Войти
Прототип однофотонного детектора, который использовался на 200-дюймовом телескопе Хейла. Космический телескоп Хаббла имеет аналогичный детектор. Подсчет фотонов - это метод, в котором отдельные фотоны подсчитываются с помощью однофотонного детектора (СПД). 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 любыми электронными потерями, которые присутствуют в системе.
Многие фотодетекторы могут быть сконфигурированы для обнаружения отдельных фотонов, каждый из которых имеет относительные преимущества и недостатки. Общие типы включают фотоумножители, счетчики Гейгера, однофотонные лавинные диоды, сверхпроводящие нанопроволочные однофотонные детекторы, край перехода датчики и сцинтилляционные счетчики. Также иногда могут использоваться устройства с зарядовой связью.
Подсчет фотонов устраняет шум усиления, когда константа пропорциональности между выходным аналоговым сигналом и количеством фотонов изменяется случайным образом. Таким образом, коэффициент избыточного шума счетчика фотонов равен единице, а достижимое отношение сигнал / шум для фиксированного числа фотонов обычно будет выше, чем если бы такое 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 падения 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 подсчета одиночных фотонов (TCSPC) временное разрешение менее 25 пс было продемонстрировано с использованием детекторов со временем спада более чем в 20 раз.
Детекторы одиночных фотонов обычно ограничиваются обнаружением одного одиночного фотона за раз, и для сброса может потребоваться «мертвое время» между событиями обнаружения. Если в течение этого интервала прибудут дополнительные фотоны, их нельзя будет обнаружить. Поэтому максимальная интенсивность света , которую можно точно подсчитать, обычно очень мала. Изображения или измерения, состоящие из небольшого количества фотонов, по своей сути имеют низкое отношение сигнала к шуму 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.
Обнаружение одиночных фотонов полезно во многих областях, включая волоконно-оптическую связь, квантовую информатику, квантовое шифрование, медицинская визуализация, обнаружение света и дальнометрия, секвенирование ДНК, астрофизика и материаловедение.
В радиологии одним из основных недостатков методов рентгеновской визуализации является отрицательное воздействие ионизирующего излучения. Хотя риск от небольшого облучения (как это используется в большинстве медицинских изображений) считается очень низким, принцип радиационной защиты «настолько низкий, насколько это практически возможно» (ALARP ) всегда действует применяется. Один из способов уменьшения экспозиции - сделать детекторы рентгеновского излучения как можно более эффективными, чтобы можно было использовать более низкие дозы для того же качества диагностического изображения. Детекторы с подсчетом фотонов могут помочь благодаря их способности более легко подавлять шум и другим преимуществам по сравнению с обычными интегрирующими (суммирующими) детекторами.
Маммография с подсчетом фотонов была коммерчески представлена в 2003 году. Хотя такие системы не получили широкого распространения, есть некоторые свидетельства их способности создавать сопоставимые изображения при дозе облучения пациента примерно на 40% ниже, чем у других цифровых маммографических систем с плоскими 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 того, чтобы стать доступной для рутинного клинического использования.
Коррелированный по времени подсчет одиночных фотонов ( TCSPC ) точно регистрирует время прихода отдельных фотонов, что позволяет измерять пикосекундные разницы во времени прихода фотонов, генерируемых флуоресцентной, фосфоресценцией или другими химические процессы, которые излучают свет, предоставляя дополнительную молекулярную информацию об образцах. Использование TCSPC позволяет относительно медленным детекторам измерять чрезвычайно незначительные разницы во времени, которые могут быть скрыты из-за перекрытия, если одновременно падают несколько фотонов.
Некоторые импульсные системы LIDAR работают в режиме счета одиночных фотонов с использованием TCSPC для достижения более высокого разрешения.
Количество фотонов, наблюдаемых в единицу времени, - это поток фотонов. Поток фотонов на единицу площади - это фотонная освещенность, если фотоны падают на поверхность, или выходное излучение фотонов, если рассматривается излучение фотонов из источника с большой площадью. Поток на единицу телесного угла представляет собой фотонную интенсивность. Поток на единицу площади источника на единицу телесного угла составляет фотонное излучение. Единицы СИ для этих величин приведены в таблице ниже.
| Количество | Единица | Размер | Примечания | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Имя | Символ | Имя | Символ | Символ | ||||
| Энергия фотона | n | 1 | количество фотонов n с энергией Q p= h ⋅c / λ. | |||||
| Поток фотонов | Φq | количество фотонов в секунду | s | T | фотонов в единицу времени, дн / д t с n = числом фотонов.. также называется фотонной мощностью. | |||
| Интенсивность фотона | I | количество на стерадиан в секунду | sr ⋅s | T | dn / d ω | |||
| Фотонное излучение | Lq | количество на квадратный метр на стерадиан в секунду | m ⋅sr⋅s | L⋅T | dn / (d A cos (θ) dω) | |||
| Фотонное излучение | Eq | количество на квадратный метр в секунду | м⋅с | L⋅T | dn / dA | |||
| Выходная мощность фотонов | M | кол-во на квадратный метр в секунду | м⋅с | L⋅T | dn / dA | |||
| См. Также: Подсчет фотонов ·SI ·Радиометрия ·Фотометрия | ||||||||
