फोटॉन की गिनती

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

फोटॉन गिनती एक ऐसी विधि है जिसमें एकल-फोटॉन संसूचक (एसपीडी) का उपयोग करके अलग-अलग फोटॉन की गणना की जाती है। एक एकल-फोटॉन संसूचक प्रत्येक पहचाने गए फोटॉन के लिए संकेत की एक पल्स उत्सर्जित करता है, जो फोटॉन प्रवाह के आनुपातिक एनालॉग संकेत उत्पन्न करता है। माप अंतराल के अनुसार फोटोन की एक पूर्णांक संख्या का पता लगाया जाता है। गिनती दक्षता परिमाण दक्षता और प्रणाली के इलेक्ट्रॉनिक हानि 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 हानि हैं। [1][2] सामान्य प्रकारों में फोटोमल्टीप्लायर, गीगर पटल, एकल-फोटॉन हिमस्खलन डायोड, अतिचालक नैनोवायर एकल-फोटॉन संसूचक, संक्रमण बढ़त संवेदक और दीप्ति पटल सम्मिलित हैं। चार्ज-युग्मित उपकरणों का उपयोग किया जा सकता है।

लाभ

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

फोटॉन की गिनती अस्थायी संकल्प में सुधार कर सकती है। एक पारंपरिक संसूचक में, कई आने वाले फोटॉन अतिव्यापी आवेग प्रतिक्रिया उत्पन्न करते हैं, अस्थायी संकल्प को संसूचक के गिरने के समय तक सीमित करते हैं। चूंकि, यदि 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 एकल-फोटॉन गिनती (टीसीएसपीसी) का उपयोग करते हुए, 25 पीएस से कम के अस्थायी स्थिरता को 20 गुना से अधिक गिरावट के समय वाले संसूचकों का उपयोग करके प्रदर्शित किया गया है।[4]

हानि

एकल-फोटॉन संसूचक सामान्यतः एक समय में एक फोटॉन का पता लगाने तक सीमित होते हैं और पहचान घटनाओं के बीच पुनर्नियोजन करने के लिए समय की आवश्यकता हो सकती है। इस अंतराल के समय आने वाले फोटॉन का पता नहीं लगाया जा सकता है। इसलिए, अधिकतम प्रकाश विकिरण जिसे स्पष्ट रूप से मापा जा सकता है, सामान्यतः कम होता है। फोटॉनों की छोटी संख्या से बने मापों में आंतरिक रूप से कम संकेत-ध्वनि अनुपात होता है, जो उत्सर्जित फोटॉनों की भिन्न संख्या के कारण होता है। पारंपरिक संसूचकों में यह प्रभाव कम स्पष्ट होता है जो एक साथ बड़ी संख्या में फोटॉन का पता लगा सकते हैं। इसलिए फोटॉन गिनती के साथ संकेत-ध्वनि अनुपात सामान्यतः 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

एकल-फोटॉन संसूचन जैसे क्षेत्रों में उपयोगी है:[1]

चिकित्सा

रेडियोलोजी में, एक्स-रे इमेजिंग तौर-तरीकों के प्रमुख हानिों में से एक आयनीकरण विकिरण का नकारात्मक प्रभाव है। यद्यपि छोटे कठिन परिस्थिति (जैसा कि अधिकांश चिकित्सा इमेजिंग में उपयोग किया जाता है) से कठिन परिस्थिति को छोटा माना जाता है, यथोचित व्यावहारिक (अलारप) के रूप में कम विकिरण सुरक्षा सिद्धांत सदैव प्रयुक्त होता है। कठिन परिस्थिति को कम करने का एक विधि एक्स-रे संसूचक को जितना संभव हो उतना कुशल बनाना है, जिससे 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 गिनती संसूचक सहायता कर सकते हैं।[5]<रेफरी नाम = दृष्टि 20/20>{{cite journal |last1=Taguchi |first1=Katsuyuki |last2=Iwanczyk |first2=Jan S. |title=विजन 20/20: चिकित्सा इमेजिंग में एकल फोटोन गिनती एक्स-रे संसूचक|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 गिनती रंगीन फोटोग्राफी के अनुरूप है, जहां प्रभारी एकीकरण की तुलना में प्रत्येक फोटॉन की अलग-अलग ऊर्जा उत्पादन को प्रभावित करती है, जो केवल संकेत 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-गिनती मैमोग्राफी को 2003 में व्यावसायिक रूप से प्रस्तुत किया गया था। चूंकि ऐसी प्रणालियां व्यापक नहीं हैं, कुछ सबूत फ्लैट पैनल संसूचक के साथ अन्य मैमोग्राफी प्रणाली 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) विधि बाद में फोटॉन ऊर्जा के बीच विभेदन 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 विभेदन करने के लिए उपयोग किया गया है।[9] फोटॉन-गिनती कंप्यूटेड टोमोग्राफी एक अन्य रुचि क्षेत्र है, जो तेजी से विकसित हो रहा है और नैदानिक ​​व्यवहार्यता के समीप पहुंच रहा है।[10][11][12][13]

प्रतिदीप्ति-आजीवन इमेजिंग माइक्रोस्कोपी

समय-सहसंबद्ध एकल-फोटॉन गिनती (टीसीएसपीसी) अलग-अलग फोटॉनों के आगमन के समय को स्पष्ट रूप से रिकॉर्ड करता है, जिससे फ्लोरोसेंट, धीमी प्रकाश देनेवाला या प्रकाश उत्सर्जित करने वाली अन्य रासायनिक प्रक्रियाओं द्वारा उत्पन्न फोटॉनों के आगमन के समय में पिकोसेकंड समय-माप के अंतर को मापना संभव हो जाता है, अतिरिक्त आणविक जानकारी प्रदान करता है। नमूनों के बारे में टीसीएसपीसी का उपयोग अपेक्षाकृत धीमी गति से संसूचकों 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 प्रणाली उच्च स्थिरता प्राप्त करने के लिए टीसीएसपीसी का उपयोग करके एकल फोटॉन गिनती 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 यदि 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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