광자 계수

Photon counting
200인치 헤일 망원경에 사용된 단광 검출기 프로토타입이다. 허블우주망원경은 비슷한 탐지기를 가지고 있다.

광자수는 단일광자 검출기(SPD)를 이용해 개별광자를 계수하는 기법이다. 광자 플럭스에 비례하는 아날로그 신호를 생성하는 일반 광자 검출기와는 대조적으로, 단일 광자 검출기는 광자가 검출될 때마다 신호 펄스를 방출한다. 총 펄스 수(진폭은 아님)를 카운트하여 측정 기간당 검출된 광자의 정수 수를 제공한다. 계수의 효율성은 양자 효율성과 시스템에 존재하는 모든 전자적 손실에 의해 결정된다.

많은 광검출기를 개별 광자를 검출하도록 구성할 수 있으며, 각각은 상대적인 장단점이 있다.[1][2] 일반적인 유형으로는 광전자 증배기, 가이거 계수기, 단일 광자 눈사태 다이오드, 초전도 나노와이어 단일 광자 검출기, 전환 에지 센서, 섬광 계수기가 있다. 충전 결합 장치도 가끔 사용할 수 있다.

이점

광자 집계는 아날로그 신호 출력 및 광자 수 사이의 비례 상수가 무작위로 변화하는 게인 노이즈를 제거한다. 따라서 광자 카운트 검출기의 초과 소음 계수는 통일성이며, 고정된 광자 수에 대한 달성 가능한 신호 대 잡음 비율은 광자 카운트 없이 동일한 검출기를 작동했을 때보다 더 높을 것이다.[3]

광자 집계는 시간 분해능을 향상시킬 수 있다. 기존 검출기에서 여러 개의 도착 광자는 중복된 충격 반응을 생성하여 시간 분해능을 검출기의 낙하 시간으로 제한한다. 그러나 단일 광자가 검출된 것으로 알려지면 임펄스 반응의 중심을 평가해 광자의 도착 시간을 정밀하게 결정할 수 있다. 시간 상관식 단일 포토톤 계수(TCSPC)를 사용해 낙하 시간이 20배 이상 긴 검출기를 사용해 25ps 미만의 시간 분해능을 입증했다.[4]

단점들

단일 광자 검출기는 일반적으로 한 번에 하나의 광자를 검출하는 것으로 제한되며, 재설정을 위해 검출 이벤트 간 "사망 시간"이 필요할 수 있다. 이 간격 동안 추가 광자가 도착하면 광자가 감지되지 않을 수 있다. 따라서 정확하게 계산할 수 있는 최대 광도는 일반적으로 매우 낮다. 낮은 숫자의 광자로 구성된 영상이나 측정은 방출되는 광자의 수가 무작위로 달라져 발생하는 샷 노이즈로 인해 본질적으로 신호 대 잡음 비율이 낮다. 이 효과는 다수의 광자를 동시에 검출할 수 있는 기존 검출기에서 덜 뚜렷해 숏 소음을 완화한다. 따라서 광자 카운트에서의 신호 대 잡음 비율은 일반적으로 기존 검출보다 훨씬 낮으며, 사용 가능한 영상을 얻으려면 광자를 축적하는 데 매우 긴 획득 시간이 필요할 수 있다.

적용들

단일광자 검출은 광섬유통신, 양자정보과학, 양자암호화, 의료영상촬영, 빛탐지와 범위, DNA 염기서열화, 천체물리학, 재료과학 등 여러 분야에서 유용하다.[1]

약

방사선학에서 X선 영상 촬영 양식의 주요 단점 중 하나는 이온화 방사선의 부정적인 영향이다. (대부분의 의료 영상촬영에서 사용되는) 소규모 피폭으로 인한 위험은 매우 적은 것으로 생각되지만, "합리적으로 실행 가능한 한 낮음"(ALARP)이라는 방사선 방호 원칙이 항상 적용된다. 노출을 줄이는 한 가지 방법은 X선 검출기를 가능한 한 효율적으로 만들어 동일한 진단 영상 품질에 더 낮은 선량을 사용할 수 있도록 하는 것이다. 광자 계수 검출기는 기존 통합(섬밍) 검출기와 비교했을 때 소음을 더 쉽게 제거할 수 있는 능력과 기타 장점 때문에 도움이 될 수 있다.[5][6]

광자를 세는 유방조영술은 2003년에 상업적으로 도입되었다. 그러한 시스템이 널리 보급되지는 않았지만, 평면 패널 감지기가 장착된 다른 디지털 유방 촬영 시스템보다 약 40% 낮은 선량으로 환자에게 유사한 이미지를 만들 수 있다는 일부 증거가 있다.[7][8] 이 기술은 이후 영상 화질을 더욱 향상시킬 [10]수 있는 가능성으로 [9][6]광자 에너지, 이른바 스펙트럼 이미징(spectrum imaging)을 구별하고 서로 다른 조직 유형을 구별하기 위해 개발되었다.[11] 광자 계산 컴퓨터 단층 촬영은 또 다른 주요 관심 분야로, 급속도로 진화하고 있으며 일상적인 임상 사용에 실현 가능할 위기에 처해 있다.[12][13][14][15]

형광-평생 영상 현미경

추가 정보: 형광-평생 영상 현미경

시간 상관 단일 광자 계수(TCSPC)는 개별 광자의 도착 시간을 정밀하게 기록하여 빛을 방출하는 형광, 인광 또는 기타 화학적 작용에 의해 생성된 광자의 도착 시간에서 피코세컨드 시간 척도 차이를 측정할 수 있어 표본에 대한 추가 분자 정보를 제공한다. TCSPC를 사용하면 상대적으로 느린 검출기가 다중 광자가 동시에 발생할 경우 중복 임펄스 반응에 의해 가려질 수 있는 극히 미세한 시간 차이를 측정할 수 있다.

리다르

추가 정보: LIDAR

일부 펄스 LIDAR 시스템은 높은 분해능을 달성하기 위해 TCSPC를 사용하여 단일 광자 계수 모드로 작동한다.

측정수량

단위 시간당 관측된 광자의 수는 광자 플럭스다. 단위 면적당 광자 플럭스는 광자가 표면에 충돌할 경우 광자 방사조도, 광자 방출이 광역 선원에서 고려될 경우 광자 출구도이다. 단위 고체 각도의 플럭스는 광자 강도다. 단위 고형각당 단위 선원 면적당 플럭스는 광자 광도다. 이러한 수량에 대한 SI 단위는 아래 표에 요약되어 있다.

SI 광자 단위
수량 구성 단위 치수 메모들
이름 기호[nb 1] 이름 기호 기호
광자 에너지 n 1 에너지 Qp = h⋅c / λ가 있는 광자 n의 수입니다.[nb 2]
광자 플럭스 Φq 초당 세다 s−1 T−1 단위 시간 당 광자, n = 광자 번호의 dn/dt.
광자 전력이라고도 한다.
광자 강도 I 초 당 스테라디언 수를 세다. srs−1. srsrs−1. srs. srs. T−1 dn/dΩ
광자 광도 Lq 초당 제곱미터 당 스테라디언 수 m−2−1⋅⋅s−1. LHT−2−1 dn2/(dA cos(cos) dΩ)
광자 방사조도 Eq 초당 제곱미터 당 카운트 m−2⋅s−1. LHT−2−1 dn/dA
광자 출구 M 초당 제곱미터 당 카운트 m−2⋅s−1. LHT−2−1 dn/dA
참고 항목: 광자 계수 · SI · 방사측정 · 광도계
  1. ^ 표준기관들은 방사선량 및 광도량과의 혼동을 피하기 위해 광자량을 접미사 "q"("양"의 경우)로 나타낼 것을 권고한다.
  2. ^ 파장 λ에서 단일 광자의 에너지는 Qp = h⋅c / λ이며, h = Planc의 상수와 c = 빛의 속도.

참고 항목

참조

  1. ^ a b "High Efficiency in the Fastest Single-Photon Detector System" (Press release). National Institute of Standards and Technology. February 19, 2013. Retrieved 2018-10-11.
  2. ^ Hadfield, RH (2009). "Single-photon detectors for optical quantum information applications". Nature Photonics. 3 (12): 696. Bibcode:2009NaPho...3..696H. doi:10.1038/nphoton.2009.230.
  3. ^ K.K, Hamamatsu Photonics. "Detection Questions & Answers". hub.hamamatsu.com. Retrieved 2020-08-14.
  4. ^ "Fast-Acquisition TCSPC FLIM System with sub-25 ps IRF Width" (PDF). Becker and Hickl. Retrieved 17 August 2020.
  5. ^ Shikhaliev, M (2015). "Medical X-ray and CT Imaging with Photon-Counting Detectors". In Iwanczyk, Jan S. (ed.). Radiation Detectors for Medical Imaging. Boca Raton, FL: CRC Press. pp. 2–21. ISBN 9781498766821.
  6. ^ a b Taguchi, Katsuyuki; Iwanczyk, Jan S. (12 September 2013). "Vision 20/20: Single photon counting x-ray detectors in medical imaging". Medical Physics. 40 (10): 100901. Bibcode:2013MedPh..40j0901T. doi:10.1118/1.4820371. PMC 3786515. PMID 24089889.
  7. ^ McCullagh, J B; Baldelli, P; Phelan, N (November 2011). "Clinical dose performance of full field digital mammography in a breast screening programme". The British Journal of Radiology. 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 (May 2014). "Digital Mammography Screening with Photon-counting Technique: Can a High Diagnostic Performance Be Realized at Low Mean Glandular Dose?". Radiology. 271 (2): 345–355. doi:10.1148/radiol.13131181. PMID 24495234.
  9. ^ Iwanczyk, Jan S; Barber, W C; Nygård, Einar; Malakhov, Nail; Hartsough, N E; Wessel, J C (2018). "Photon-Counting Energy-Dispersive Detector Arrays for X-Ray Imaging". In Iniewski, Krzysztof (ed.). Electronics for Radiation Detection. CRC Press. ISBN 9781439858844.
  10. ^ Berglund, Johan; Johansson, Henrik; Lundqvist, Mats; Cederström, Björn; Fredenberg, Erik (2014-08-28). "Energy weighting improves dose efficiency in clinical practice: implementation on a spectral photon-counting mammography system". Journal of Medical Imaging. 1 (3): 031003. doi:10.1117/1.JMI.1.3.031003. ISSN 2329-4302. PMC 4478791. PMID 26158045.
  11. ^ Fredenberg, Erik; Willsher, Paula; Moa, Elin; Dance, David R; Young, Kenneth C; Wallis, Matthew G (2018-11-22). "Measurement of breast-tissue x-ray attenuation by spectral imaging: fresh and fixed normal and malignant tissue". Physics in Medicine & Biology. 63 (23): 235003. arXiv:2101.02755. doi:10.1088/1361-6560/aaea83. ISSN 1361-6560. PMID 30465547.
  12. ^ Yveborg, Moa; Xu, Cheng; Fredenberg, Erik; Danielsson, Mats (2009-02-26). Samei, Ehsan; Hsieh, Jiang (eds.). "Photon-counting CT with silicon detectors: feasibility for pediatric imaging". Lake Buena Vista, FL: 725825. arXiv:2101.09439. doi:10.1117/12.813733. {{cite journal}}: Cite 저널은 필요로 한다. journal= (도움말)
  13. ^ 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. (April 2016). "Abdominal Imaging with Contrast-enhanced Photon-counting CT: First Human Experience". Radiology. 279 (1): 239–245. doi:10.1148/radiol.2016152601. ISSN 0033-8419. PMC 4820083. PMID 26840654.
  14. ^ "First 3D colour X-ray of a human using CERN technology". CERN. Retrieved 2020-11-23.
  15. ^ "New 3D colour X-rays made possible with CERN technology". CERN. Retrieved 2020-11-23.