Подсчет фотонов

Подсчет фотонов — это метод, при котором отдельные фотоны подсчитываются с помощью детектора одиночных фотонов (SPD). Однофотонный детектор излучает импульс сигнала для каждого обнаруженного фотона. Эффективность счета определяется квантовой эффективностью и электронными потерями системы.

Многие фотодетекторы могут быть настроены на обнаружение отдельных фотонов, каждый из которых имеет относительные преимущества и недостатки. ^[1]^[2] Общие типы включают фотоумножители , счетчики Гейгера , однофотонные лавинные диоды , сверхпроводящие однофотонные детекторы на нанопроволоке , датчики края перехода и сцинтилляционные счетчики . устройства с зарядовой связью Можно использовать .

Преимущества

Подсчет фотонов устраняет шум усиления, поскольку константа пропорциональности между выходным аналоговым сигналом и количеством фотонов изменяется случайным образом. Таким образом, коэффициент избыточного шума детектора, считающего фотоны, равен единице, а достижимое отношение сигнал/шум для фиксированного числа фотонов, как правило, выше, чем у того же детектора без счета фотонов. ^[3]

Подсчет фотонов может улучшить временное разрешение . В обычном детекторе несколько прибывающих фотонов генерируют перекрывающиеся импульсные характеристики , ограничивая временное разрешение примерно временем спада детектора. Однако если известно, что был обнаружен одиночный фотон, можно оценить центр импульсного отклика, чтобы точно определить время его прибытия. Используя коррелированный по времени подсчет одиночных фотонов (TCSPC), временное разрешение менее 25 пс было продемонстрировано с использованием детекторов со временем спада более чем в 20 раз большим. ^[4]

Недостатки

Однофотонные детекторы обычно ограничиваются обнаружением одного фотона за раз, и для сброса может потребоваться время между событиями обнаружения. Фотоны, прилетевшие в этот интервал, могут быть не обнаружены. Следовательно, максимальная интенсивность света , которую можно точно измерить, обычно невелика. Измерения, состоящие из небольшого количества фотонов, по своей сути имеют низкое соотношение сигнал/шум, вызванное случайным изменением количества излучаемых фотонов. Этот эффект менее выражен в обычных детекторах, которые могут одновременно регистрировать большое количество фотонов. Из-за более низкого максимального уровня сигнала либо соотношение сигнал/шум будет ниже, либо время воздействия будет больше, чем при обычном обнаружении.

Приложения

Однофотонное обнаружение полезно в таких областях, как: ^[1]

Лекарство

В радиологии одним из основных недостатков методов рентгеновской визуализации является негативное воздействие ионизирующего излучения . Хотя риск от небольших доз облучения (который используется в большинстве медицинских визуализаций) считается небольшим, принцип радиационной защиты «настолько низкий, насколько это практически осуществимо» ( ALARP всегда применяется ). Один из способов снижения облучения — сделать детекторы рентгеновского излучения максимально эффективными, чтобы более низкие дозы можно было использовать для заданного качества диагностического изображения. Детекторы подсчета фотонов могут помочь, поскольку они легче подавляют шум. ^[5]^[6] Подсчет фотонов аналогичен цветной фотографии, где разная энергия каждого фотона влияет на выходной сигнал, в отличие от интегрирования заряда, которое учитывает только интенсивность сигнала, как в черно-белой фотографии. ^[7]

Маммография с подсчетом фотонов была коммерчески внедрена в 2003 году. Хотя такие системы не получили широкого распространения, некоторые данные подтверждают их способность создавать сопоставимые изображения при дозе примерно на 40% меньшей, чем другие цифровые маммографические системы с плоскопанельными детекторами . ^[8]^[9] Впоследствии была разработана технология спектральной визуализации , позволяющая различать энергии фотонов. ^[10]^[6] с возможностью дальнейшего улучшения качества изображения ^[11] и различать типы тканей. ^[12] Компьютерная томография с подсчетом фотонов — еще одна область интересов, которая быстро развивается и приближается к клинической осуществимости. ^[13]^[14]^[15]^[16]

Флуоресцентная прижизненная визуализирующая микроскопия

Коррелированный по времени подсчет одиночных фотонов ( TCSPC ) точно записывает время прибытия отдельных фотонов, позволяя измерять пикосекундные различия во времени прибытия фотонов, генерируемых флуоресценцией , фосфоресценцией или другими химическими процессами, излучающими свет, предоставляя дополнительную молекулярную информацию. о образцах. Использование TCSPC позволяет относительно медленным детекторам измерять чрезвычайно незначительные разницы во времени, которые были бы скрыты перекрывающимися импульсными откликами , если бы несколько фотонов падали одновременно.

ЛИДАР

Некоторые импульсные лидарные системы работают в режиме подсчета одиночных фотонов с использованием TCSPC для достижения более высокого разрешения. Технологии подсчета инфракрасных фотонов для LIDAR быстро развиваются. ^[17]

Измеренные величины

Число фотонов, наблюдаемых в единицу времени, называется потоком фотонов . Поток фотонов на единицу площади — это излучение фотонов , если фотоны падают на поверхность, или выход фотонов , если рассматривается излучение фотонов из источника большой площади. Поток на единицу телесного угла — это интенсивность фотонов . Поток на единицу площади источника на единицу телесного угла представляет собой фотонное излучение . Единицы СИ для этих величин приведены в таблице ниже.

Фотонные единицы СИ
v
т
и
Количество		Единица		Измерение	Примечания
Имя	Символ ^{[номер 1]}	Имя	Символ	Измерение	Примечания
Фотонная энергия	$н$			1	подсчет фотонов $n$ с энергией $Q п знак равно час \cdot c /λ$ . ^{[номер 2]}
Поток фотонов	$Φ q$	считать в секунду	с ⁻¹	Т ⁻¹	фотонов в единицу времени, $d n /d t,$ где $n$ = число фотонов. также называется фотонной силой .
Интенсивность фотонов	$я$	считать на стерадиан в секунду	сэр ⁻¹⋅s ⁻¹	Т ⁻¹	$d n /d ω$
Фотонное излучение	$л q$	считать на квадратный метр на стерадиан в секунду	м ⁻²⋅sr ⁻¹⋅s ⁻¹	л ⁻²⋅ T ⁻¹	$д 2 n /(d A cos(θ) d ω)$
Фотонное излучение	$Э q$	считать на квадратный метр в секунду	м ⁻²⋅s ⁻¹	л ⁻²⋅ T ⁻¹	$д н / д А$
выход фотонов	$М$	считать на квадратный метр в секунду	м ⁻²⋅s ⁻¹	л ⁻²⋅ T ⁻¹	$д н / д А$
См. также: Подсчет фотонов И Радиометрия Фотометрия

^ Организации по стандартизации рекомендуют обозначать количества фотонов суффиксом « q » (от «квант»), чтобы избежать путаницы с радиометрическими и фотометрическими величинами.
^ Энергия одного фотона на длине волны $λ$ равна $Q p = h\cdotc/λ,$ где $h$ = постоянная Планка и $c$ = скорость света .

См. также

Ссылки

^ Перейти обратно: ^а ^б «Высокая эффективность самой быстрой системы детектора одиночных фотонов» (пресс-релиз). Национальный институт стандартов и технологий . 19 февраля 2013 года . Проверено 11 октября 2018 г.
^ Хэдфилд, Р.Х. (2009). «Детекторы одиночных фотонов для приложений оптической квантовой информации». Природная фотоника . 3 (12): 696. Бибкод : 2009NaPho...3..696H . дои : 10.1038/nphoton.2009.230 .
^ К.К., Хамамацу Фотоникс. «Вопросы и ответы по обнаружению» . Hub.hamamatsu.com . Проверено 14 августа 2020 г.
^ «Система быстрого сбора данных TCSPC FLIM с шириной IRF менее 25 пс» (PDF) . Беккер и Хикл . Проверено 17 августа 2020 г. .
^ Шихалиев, М (2015). «Медицинская рентгенография и компьютерная томография с детекторами со счетчиком фотонов». Иванчик, Ян С. (ред.). Детекторы радиации для медицинской визуализации . Бока-Ратон, Флорида: CRC Press. стр. 2–21. ISBN 9781498766821 .
^ Перейти обратно: ^а ^б Тагучи, Кацуюки; Иванчик, Ян С. (12 сентября 2013 г.). «Видение 20/20: рентгеновские детекторы с подсчетом одиночных фотонов в медицинской визуализации» . Медицинская физика . 40 (10): 100901. Бибкод : 2013MedPh..40j0901T . дои : 10.1118/1.4820371 . ПМЦ 3786515 . ПМИД 24089889 .
^ «Объяснение подсчета фотонов» . Прямое преобразование . Проверено 10 февраля 2022 г.
^ МакКаллах, Дж.Б.; Бальделли, П; Фелан, Н. (ноябрь 2011 г.). «Эффективность клинической дозы цифровой маммографии полного поля в программе скрининга молочной железы» . Британский журнал радиологии . 84 (1007): 1027–1033. дои : 10.1259/bjr/83821596 . ПМЦ 3473710 . ПМИД 21586506 .
^ Вайгель, Стефани; Беркемейер, Шома; Гирнус, Ральф; Соммер, Александр; Ленцен, Хорст; Хейндель, Вальтер (май 2014 г.). «Цифровой маммографический скрининг с использованием метода подсчета фотонов: можно ли добиться высоких диагностических результатов при низкой средней железистой дозе?» . Радиология . 271 (2): 345–355. дои : 10.1148/radiol.13131181 . ПМИД 24495234 .
^ Иванчик, Ян С; Парикмахерская, туалет; Нюгорд, Эйнар; Малахов, Наиль; Хартсоу, штат Невада; Вессель, Дж. К. (2018). «Энергодисперсионные детекторные матрицы со счетчиком фотонов для рентгеновской визуализации» . Иниевский, Кшиштоф (ред.). Электроника для обнаружения радиации . ЦРК Пресс. ISBN 9781439858844 .
^ Берглунд, Йохан; Йоханссон, Хенрик; Лундквист, Матс; Седерстрем, Бьорн; Фреденберг, Эрик (28 августа 2014 г.). «Энергетическое взвешивание повышает эффективность дозы в клинической практике: внедрение в маммографическую систему спектрального счета фотонов» . Журнал медицинской визуализации . 1 (3): 031003. doi : 10.1117/1.JMI.1.3.031003 . ISSN 2329-4302 . ПМЦ 4478791 . ПМИД 26158045 .
^ Фреденберг, Эрик; Уилшер, Паула; Моа, Элин; Дэнс, Дэвид Р.; Янг, Кеннет С; Уоллис, Мэтью Дж. (22 ноября 2018 г.). «Измерение ослабления рентгеновских лучей в тканях молочной железы с помощью спектральной визуализации: свежие и фиксированные нормальные и злокачественные ткани» . Физика в медицине и биологии . 63 (23): 235003. arXiv : 2101.02755 . Бибкод : 2018PMB....63w5003F . дои : 10.1088/1361-6560/aaea83 . ISSN 1361-6560 . ПМИД 30465547 . S2CID 53717425 .
^ Ивеборг, Моа; Сюй, Ченг; Фреденберг, Эрик; Даниэльссон, Матс (26 февраля 2009 г.). «КТ с подсчетом фотонов с кремниевыми детекторами: возможности педиатрической визуализации» . В Самей, Эхсан; Се, Цзян (ред.). Медицинская визуализация 2009: Физика медицинской визуализации . Том. 7258. Лейк-Буэна-Виста, Флорида. стр. 704–709. arXiv : 2101.09439 . дои : 10.1117/12.813733 . S2CID 120218867 . {{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )
^ Пурмортеза, Амир; Саймонс, Рольф; Сандфорт, Вейт; Маллек, Марисса; Фулд, Мэтью К.; Хендерсон, Грегори; Джонс, Элизабет С.; Малаери, Ашкан А.; Фолио, Лес Р.; Блюмке, Дэвид А. (апрель 2016 г.). «Визуализация брюшной полости с помощью КТ с контрастированием и подсчетом фотонов: первый человеческий опыт» . Радиология . 279 (1): 239–245. дои : 10.1148/radiol.2016152601 . ISSN 0033-8419 . ПМК 4820083 . ПМИД 26840654 .
^ «Первый цветной 3D-рентгеновский снимок человека с использованием технологии ЦЕРН» . ЦЕРН . Проверено 23 ноября 2020 г.
^ «Новые цветные 3D-рентгеновские снимки стали возможными благодаря технологии ЦЕРН» . ЦЕРН . Проверено 23 ноября 2020 г.
^ Хэдфилд, Роберт Х.; Лич, Джонатан; Флеминг, Фиона; Пол, Дуглас Дж.; Тан, Чи Хинг; Нг, Джо Шиен; Хендерсон, Роберт К.; Буллер, Джеральд С. (2023). «Однофотонное обнаружение для визуализации и зондирования на больших расстояниях» . Оптика . 10 (9): 1124. doi : 10.1364/optica.488853 . hdl : 20.500.11820/4d60bb02-3c2c-4f86-a737-f985cb8613d8 . S2CID 259687483 . Проверено 29 августа 2023 г.

[note-suffix-q-18] Организации по стандартизации рекомендуют обозначать количества фотонов суффиксом « q » (от «квант»), чтобы избежать путаницы с радиометрическими и фотометрическими величинами.

[note-photon-energy-19] Энергия одного фотона на длине волны $λ$ равна $Q p = h\cdotc/λ,$ где $h$ = постоянная Планка и $c$ = скорость света .

[marsili-1] Перейти обратно: ^а ^б «Высокая эффективность самой быстрой системы детектора одиночных фотонов» (пресс-релиз). Национальный институт стандартов и технологий . 19 февраля 2013 года . Проверено 11 октября 2018 г.

[2] Хэдфилд, Р.Х. (2009). «Детекторы одиночных фотонов для приложений оптической квантовой информации». Природная фотоника . 3 (12): 696. Бибкод : 2009NaPho...3..696H . дои : 10.1038/nphoton.2009.230 .

[3] К.К., Хамамацу Фотоникс. «Вопросы и ответы по обнаружению» . Hub.hamamatsu.com . Проверено 14 августа 2020 г.

[4] «Система быстрого сбора данных TCSPC FLIM с шириной IRF менее 25 пс» (PDF) . Беккер и Хикл . Проверено 17 августа 2020 г. .

[5] Шихалиев, М (2015). «Медицинская рентгенография и компьютерная томография с детекторами со счетчиком фотонов». Иванчик, Ян С. (ред.). Детекторы радиации для медицинской визуализации . Бока-Ратон, Флорида: CRC Press. стр. 2–21. ISBN 9781498766821 .

[vision20/20-6] Перейти обратно: ^а ^б Тагучи, Кацуюки; Иванчик, Ян С. (12 сентября 2013 г.). «Видение 20/20: рентгеновские детекторы с подсчетом одиночных фотонов в медицинской визуализации» . Медицинская физика . 40 (10): 100901. Бибкод : 2013MedPh..40j0901T . дои : 10.1118/1.4820371 . ПМЦ 3786515 . ПМИД 24089889 .

[7] «Объяснение подсчета фотонов» . Прямое преобразование . Проверено 10 февраля 2022 г.

[8] МакКаллах, Дж.Б.; Бальделли, П; Фелан, Н. (ноябрь 2011 г.). «Эффективность клинической дозы цифровой маммографии полного поля в программе скрининга молочной железы» . Британский журнал радиологии . 84 (1007): 1027–1033. дои : 10.1259/bjr/83821596 . ПМЦ 3473710 . ПМИД 21586506 .

[9] Вайгель, Стефани; Беркемейер, Шома; Гирнус, Ральф; Соммер, Александр; Ленцен, Хорст; Хейндель, Вальтер (май 2014 г.). «Цифровой маммографический скрининг с использованием метода подсчета фотонов: можно ли добиться высоких диагностических результатов при низкой средней железистой дозе?» . Радиология . 271 (2): 345–355. дои : 10.1148/radiol.13131181 . ПМИД 24495234 .

[10] Иванчик, Ян С; Парикмахерская, туалет; Нюгорд, Эйнар; Малахов, Наиль; Хартсоу, штат Невада; Вессель, Дж. К. (2018). «Энергодисперсионные детекторные матрицы со счетчиком фотонов для рентгеновской визуализации» . Иниевский, Кшиштоф (ред.). Электроника для обнаружения радиации . ЦРК Пресс. ISBN 9781439858844 .

[Berglund_031003-11] Берглунд, Йохан; Йоханссон, Хенрик; Лундквист, Матс; Седерстрем, Бьорн; Фреденберг, Эрик (28 августа 2014 г.). «Энергетическое взвешивание повышает эффективность дозы в клинической практике: внедрение в маммографическую систему спектрального счета фотонов» . Журнал медицинской визуализации . 1 (3): 031003. doi : 10.1117/1.JMI.1.3.031003 . ISSN 2329-4302 . ПМЦ 4478791 . ПМИД 26158045 .

[12] Фреденберг, Эрик; Уилшер, Паула; Моа, Элин; Дэнс, Дэвид Р.; Янг, Кеннет С; Уоллис, Мэтью Дж. (22 ноября 2018 г.). «Измерение ослабления рентгеновских лучей в тканях молочной железы с помощью спектральной визуализации: свежие и фиксированные нормальные и злокачественные ткани» . Физика в медицине и биологии . 63 (23): 235003. arXiv : 2101.02755 . Бибкод : 2018PMB....63w5003F . дои : 10.1088/1361-6560/aaea83 . ISSN 1361-6560 . ПМИД 30465547 . S2CID 53717425 .

[13] Ивеборг, Моа; Сюй, Ченг; Фреденберг, Эрик; Даниэльссон, Матс (26 февраля 2009 г.). «КТ с подсчетом фотонов с кремниевыми детекторами: возможности педиатрической визуализации» . В Самей, Эхсан; Се, Цзян (ред.). Медицинская визуализация 2009: Физика медицинской визуализации . Том. 7258. Лейк-Буэна-Виста, Флорида. стр. 704–709. arXiv : 2101.09439 . дои : 10.1117/12.813733 . S2CID 120218867 . {{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )

[14] Пурмортеза, Амир; Саймонс, Рольф; Сандфорт, Вейт; Маллек, Марисса; Фулд, Мэтью К.; Хендерсон, Грегори; Джонс, Элизабет С.; Малаери, Ашкан А.; Фолио, Лес Р.; Блюмке, Дэвид А. (апрель 2016 г.). «Визуализация брюшной полости с помощью КТ с контрастированием и подсчетом фотонов: первый человеческий опыт» . Радиология . 279 (1): 239–245. дои : 10.1148/radiol.2016152601 . ISSN 0033-8419 . ПМК 4820083 . ПМИД 26840654 .

[15] «Первый цветной 3D-рентгеновский снимок человека с использованием технологии ЦЕРН» . ЦЕРН . Проверено 23 ноября 2020 г.

[16] «Новые цветные 3D-рентгеновские снимки стали возможными благодаря технологии ЦЕРН» . ЦЕРН . Проверено 23 ноября 2020 г.

[17] Хэдфилд, Роберт Х.; Лич, Джонатан; Флеминг, Фиона; Пол, Дуглас Дж.; Тан, Чи Хинг; Нг, Джо Шиен; Хендерсон, Роберт К.; Буллер, Джеральд С. (2023). «Однофотонное обнаружение для визуализации и зондирования на больших расстояниях» . Оптика . 10 (9): 1124. doi : 10.1364/optica.488853 . hdl : 20.500.11820/4d60bb02-3c2c-4f86-a737-f985cb8613d8 . S2CID 259687483 . Проверено 29 августа 2023 г.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[номер 1]

[номер 2]