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Conteo de fotones

Un prototipo de detector de fotones individuales que se utilizó en el telescopio Hale de 200 pulgadas . El telescopio espacial Hubble tiene un detector similar. El conteo de fot...

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Un prototipo de detector de fotones individuales 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 que consiste en contar fotones individuales mediante un detector de fotones individuales (SPD). Este detector emite un pulso de señal por cada fotón detectado. La eficiencia del conteo está determinada por la eficiencia cuántica y las pérdidas electrónicas del sistema.

Muchos fotodetectores pueden configurarse para detectar fotones individuales, cada uno con ventajas y desventajas relativas. [ 1 ] [ 2 ] Los tipos comunes incluyen fotomultiplicadores , contadores Geiger , diodos de avalancha de un solo fotón , detectores de un solo fotón de nanocables superconductores , sensores de borde de transición y contadores de centelleo . 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 señal analógica de salida y el número de fotones varía aleatoriamente. Por lo tanto, el factor de ruido adicional de un detector de conteo de fotones es unitario, y la relación señal-ruido alcanzable para un número fijo de fotones es generalmente mayor que la del mismo detector sin conteo de fotones. [ 3 ]

El conteo de fotones puede mejorar la resolución temporal . En un detector convencional, la llegada de múltiples fotones genera 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 de impulso para determinar con precisión su tiempo de llegada. Mediante el conteo de fotones individuales correlacionados en el tiempo (TCSPC), se ha demostrado una resolución temporal inferior a 25  ps utilizando detectores con un tiempo de caída más de 20 veces mayor. [ 4 ]

Desventajas

Los detectores de fotones individuales suelen limitarse a detectar un fotón a la vez y pueden requerir un tiempo entre detecciones para reiniciarse. Los fotones que llegan durante este intervalo pueden no ser detectados. Por lo tanto, la intensidad máxima de luz que se puede medir con precisión suele ser baja. Las mediciones compuestas por un número reducido de fotones presentan intrínsecamente una baja relación señal-ruido debido a la variación aleatoria en el número de fotones emitidos. Este efecto es menos pronunciado en los detectores convencionales, que pueden detectar simultáneamente un gran número de fotones. Debido al menor nivel máximo de señal, la relación señal-ruido será menor o el tiempo de exposición mayor que en la detección convencional.

Aplicaciones

La detección de fotones individuales es útil en campos como: [ 1 ]

Medicamento

En radiología , una de las principales desventajas de las modalidades de imagen por rayos X son los efectos negativos de la radiación ionizante . Aunque se cree que el riesgo de pequeñas exposiciones (como las que se utilizan en la mayoría de las imágenes médicas) es pequeño, siempre se aplica el principio de protección radiológica de "tan bajo como sea razonablemente practicable" ( 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 una determinada calidad de imagen diagnóstica. Los detectores de conteo de fotones podrían ser útiles, debido a su capacidad para rechazar el ruido con mayor facilidad. [ 5 ] [ 6 ] El conteo de fotones es análogo a la fotografía en color, donde la energía diferente de cada fotón afecta la salida, en comparación con la integración de carga, que considera solo la intensidad de la señal, como en la fotografía en blanco y negro. [ 7 ]

La mamografía con conteo de fotones se introdujo comercialmente en 2003. Aunque estos sistemas no están muy extendidos, algunas evidencias respaldan su capacidad para producir imágenes comparables con una dosis aproximadamente un 40 % menor que otros sistemas de mamografía digital con detectores de panel plano . [ 8 ] [ 9 ] Posteriormente se desarrolló la tecnología de imágenes espectrales para discriminar entre energías de fotones, [ 10 ] [ 6 ] con la posibilidad de mejorar aún más la calidad de la imagen [ 11 ] y distinguir los tipos de tejido. [ 12 ] La tomografía computarizada con conteo de fotones es otra área de interés, que está evolucionando rápidamente y se acerca a la viabilidad clínica. [ 13 ] [ 14 ] [ 15 ] [ 16 ]

microscopía de imágenes de tiempo de vida de fluorescencia

La técnica de conteo de fotones individuales correlacionados en el tiempo ( TCSPC ) registra con precisión los tiempos de llegada de fotones individuales, lo que permite medir diferencias en la escala 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 las muestras. El uso de TCSPC permite que detectores relativamente lentos midan diferencias de tiempo extremadamente pequeñas que quedarían ocultas por la superposición de respuestas de impulso si incidieran varios fotones simultáneamente.

LIDAR

Algunos sistemas LIDAR de pulsos operan en modo de conteo de fotones individuales utilizando TCSPC para lograr una mayor resolución. Las tecnologías de conteo de fotones infrarrojos para LIDAR están avanzando rápidamente. [ 17 ]

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 emitancia de fotones si se considera la emisión de fotones desde una fuente de área amplia. El flujo por unidad de ángulo sólido es la intensidad de fotones . El flujo por unidad de área de la fuente por unidad de ángulo sólido es la radiancia de fotones . Las unidades del SI para estas magnitudes se resumen en la tabla siguiente.

  1. ↑ Las organizaciones de normalización recomiendan que las cantidades de fotones se denoten con el sufijo " q " (de "cuanto") para evitar confusiones con las cantidades radiométricas y fotométricas .
  2. ↑ La energía de un solo fotón a una longitud de onda λ es Q p = hc / λ donde h  = constante de Planck y c  = velocidad de la luz .

Véase también

Referencias

  1. 1 2 "Alta eficiencia en el sistema detector de fotones individuales más rápido" (Comunicado de prensa). Instituto Nacional de Estándares y Tecnología . 19 de febrero de 2013. Recuperado el 11 de octubre de 2018 .
  2. ↑ Hadfield, RH (2009). "Detectores de fotones individuales para aplicaciones de información cuántica óptica". Nature Photonics . 3 (12): 696. Bibcode : 2009NaPho...3..696H . doi : 10.1038/nphoton.2009.230 .
  3. ↑ KK, Hamamatsu Photonics. "Preguntas y respuestas sobre detección" . hub.hamamatsu.com . Consultado el 14 de agosto de 2020 .
  4. ↑ "Sistema FLIM TCSPC de adquisición rápida con ancho IRF inferior a 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. pp. 2–21 . ISBN  978-1-4987-6682-1.
  6. 1 2 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. Bibcode : 2013MedPh..40j0901T . doi : 10.1118/1.4820371 . PMC 3786515. PMID 24089889 .  
  7. ↑ "Explicación del conteo de fotones" . Conversión directa . Consultado el 10 de febrero de 2022 .
  8. ↑ McCullagh, JB; Baldelli, P; Phelan, N (noviembre de 2011). "Rendimiento de la dosis clínica de la mamografía digital de campo completo en un programa de detección de cáncer de mama" . The British Journal of Radiology . 84 (1007): 1027– 1033. doi : 10.1259/bjr/83821596 . PMC 3473710. PMID 21586506 .  
  9. ↑ Weigel, Stefanie; Berkemeyer, Shoma; Girnus, Ralf; Sommer, Alexander; Lenzen, Horst; Heindel, Walter (mayo de 2014). "Detección de cáncer de mama mediante mamografía digital con técnica de conteo de fotones: ¿Es posible lograr un alto rendimiento diagnóstico con una dosis glandular media baja?" . Radiology . 271 (2): 345– 355. doi : 10.1148/radiol.13131181 . PMID 24495234 . 
  10. ↑ Iwanczyk, Jan S; Barber, WC; Nygård, Einar; Malakhov, Nail; Hartsough, NE; Wessel, JC (2018). "Matrices de detectores de energía dispersiva con conteo de fotones para imágenes de rayos X" . En Iniewski, Krzysztof (ed.). Electrónica para detección de radiación . CRC Press. ISBN 978-1-4398-5884-4.
  11. ↑ Berglund, Johan; Johansson, Henrik; Lundqvist, Mats; Cederström, Björn; Fredenberg, Erik (2014-08-28). "La ponderación de energía mejora la eficiencia de la dosis en la práctica clínica: implementación en un sistema de mamografía de conteo de fotones espectral" . Journal of Medical Imaging . 1 (3) 031003. doi : 10.1117/1.JMI.1.3.031003 . ISSN 2329-4302 . PMC 4478791. PMID 26158045 .   
  12. ↑ Fredenberg, Erik; Willsher, Paula; Moa, Elin; Dance, David R; Young, Kenneth C; Wallis, Matthew G (22-11-2018). "Medición de la atenuación de rayos X en tejido mamario mediante imágenes espectrales: tejido normal y maligno fresco y fijado" . Physics in Medicine & Biology . 63 (23): 235003. arXiv : 2101.02755 . Bibcode : 2018PMB....63w5003F . doi : 10.1088/1361-6560/ aaea83 . ISSN 1361-6560 . PMID 30465547. S2CID 53717425 .   
  13. ↑ Yveborg, Moa; Xu, Cheng; Fredenberg, Erik; Danielsson, Mats (26 de febrero de 2009). "Tomografía computarizada con conteo de fotones con detectores de silicio: viabilidad para imágenes pediátricas" . En Samei, Ehsan; Hsieh, Jiang (eds.). Medical Imaging 2009: Physics of Medical Imaging . Vol. 7258. Lake Buena Vista, FL. pp. 704–709 . arXiv : 2101.09439 . doi : 10.1117 /12.813733 . S2CID 120218867 .   {{cite book}}: CS1 mantenimiento: falta el editor de ubicación ( enlace )
  14. ↑ 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). " Imágenes abdominales con TC de conteo de fotones con contraste: primera experiencia en humanos" . Radiology . 279 (1): 239– 245. doi : 10.1148/radiol.2016152601 . ISSN 0033-8419 . PMC 4820083. PMID 26840654 .   
  15. ↑ "Primera radiografía en color 3D de un ser humano utilizando tecnología del CERN" . CERN . Consultado el 23 de noviembre de 2020 .
  16. ↑ "Nuevas radiografías 3D en color posibles gracias a la tecnología del CERN" . CERN . Consultado el 23 de noviembre de 2020 .
  17. ↑ Hadfield, Robert H.; Leach, Jonathan; Fleming, Fiona; Paul, Douglas J.; Tan, Chee Hing; Ng, Jo Shien; Henderson, Robert K.; Buller, Gerald S. (2023). "Detección de fotones individuales para imágenes y detección de largo alcance" . Optica . 10 (9): 1124. Bibcode : 2023Optic..10.1124H . doi : 10.1364/optica.488853 . hdl : 20.500.11820/4d60bb02-3c2c-4f86-a737-f985cb8613d8 . S2CID 259687483. Recuperado el 29 de agosto de 2023 .