton, FL: CRC Press. s. 2–21. ISBN 9781498766821.
- ^ A b Taguchi, Katsuyuki; Iwanczyk, Jan S. (12. září 2013). „Vision 20/20: Single photon counting x-ray detectors in medical imaging“. Lékařská fyzika. 40 (10): 100901. Bibcode:2013MedPh..40j0901T. doi:10.1118/1.4820371. PMC 3786515. PMID 24089889.
- ^ McCullagh, JB; Baldelli, P; Phelan, N (listopad 2011). „Klinické dávkování digitální mamografie v oboru terénního screeningu v screeningovém programu prsu“. British Journal of Radiology. 84 (1007): 1027–1033. doi:10,1259 / bjr / 83821596. PMC 3473710. PMID 21586506.
- ^ Weigel, Stefanie; Berkemeyer, Shoma; Girnus, Ralf; Sommer, Alexander; Lenzen, Horst; Heindel, Walter (květen 2014). „Screening digitální mamografie s technikou počítání fotonů: Lze dosáhnout vysokého diagnostického výkonu při nízké střední dávce žlázy?“. Radiologie. 271 (2): 345–355. doi:10.1148 / radiol.13131181. PMID 24495234.
- ^ A b Berglund, Johan; Johansson, Henrik; Lundqvist, Mats; Cederström, Björn; Fredenberg, Erik (2014-08-28). „Energetická váha zlepšuje efektivitu dávky v klinické praxi: implementace v systému mamografického počítání spektrálních fotonů“. Journal of Medical Imaging. 1 (3): 031003. doi:10.1117 / 1.JMI.1.3.031003. ISSN 2329-4302. PMC 4478791. PMID 26158045.
- ^ Iwanczyk, Jan S; Barber, W C; Nygård, Einar; Malakhov, Nail; Hartsough, NE; Wessel, J C (2018). „Energeticky disperzní pole detektoru počítajícího fotony pro rentgenové zobrazování“. In Iniewski, Krzysztof (ed.). Elektronika pro detekci záření. CRC Press. ISBN 9781439858844.
- ^ Fredenberg, Erik; Willsher, Paula; Moa, Elin; Dance, David R; Young, Kenneth C; Wallis, Matthew G (2018-11-22). "Měření útlumu rentgenového záření prsní tkáně spektrálním zobrazením: čerstvá a fixovaná normální a maligní tkáň". Fyzika v medicíně a biologii. 63 (23): 235003. doi:10.1088 / 1361-6560 / aaea83. ISSN 1361-6560. PMID 30465547.
- ^ Pourmorteza, Amir; Symons, Rolf; Sandfort, Veit; Mallek, Marissa; Fuld, Matthew K .; Henderson, Gregory; Jones, Elizabeth C .; Malayeri, Ashkan A .; Folio, Les R .; Bluemke, David A. (duben 2016). „Břišní zobrazování s CT s počítáním fotonů s kontrastem: první lidská zkušenost“. Radiologie. 279 (1): 239–245. doi:10.1148 / radiol.2016152601. ISSN 0033-8419. PMC 4820083. PMID 26840654.
- ^ „První 3D barevný rentgen člověka pomocí technologie CERN“. CERN. Citováno 2020-11-23.
- ^ „Nové barevné 3D rentgenové paprsky umožněné technologií CERN“. CERN. Citováno 2020-11-23.