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 . Можно использовать устройства с зарядовой связью .
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]
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 случайно изменяющимся количеством 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.
Однофотонное обнаружение полезно в таких областях, как: [1]
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, всегда применяется принцип радиационной защиты «настолько низкий, насколько это практически осуществимо» ( ALARP ). Один из способов снижения облучения — сделать детекторы рентгеновского излучения максимально эффективными, чтобы можно было использовать более низкие дозы 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 для различения энергий фотонов, [10] [6] с возможностью дальнейшего улучшения качества изображения [11] и различения типов тканей. [12] Компьютерная томография с подсчетом фотонов — еще одна область интересов, которая быстро развивается и приближается к клинической осуществимости. [13] [14] [15] [16]
Коррелированный по времени подсчет одиночных фотонов ( TCSPC ) точно записывает время прибытия отдельных фотонов, позволяя измерять различия в пикосекундном масштабе времени 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.
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]
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.
{{cite book}}
: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )