Conteo de fotones - Photon counting
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El conteo de fotones es una técnica en la que los fotones individuales se cuentan usando un detector de fotón único (SPD). A diferencia de un fotodetector normal, que genera una señal analógica proporcional al flujo de fotones , un detector de fotón único emite un pulso de señal cada vez que se detecta un fotón. Se cuenta el número total de pulsos (pero no su amplitud), dando un número entero de fotones detectados por período de medición. La eficiencia de conteo está determinada por la eficiencia cuántica y cualquier pérdida electrónica que esté presente en el sistema.
Se pueden configurar muchos fotodetectores para detectar fotones individuales, cada uno con ventajas y desventajas relativas. Los tipos comunes incluyen fotomultiplicadores , contadores Geiger , un solo fotón avalancha diodos , superconductores de nanocables detectores de fotón único , sensores de bordes de transición , y los contadores de centelleo . A veces también se pueden utilizar dispositivos de carga acoplada .
Ventajas
El conteo de fotones elimina el ruido de ganancia, donde la constante de proporcionalidad entre la salida de la señal analógica y el número de fotones varía aleatoriamente. Por lo tanto, el factor de exceso de ruido de un detector de conteo de fotones es la unidad, y la relación señal / ruido alcanzable para un número fijo de fotones será generalmente más alta que si el mismo detector funcionara sin conteo de fotones.
El recuento de fotones puede mejorar la resolución temporal . En un detector convencional, múltiples fotones que llegan generan respuestas de impulso superpuestas , lo que limita la resolución temporal a aproximadamente el tiempo de caída del detector. Sin embargo, si se sabe que se detectó un solo fotón, se puede evaluar el centro de la respuesta al impulso para determinar con precisión el tiempo de llegada del fotón. Utilizando el recuento de fotones individuales correlacionados en el tiempo (TCSPC), se ha demostrado una resolución temporal de menos de 25 ps utilizando detectores con un tiempo de caída más de 20 veces mayor.
Desventajas
Los detectores de fotón único generalmente se limitan a detectar un solo fotón a la vez y pueden requerir un "tiempo muerto" entre los eventos de detección para restablecerse. Si llegan fotones adicionales durante este intervalo, es posible que no se detecten. Por lo tanto, la intensidad de luz máxima que se puede contar con precisión suele ser muy baja. Las imágenes o mediciones compuestas por un bajo número de fotones tienen intrínsecamente una baja relación señal / ruido debido al ruido de disparo causado por la variación aleatoria del número de fotones emitidos. Este efecto es menos pronunciado en los detectores convencionales que pueden detectar simultáneamente una gran cantidad de fotones, mitigando el ruido de disparo. Por lo tanto, la relación señal / ruido con el recuento de fotones suele ser mucho más baja que la detección convencional, y la obtención de imágenes utilizables puede requerir tiempos de adquisición muy largos para acumular fotones.
Aplicaciones
Detección de fotón único es útil en muchos campos, incluyendo la comunicación de fibra óptica , la ciencia de la información cuántica , encriptación cuántica , la imagen médica , la detección de luz y que van , secuenciación de ADN , Astrofísica y ciencia de los materiales .
Medicamento
En radiología , una de las principales desventajas de las modalidades de imágenes de rayos X son los efectos negativos de la radiación ionizante . Aunque se cree que el riesgo de exposiciones pequeñas (como se utiliza en la mayoría de las imágenes médicas) es muy pequeño, siempre se aplica el principio de protección radiológica de "tan bajo como sea razonablemente posible" ( ALARP ). Una forma de reducir las exposiciones es hacer que los detectores de rayos X sean lo más eficientes posible, de modo que se puedan utilizar dosis más bajas para obtener la misma calidad de imagen de diagnóstico. Los detectores de conteo de fotones podrían ayudar, debido a su capacidad para rechazar el ruido con mayor facilidad y otras ventajas en comparación con los detectores integradores (sumadores) convencionales.
La mamografía con recuento de fotones se introdujo comercialmente en 2003. Aunque tales sistemas no están muy extendidos, existe alguna evidencia de su capacidad para producir imágenes comparables a una dosis aproximadamente un 40% menor para el paciente que otros sistemas de mamografía digital con detectores de pantalla plana . Posteriormente, la tecnología se desarrolló para discriminar entre las energías de los fotones, las llamadas imágenes espectrales , con la posibilidad de mejorar aún más la calidad de la imagen y distinguir entre diferentes tipos de tejidos. La tomografía computarizada con conteo de fotones es otra área clave de interés, que está evolucionando rápidamente y está a punto de ser factible para el uso clínico de rutina.
Microscopía de imágenes de fluorescencia de por vida
El recuento de fotones individuales correlacionados en el tiempo ( TCSPC ) registra con precisión los tiempos de llegada de fotones individuales, lo que permite medir las diferencias de escala de tiempo de picosegundos en los tiempos de llegada de fotones generados por fluorescencia , fosforescencia u otros procesos químicos que emiten luz, proporcionando información molecular adicional. sobre muestras. El uso de TCSPC permite que los detectores relativamente lentos midan diferencias de tiempo extremadamente diminutas que se verían oscurecidas por respuestas de impulso superpuestas si varios fotones incidieran simultáneamente.
LIDAR
Algunos sistemas LIDAR de pulsos operan en modo de conteo de fotones individuales usando TCSPC para lograr una resolución más alta.
Cantidades medidas
El número de fotones observados por unidad de tiempo es el flujo de fotones . El flujo de fotones por unidad de área es la irradiancia de fotones si los fotones inciden sobre una superficie, o la salida de fotones si se está considerando la emisión de fotones de una fuente de área amplia. El flujo por unidad de ángulo sólido es la intensidad del fotón . El flujo por unidad de área de fuente por unidad de ángulo sólido es la radiación de fotones . Las unidades SI para estas cantidades se resumen en la siguiente tabla.
| Cantidad | Unidad | Dimensión | Notas | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Nombre | Símbolo | Nombre | Símbolo | Símbolo | ||||
| Energía de fotones | norte | 1 | recuento de fotones n con energía Q p = h ⋅ c / λ. | |||||
| Flujo de fotones | Φ q | contar por segundo | s −1 | T −1 | fotones por unidad de tiempo, dn / d t con n = número de fotones. también llamado poder de fotones . |
|||
| Intensidad de fotones | I | contar por estereorradián por segundo | sr −1 ⋅s −1 | T −1 | dn / d ω | |||
| Radiación de fotones | L q | recuento por metro cuadrado por estereorradián por segundo | m −2 ⋅sr −1 ⋅s −1 | L −2 ⋅T −1 | d 2 n / (d A cos (θ) dω) | |||
| Irradiancia de fotones | E q | contar por metro cuadrado por segundo | m −2 ⋅s −1 | L −2 ⋅T −1 | dn / dA | |||
| Extinción de fotones | METRO | contar por metro cuadrado por segundo | m −2 ⋅s −1 | L −2 ⋅T −1 | dn / dA | |||
| Ver también: Recuento de fotones · SI · Radiometría · Fotometría | ||||||||
Ver también
- Fuente de fotón único
- Contador de fotones de luz visible
- Sensor de borde de transición
- Detector de fotón único de nanocables superconductores
- Recuento de fotones individuales correlacionados en el tiempo
- Sensor de imagen binaria sobremuestreado