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Un prototipo de detector de fotón único que se utilizó en el telescopio Hale de 200 pulgadas . El telescopio espacial Hubble tiene un detector similar.

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. [1] [2] 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 [ editar ]

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. [3]

El recuento de fotones puede mejorar la resolución temporal . En un detector convencional, múltiples fotones que llegan generan respuestas de impulso superpuestas , limitando 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. [4]

Desventajas [ editar ]

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 reiniciarse. 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 menor que la detección convencional, y la obtención de imágenes utilizables puede requerir tiempos de adquisición muy largos para acumular fotones.

Aplicaciones [ editar ]

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 . [1]

Medicina [ editar ]

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 más fácilmente, y otras ventajas en comparación con los detectores integradores (sumadores) convencionales. [5][6]

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 . [7] [8] La tecnología se desarrolló posteriormente para discriminar entre las energías de los fotones, las llamadas imágenes espectrales , [9] [10] [6] con la posibilidad de mejorar aún más la calidad de la imagen, [9] y para distinguir entre diferentes tejidos tipos. [11] Tomografía computarizada con conteo de fotoneses otra área clave de interés, que está evolucionando rápidamente y está a punto de ser factible para uso clínico de rutina. [12] [13] [14]

Microscopía de imágenes de fluorescencia de por vida [ editar ]

Más información: 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 al mismo tiempo.

LIDAR [ editar ]

Más información: LIDAR

Algunos sistemas LIDAR de pulsos operan en modo de conteo de fotones individuales usando TCSPC para lograr una resolución más alta.

Cantidades medidas [ editar ]

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.

Unidades de fotones SI
  • v
  • t
  • mi
CantidadUnidadDimensiónNotas
NombreSímbolo [nb 1]NombreSímboloSímbolo
Energía fotónicanorte1recuento de fotones n con energía Q p  = h ⋅ c  / λ. [nb 2]
Flujo de fotonesΦ qcontar por segundos −1T −1fotones por unidad de tiempo, dn / d t con n = número de fotones.
también llamado poder de fotones .
Intensidad de fotonesIcontar por estereorradián por segundosr −1 ⋅s −1T −1dn / d ω
Radiación de fotonesL qrecuento por metro cuadrado por estereorradián por segundom −2 ⋅sr −1 ⋅s −1L −2 ⋅T −1d 2 n / (d A cos (θ) dω)
Irradiancia de fotonesE qcontar por metro cuadrado por segundom −2 ⋅s −1L −2 ⋅T −1dn / dA
Extinción de fotonesMETROcontar por metro cuadrado por segundom −2 ⋅s −1L −2 ⋅T −1dn / dA
Ver también: Recuento de fotones  · SI  · Radiometría  · Fotometría
  1. ^ Las organizaciones de normalización recomiendan que las cantidades de fotones se denoten con un sufijo " q " (para "cuántico") para evitar confusiones concantidades radiométricas y fotométricas .
  2. ^ La energía de un solo fotón en la longitud de onda λ es Q p  = h ⋅c / λ con h  =  constante de Planck yc =  velocidad de la luz .

Ver también [ editar ]

  • 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

Referencias [ editar ]

  1. ^ a b "Alta eficiencia en el sistema detector de fotón único más rápido" (Comunicado de prensa). Instituto Nacional de Estándares y Tecnología . 19 de febrero de 2013 . Consultado el 11 de octubre de 2018 .
  2. ^ Hadfield, RH (2009). "Detectores de fotón único para aplicaciones de información óptica cuántica". Nature Photonics . 3 (12): 696. Bibcode : 2009NaPho ... 3..696H . doi : 10.1038 / nphoton.2009.230 .
  3. ^ KK, Fotónica de Hamamatsu. "Preguntas y respuestas de detección" . hub.hamamatsu.com . Consultado el 14 de agosto de 2020 .
  4. ^ "Sistema TCSPC FLIM de adquisición rápida con ancho de IRF sub-25 ps" (PDF) . Becker y Hickl . Consultado el 17 de agosto de 2020 .
  5. ↑ Shikhaliev, M (2015). "Imágenes médicas de rayos X y TC con detectores de conteo de fotones". En Iwanczyk, Jan S. (ed.). Detectores de radiación para imágenes médicas . Boca Raton, FL: CRC Press. págs. 2–21. ISBN 9781498766821.
  6. ^ a b Taguchi, Katsuyuki; Iwanczyk, Jan S. (12 de septiembre de 2013). "Visión 20/20: detectores de rayos X de conteo de fotones individuales en imágenes médicas" . Física Médica . 40 (10): 100901. Código Bibliográfico : 2013MedPh..40j0901T . doi : 10.1118 / 1.4820371 . PMC 3786515 . PMID 24089889 .  
  7. ^ McCullagh, JB; Baldelli, P; Phelan, N (noviembre de 2011). "Rendimiento de dosis clínica de mamografía digital de campo completo en un programa de cribado de mama" . La Revista Británica de Radiología . 84 (1007): 1027–1033. doi : 10.1259 / bjr / 83821596 . PMC 3473710 . PMID 21586506 .  
  8. ^ Weigel, Stefanie; Berkemeyer, Shoma; Girnus, Ralf; Sommer, Alexander; Lenzen, Horst; Heindel, Walter (mayo de 2014). "Detección de mamografía digital con técnica de conteo de fotones: ¿Se puede lograr un alto rendimiento diagnóstico con una dosis glandular media baja?" . Radiología . 271 (2): 345–355. doi : 10.1148 / radiol.13131181 . PMID 24495234 . 
  9. ^ a b Berglund, Johan; Johansson, Henrik; Lundqvist, Mats; Cederström, Björn; Fredenberg, Erik (28 de agosto de 2014). "La ponderación energética mejora la eficiencia de la dosis en la práctica clínica: implementación en un sistema de mamografía espectral de conteo de fotones" . Revista de imágenes médicas . 1 (3): 031003. doi : 10.1117 / 1.JMI.1.3.031003 . ISSN 2329-4302 . PMC 4478791 . PMID 26158045 .   
  10. ↑ Iwanczyk, Jan S; Barbero, WC; Nygård, Einar; Malakhov, Nail; Hartsough, NE; Wessel, JC (2018). "Matrices de detectores de dispersión de energía de conteo de fotones para imágenes de rayos X" . En Iniewski, Krzysztof (ed.). Electrónica para la detección de radiaciones . Prensa CRC. ISBN 9781439858844.
  11. ^ Fredenberg, Erik; Willsher, Paula; Moa, Elin; Danza, David R; Young, Kenneth C; Wallis, Matthew G (22 de noviembre de 2018). "Medición de la atenuación de rayos X del tejido mamario por imagen espectral: tejido normal y maligno fresco y fijo" . Física en Medicina y Biología . 63 (23): 235003. doi : 10.1088 / 1361-6560 / aaea83 . ISSN 1361-6560 . PMID 30465547 .  
  12. ^ 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. (abril de 2016). "Imagen abdominal con TC de recuento de fotones con contraste: primera experiencia humana" . Radiología . 279 (1): 239–245. doi : 10.1148 / radiol.2016152601 . ISSN 0033-8419 . PMC 4820083 . PMID 26840654 .   
  13. ^ "Primera radiografía en color 3D de un ser humano con tecnología CERN" . CERN . Consultado el 23 de noviembre de 2020 .
  14. ^ "Nuevas radiografías en color 3D posibles con la tecnología CERN" . CERN . Consultado el 23 de noviembre de 2020 .