फोटॉन की गिनती

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एक प्रोटोटाइप सिंगल-फ़ोटॉन डिटेक्टर जिसका उपयोग 200-इंच हेल ​​​​टेलीस्कोप पर किया गया था। हबल अंतरिक्ष सूक्ष्मदर्शी में एक समान डिटेक्टर है।

फोटॉन काउंटिंग एक ऐसी तकनीक है जिसमें एकल-फोटॉन डिटेक्टर (एसपीडी) का उपयोग करके अलग-अलग फोटॉन की गणना की जाती है। एक सामान्य फोटोडिटेक्टर के विपरीत, एक सिंगल-फोटॉन डिटेक्टर प्रत्येक पहचाने गए फोटॉन के लिए सिग्नल की एक पल्स उत्सर्जित करता है, जो फोटॉन प्रवाह के आनुपातिक एनालॉग सिग्नल उत्पन्न करता है। दालों की संख्या (लेकिन उनके आयाम नहीं) की गणना की जाती है, माप अंतराल के अनुसार फोटोन की एक पूर्णांक संख्या का पता लगाया जाता है। गिनती दक्षता क्वांटम दक्षता और सिस्टम के इलेक्ट्रॉनिक नुकसान से निर्धारित होती है।

अलग-अलग फोटॉनों का पता लगाने के लिए कई फोटोडेटेक्टरों को कॉन्फ़िगर किया जा सकता है, जिनमें से प्रत्येक के सापेक्ष फायदे और नुकसान हैं। [1][2] सामान्य प्रकारों में फोटोमल्टीप्लायर, गीगर काउंटर, सिंगल-फोटॉन हिमस्खलन डायोड, सुपरकंडक्टिंग नैनोवायर सिंगल-फोटॉन डिटेक्टर, संक्रमण बढ़त सेंसर और जगमगाहट काउंटर शामिल हैं। चार्ज-युग्मित उपकरणों का उपयोग किया जा सकता है।

लाभ

फोटॉन की गिनती लाभ शोर को समाप्त करती है, जहां एनालॉग सिग्नल आउट और फोटॉन की संख्या के बीच आनुपातिकता निरंतर यादृच्छिक रूप से भिन्न होती है। इस प्रकार, एक फोटॉन-काउंटिंग डिटेक्टर का अतिरिक्त शोर कारक एकता है, और फोटॉन की एक निश्चित संख्या के लिए प्राप्त करने योग्य सिग्नल-टू-शोर अनुपात आमतौर पर फोटॉन की गिनती के बिना समान डिटेक्टर से अधिक होता है।[3]

फोटॉन की गिनती अस्थायी संकल्प में सुधार कर सकती है। एक पारंपरिक डिटेक्टर में, कई आने वाले फोटॉन अतिव्यापी आवेग प्रतिक्रिया उत्पन्न करते हैं, अस्थायी संकल्प को डिटेक्टर के गिरने के समय तक सीमित करते हैं। हालांकि, अगर यह ज्ञात है कि एक फोटॉन का पता चला है, तो आवेग प्रतिक्रिया के केंद्र का मूल्यांकन इसके आगमन के समय को ठीक से निर्धारित करने के लिए किया जा सकता है। समय-सहसंबद्ध सिंगल-फ़ोटॉन काउंटिंग (TCSPC) का उपयोग करते हुए, 25 ps से कम के अस्थायी रिज़ॉल्यूशन को 20 गुना से अधिक गिरावट के समय वाले डिटेक्टरों का उपयोग करके प्रदर्शित किया गया है।[4]


इसके आगमन के समय को ठीक से निर्धारित करने के लिए किया जा सकता है। समय-सहसंबद्ध सिंगल-फ़ोटॉन काउंटिंग (TCSPC) का उपयोग करते हुए, 25 ps से कम के अस्थायी रिज़ॉल्यूशन को 20 गुना से अधिक गिरावट के समय वाले डिटेक्टरों का उपयोग करके प्रदर्शित किया गया है

नुकसान

सिंगल-फोटॉन डिटेक्टर आमतौर पर एक समय में एक फोटॉन का पता लगाने तक सीमित होते हैं और पहचान घटनाओं के बीच रीसेट करने के लिए समय की आवश्यकता हो सकती है। इस अंतराल के दौरान आने वाले फोटॉन का पता नहीं लगाया जा सकता है। इसलिए, अधिकतम प्रकाश विकिरण जिसे सटीक रूप से मापा जा सकता है, आमतौर पर कम होता है। फोटॉनों की छोटी संख्या से बने मापों में आंतरिक रूप से कम सिग्नल-टू-शोर अनुपात होता है, जो उत्सर्जित फोटॉनों की बेतरतीब ढंग से भिन्न संख्या के कारण होता है। पारंपरिक डिटेक्टरों में यह प्रभाव कम स्पष्ट होता है जो एक साथ बड़ी संख्या में फोटॉन का पता लगा सकते हैं। इसलिए फोटॉन काउंटिंग के साथ सिग्नल-टू-नॉइज़ अनुपात आमतौर पर पारंपरिक पहचान की तुलना में बहुत कम होता है, और प्रयोग करने योग्य छवियों को प्राप्त करने के लिए लंबे अधिग्रहण समय की आवश्यकता हो सकती है।

अनुप्रयोग

सिंगल-फोटॉन डिटेक्शन जैसे क्षेत्रों में उपयोगी है:[1]

चिकित्सा

रेडियोलोजी में, एक्स-रे इमेजिंग तौर-तरीकों के प्रमुख नुकसानों में से एक आयनीकरण विकिरण का नकारात्मक प्रभाव है। यद्यपि छोटे जोखिम (जैसा कि अधिकांश चिकित्सा इमेजिंग में उपयोग किया जाता है) से जोखिम को छोटा माना जाता है, यथोचित व्यावहारिक (ALARP) के रूप में कम विकिरण सुरक्षा सिद्धांत हमेशा लागू होता है। जोखिम को कम करने का एक तरीका एक्स-रे डिटेक्टरों को जितना संभव हो उतना कुशल बनाना है, ताकि दी गई डायग्नोस्टिक छवि गुणवत्ता के लिए कम विकिरण खुराक का उपयोग किया जा सके। शोर को अधिक आसानी से अस्वीकार करने की उनकी क्षमता के कारण फोटॉन काउंटिंग डिटेक्टर मदद कर सकते हैं।[5]<रेफरी नाम = दृष्टि 20/20>{{cite journal |last1=Taguchi |first1=Katsuyuki |last2=Iwanczyk |first2=Jan S. |title=विजन 20/20: मेडिकल इमेजिंग में सिंगल फोटोन काउंटिंग एक्स-रे डिटेक्टर|journal=Medical Physics |date=12 September 2013 |volume=40 |issue=10 |pages=100901 |doi=10.1118/1.4820371 |pmid=24089889 |pmc=3786515 |bibcode=2013MedPh..40j0901T}</ref> फोटॉन काउंटिंग रंगीन फोटोग्राफी के अनुरूप है, जहां चार्ज इंटीग्रेशन की तुलना में प्रत्येक फोटॉन की अलग-अलग ऊर्जा आउटपुट को प्रभावित करती है, जो केवल सिग्नल की तीव्रता पर विचार करती है, जैसा कि ब्लैक एंड व्हाइट फोटोग्राफी में होता है। रेफरी>"फोटॉन काउंटिंग समझाया". Direct Conversion (in English). Retrieved 2022-02-10.</ref>

[[फोटॉन-काउंटिंग मैमोग्राफी]] को 2003 में व्यावसायिक रूप से पेश किया गया था। हालांकि ऐसी प्रणालियां व्यापक नहीं हैं, कुछ सबूत फ्लैट पैनल डिटेक्टरों के साथ अन्य मैमोग्राफी सिस्टम की तुलना में लगभग 40% कम खुराक पर तुलनीय छवियां बनाने की उनकी क्षमता का समर्थन करते हैं। रेफरी>McCullagh, J B; Baldelli, P; Phelan, N (November 2011). "ब्रेस्ट स्क्रीनिंग प्रोग्राम में फुल फील्ड डिजिटल मैमोग्राफी का नैदानिक ​​खुराक प्रदर्शन". The British Journal of Radiology. 84 (1007): 1027–1033. doi:10.1259/bjr/83821596. PMC 3473710. PMID 21586506. {{cite journal}}: zero width space character in |title= at position 73 (help)</ref>[6] स्पेक्ट्रल इमेजिंग (रेडियोग्राफी) तकनीक बाद में फोटॉन ऊर्जा के बीच भेदभाव करने के लिए विकसित की गई थी,[7]<रेफरी नाम = विजन20/20 /> छवि गुणवत्ता में और सुधार करने की संभावना के साथ[8] और ऊतक के प्रकारों को भेद करने के लिए।[9] फोटॉन-काउंटिंग कंप्यूटेड टोमोग्राफी एक अन्य रुचि क्षेत्र है, जो तेजी से विकसित हो रहा है और नैदानिक ​​व्यवहार्यता के करीब पहुंच रहा है।[10][11][12][13]


फ्लोरेसेंस-लाइफटाइम इमेजिंग माइक्रोस्कोपी

समय-सहसंबद्ध सिंगल-फोटॉन काउंटिंग (TCSPC) अलग-अलग फोटॉनों के आगमन के समय को सटीक रूप से रिकॉर्ड करता है, जिससे फ्लोरोसेंट, धीमी रोशनी देनेवाला या प्रकाश उत्सर्जित करने वाली अन्य रासायनिक प्रक्रियाओं द्वारा उत्पन्न फोटॉनों के आगमन के समय में पिकोसेकंड समय-पैमाने के अंतर को मापना संभव हो जाता है, अतिरिक्त आणविक जानकारी प्रदान करता है। नमूनों के बारे में। TCSPC का उपयोग अपेक्षाकृत धीमी गति से डिटेक्टरों को अत्यंत मिनट के समय के अंतर को मापने में सक्षम बनाता है जो कि एक साथ कई फोटॉन की घटना होने पर आवेग प्रतिक्रियाओं को ओवरलैप करके अस्पष्ट हो जाएगा।

लिडार

कुछ पल्स लिडार सिस्टम उच्च रिज़ॉल्यूशन प्राप्त करने के लिए TCSPC का उपयोग करके सिंगल फोटॉन काउंटिंग मोड में काम करते हैं।

मापी गई मात्रा

प्रति इकाई समय में देखे गए फोटॉनों की संख्या फोटॉन फ्लक्स है। फोटॉन प्रवाह प्रति यूनिट क्षेत्र फोटॉन विकिरण है यदि फोटॉन सतह पर घटना कर रहे हैं, या फोटॉन निकास अगर एक व्यापक क्षेत्र स्रोत से फोटॉन के उत्सर्जन पर विचार किया जा रहा है। फ्लक्स प्रति यूनिट सॉलिड एंगल फोटॉन तीव्रता है। प्रवाह प्रति इकाई स्रोत क्षेत्र प्रति इकाई ठोस कोण फोटॉन चमक है। इन मात्राओं के लिए एसआई इकाइयों को नीचे दी गई तालिका में संक्षेपित किया गया है।

SI photon units
Quantity Unit Dimension Notes
Name Symbol[nb 1] Name Symbol Symbol
Photon energy n 1 count of photons n with energy Qp = h⋅c / λ.[nb 2]
Photon flux Φq count per second s−1 T−1 photons per unit time, dn/dt with n = photon number.
also called photon power.
Photon intensity I count per steradian per second sr−1⋅s−1 T−1 dn/dω
Photon radiance Lq count per square metre per steradian per second m−2⋅sr−1⋅s−1 L−2⋅T−1 d2n/(dA cos(θ) dω)
Photon irradiance Eq count per square metre per second m−2⋅s−1 L−2⋅T−1 dn/dA
Photon exitance M count per square metre per second m−2⋅s−1 L−2⋅T−1 dn/dA
See also: Photon counting · SI · Radiometry · Photometry
  1. ↑ Standards organizations recommend that photon quantities be denoted with a suffix "q" (for "quantum") to avoid confusion with radiometric and photometric quantities.
  2. ↑ The energy of a single photon at wavelength λ is Qp = h⋅c / λ with h = Planck's constant and c = velocity of light.

यह भी देखें

संदर्भ

  1. ↑ 1.0 1.1 "सबसे तेज़ सिंगल-फोटॉन डिटेक्टर सिस्टम में उच्च दक्षता" (Press release). National Institute of Standards and Technology. February 19, 2013. Retrieved 2018-10-11.
  2. ↑ Hadfield, RH (2009). "ऑप्टिकल क्वांटम सूचना अनुप्रयोगों के लिए सिंगल-फोटॉन डिटेक्टर". Nature Photonics. 3 (12): 696. Bibcode:2009NaPho...3..696H. doi:10.1038/nphoton.2009.230.
  3. ↑ K.K, Hamamatsu Photonics. "जांच प्रश्न और उत्तर". hub.hamamatsu.com (in English). 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.). चिकित्सा इमेजिंग के लिए विकिरण डिटेक्टर. Boca Raton, FL: CRC Press. pp. 2–21. ISBN 9781498766821.
  6. ↑ 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.
  7. ↑ 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.). विकिरण का पता लगाने के लिए इलेक्ट्रॉनिक्स. CRC Press. ISBN 9781439858844.
  8. ↑ 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.
  9. ↑ 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. Bibcode:2018PMB....63w5003F. doi:10.1088/1361-6560/aaea83. ISSN 1361-6560. PMID 30465547. S2CID 53717425.
  10. ↑ Yveborg, Moa; Xu, Cheng; Fredenberg, Erik; Danielsson, Mats (2009-02-26). "Photon-counting CT with silicon detectors: feasibility for pediatric imaging". In 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 maint: location missing publisher (link)
  11. ↑ 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.
  12. ↑ "First 3D colour X-ray of a human using CERN technology". CERN (in English). Retrieved 2020-11-23.
  13. ↑ "New 3D colour X-rays made possible with CERN technology". CERN (in English). Retrieved 2020-11-23.
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