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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 de carga acoplada .
El conteo de fotones elimina el ruido de ganancia, donde la constante de proporcionalidad entre la señal analógica saliente y el número de fotones varía aleatoriamente. Por lo tanto, el factor de exceso de ruido de un detector con 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 recuento 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 al impulso para determinar con precisión su tiempo de llegada. Utilizando el recuento de fotón único 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 generalmente se limitan a detectar un fotón a la vez y pueden requerir tiempo entre eventos de detección para restablecerse. Es posible que no se detecten los fotones que lleguen durante este intervalo. Por lo tanto, la intensidad de luz máxima que se puede medir con precisión suele ser baja. Las mediciones compuestas por una pequeña cantidad de fotones tienen intrínsecamente una relación señal-ruido baja causada 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. Debido al nivel de señal máximo más bajo, la relación señal-ruido será menor o el tiempo de exposición será mayor que para 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 obtención de imágenes por 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 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 de diagnóstico. 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 diferente energía 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 recuento de fotones se introdujo comercialmente en 2003. Aunque estos sistemas no están muy extendidos, algunas pruebas 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 tipos de tejido. [12] La tomografía computarizada con recuento de fotones es otra área de interés, que está evolucionando rápidamente y se acerca a la viabilidad clínica. [13] [14] [15] [16]
El conteo de fotón único correlacionado en el tiempo ( TCSPC ) registra con precisión los tiempos de llegada de fotones individuales, lo que permite medir diferencias en escalas 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 a detectores relativamente lentos medir diferencias de tiempo extremadamente pequeñas que quedarían oscurecidas por respuestas de impulso superpuestas si incidieran múltiples fotones al mismo tiempo.
Algunos sistemas LIDAR de pulsos funcionan en modo de conteo de fotones únicos utilizando TCSPC para lograr una resolución más alta. 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 salida 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 del fotón . El flujo por unidad de área fuente por unidad de ángulo sólido es la radiancia de fotones . Las unidades SI para estas cantidades se resumen en la siguiente tabla.
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