Подсчет фотонов - Photon counting

Прототип однофотонного детектора, который использовался на 200-дюймовом телескопе Хейла . Космический телескоп Хаббла имеет аналогичный детектор.

Подсчет фотонов - это метод, при котором отдельные фотоны подсчитываются с помощью однофотонного детектора (SPD). В отличие от обычного фотодетектора, который генерирует аналоговый сигнал, пропорциональный потоку фотонов , однофотонный детектор излучает импульс сигнала каждый раз, когда обнаруживается фотон. Подсчитывается общее количество импульсов (но не их амплитуда), что дает целое число фотонов, обнаруженных за период измерения. Эффективность счета определяется квантовой эффективностью и любых электронных потерь, которые присутствуют в системе.

Многие фотодетекторы могут быть настроены на обнаружение отдельных фотонов, каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки. К распространенным типам относятся фотоумножители , счетчики Гейгера , однофотонные лавинные диоды , сверхпроводящие нанопроволочные однофотонные детекторы , краевые датчики переходов и сцинтилляционные счетчики . Иногда также могут использоваться устройства с зарядовой связью .

Преимущества

Подсчет фотонов устраняет шум усиления, когда константа пропорциональности между выходным аналоговым сигналом и количеством фотонов изменяется случайным образом. Таким образом, коэффициент избыточного шума детектора подсчета фотонов равен единице, и достижимое отношение сигнал / шум для фиксированного числа фотонов обычно будет выше, чем если бы тот же детектор работал без подсчета фотонов.

Подсчет фотонов может улучшить временное разрешение . В обычном детекторе несколько приходящих фотонов генерируют перекрывающиеся импульсные характеристики , ограничивая временное разрешение приблизительно временем спада детектора. Однако, если известно, что был обнаружен одиночный фотон, можно оценить центр импульсной характеристики, чтобы точно определить время прибытия фотона. При использовании коррелированного по времени счета одиночных фотонов (TCSPC) временное разрешение менее 25 пс было продемонстрировано с использованием детекторов со временем спада более чем в 20 раз.

Недостатки

Детекторы одиночных фотонов обычно ограничиваются детектированием одного одиночного фотона за раз, и для сброса может потребоваться «мертвое время» между событиями детектирования. Если в течение этого интервала прибудут дополнительные фотоны, они могут не быть обнаружены. Следовательно, максимальная интенсивность света, которую можно точно подсчитать, обычно очень мала. Изображения или измерения, состоящие из небольшого количества фотонов, по своей сути имеют низкое отношение сигнал / шум из-за дробового шума, вызванного случайным изменением количества испускаемых фотонов. Этот эффект менее выражен в обычных детекторах, которые могут одновременно обнаруживать большое количество фотонов, уменьшая дробовой шум. Поэтому отношение сигнал / шум при подсчете фотонов обычно намного ниже, чем при обычном обнаружении, и получение пригодных для использования изображений может потребовать очень длительного времени сбора для накопления фотонов.

Приложения

Однофотонное обнаружение полезно во многих областях, включая волоконно-оптическую связь , квантовую информатику , квантовое шифрование , медицинскую визуализацию , обнаружение света и определение дальности , секвенирование ДНК , астрофизику и материаловедение .

Медицина

В радиологии одним из основных недостатков методов рентгеновской визуализации является отрицательное воздействие ионизирующего излучения . Хотя риск от небольшого облучения (который используется в большинстве медицинских изображений) считается очень низким, всегда применяется принцип радиационной защиты «настолько низкий, насколько это практически возможно» ( ALARP ). Один из способов уменьшить экспозицию - сделать детекторы рентгеновского излучения максимально эффективными, чтобы можно было использовать более низкие дозы для того же качества диагностического изображения. Детекторы подсчета фотонов могут помочь благодаря их способности легче подавлять шум и другим преимуществам по сравнению с обычными интегрирующими (суммирующими) детекторами.

Маммография с подсчетом фотонов была коммерчески внедрена в 2003 году. Хотя такие системы не получили широкого распространения, есть некоторые свидетельства их способности производить сопоставимые изображения при дозе облучения пациента примерно на 40% ниже, чем у других цифровых маммографических систем с плоскопанельными детекторами . Впоследствии была разработана технология различения энергий фотонов, так называемая спектральная визуализация , с возможностью дальнейшего улучшения качества изображения и различения различных типов тканей. Компьютерная томография с подсчетом фотонов - еще одна ключевая область интереса, которая быстро развивается и находится на грани возможности повседневного клинического использования.

Визуализирующая микроскопия с сохранением флуоресценции

Коррелированный по времени подсчет одиночных фотонов ( TCSPC ) точно регистрирует время прихода отдельных фотонов, позволяя измерять пикосекундные различия во времени прихода фотонов, генерируемых флуоресценцией , фосфоресценцией или другими химическими процессами, излучающими свет, обеспечивая дополнительную молекулярную информацию по поводу образцов. Использование TCSPC позволяет относительно медленным детекторам измерять чрезвычайно мельчайшие разницы во времени, которые могут быть скрыты перекрывающимися импульсными характеристиками, если одновременно падают несколько фотонов.

ЛИДАР

Некоторые импульсные системы LIDAR работают в режиме счета одиночных фотонов с использованием TCSPC для достижения более высокого разрешения.

Измеряемые величины

Количество фотонов, наблюдаемых в единицу времени, и есть поток фотонов . Поток фотонов на единицу площади - это фотонное излучение, если фотоны падают на поверхность, или выходное излучение фотонов, если рассматривается испускание фотонов из источника с большой площадью. Поток на единицу телесного угла - это интенсивность фотона . Поток на единицу площади источника на единицу телесного угла - это фотонное излучение . Единицы СИ для этих величин приведены в таблице ниже.

**СИ фотонные единицы**

v

т

е
Количество		Ед. изм		Измерение	Заметки
Имя	Символ	Имя	Символ	Символ	Заметки
Энергия фотона	п			1	подсчет фотонов n с энергией Q _p = h ⋅ c / λ.
Фотонный поток	Φ _q	счет в секунду	с ⁻¹	Т ⁻¹	фотонов в единицу времени, dn / d t с n = числом фотонов. также называется фотонной силой .
Интенсивность фотона	я	счетчик на стерадиан в секунду	sr ⁻¹ ⋅s ⁻¹	Т ⁻¹	dn / d ω
Фотонное сияние	L _q	количество на квадратный метр на стерадиан в секунду	м ⁻² ⋅sr ⁻¹ ⋅s ⁻¹	L ⁻² ⋅T ⁻¹	d ² n / (d A cos (θ) dω)
Фотонное излучение	E _q	количество на квадратный метр в секунду	м ⁻² ⋅с ⁻¹	L ⁻² ⋅T ⁻¹	дн / дА
Выход фотона	M	количество на квадратный метр в секунду	м ⁻² ⋅с ⁻¹	L ⁻² ⋅T ⁻¹	дн / дА
См. Также: Счет фотонов · СИ · Радиометрия · Фотометрия

Languages

In other projects