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El conteo de fotones es una técnica en la que se cuentan fotones individuales utilizando un detector de fotón único (SPD). Un detector de fotón único 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.
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 , diodos de avalancha de fotón único , detectores de fotón único de nanocables superconductores , sensores de borde de transición y contadores de centelleo . Se pueden utilizar dispositivos acoplados a carga .
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 excesivo de un detector de conteo de fotones es la unidad, 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, múltiples fotones que llegan generan 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. Utilizando el conteo de fotones individuales correlacionado 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]
Los detectores de fotón único suelen estar limitados a detectar un fotón a la vez y pueden requerir un tiempo entre eventos de detección para restablecerse. Es posible que no se detecten los fotones que llegan durante este intervalo. Por lo tanto, la intensidad de luz máxima que se puede medir con precisión suele ser baja. Las mediciones compuestas por pequeñas cantidades de fotones tienen intrínsecamente una baja relación señal-ruido causada por la variación aleatoria de la cantidad de fotones emitidos. Este efecto es menos pronunciado en los detectores convencionales que pueden detectar simultáneamente una gran cantidad de fotones. Debido al menor nivel máximo de señal, la relación señal-ruido será menor o el tiempo de exposición será mayor que en la detección convencional.
La detección de fotón único es útil en campos como: [1]
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 piensa que el riesgo de pequeñas exposiciones (como se usa 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 usar dosis más bajas para una calidad de imagen de diagnóstico dada. Los detectores de conteo de fotones podrían ayudar, debido a su capacidad para rechazar el ruido más fácilmente. [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 solo considera la intensidad de la señal, como en la fotografía en blanco y negro. [7]
La mamografía por 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 por conteo de fotones es otra área de interés, que está evolucionando rápidamente y se está acercando a la viabilidad clínica. [13] [14] [15] [16]
El conteo de fotones individuales correlacionado con el tiempo ( TCSPC ) registra con precisión los tiempos de llegada de fotones individuales, lo que permite medir diferencias en la escala de tiempo de picosegundos en los tiempos de llegada de fotones generados por procesos fluorescentes , fosforescentes u otros procesos químicos que emiten luz, lo que proporciona 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 respuestas de impulso superpuestas si múltiples fotones incidieran simultáneamente.
Algunos sistemas LIDAR de pulso funcionan 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]
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 los fotones si los fotones inciden sobre una superficie, o la exitancia de los 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 los fotones . El flujo por unidad de área de fuente por unidad de ángulo sólido es la radiancia de los fotones . Las unidades del SI para estas cantidades se resumen en la siguiente tabla.
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