عد الفوتونات

📅 آخر تحديث: ٢٦ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٦ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 1 صور
الموسوعة الحرة
كاشف الفوتون الأحادي النموذجي الذي استُخدم في تلسكوب هيل ذي المرآة البالغ قطرها 200 بوصة . ويحتوي تلسكوب هابل الفضائي على كاشف مماثل.

يُعدّ عدّ الفوتونات تقنيةً يتمّ فيها عدّ الفوتونات الفردية باستخدام كاشف الفوتونات المفردة . يُصدر هذا الكاشف نبضة إشارة لكل فوتون يتمّ رصده. وتتحدّد كفاءة العدّ بالكفاءة الكمومية والفقد الإلكتروني للنظام.

يمكن تهيئة العديد من الكواشف الضوئية للكشف عن الفوتونات الفردية، ولكل منها مزاياها وعيوبها النسبية. [ 1 ] [ 2 ] تشمل الأنواع الشائعة المضاعفات الضوئية ، وعدادات جايجر ، وثنائيات الانهيار الضوئي أحادية الفوتون ، وكواشف الفوتونات الفردية المصنوعة من أسلاك نانوية فائقة التوصيل ، ومستشعرات حافة الانتقال ، وعدادات الوميض . كما يمكن استخدام أجهزة اقتران الشحنة .

المزايا

تُزيل عملية عدّ الفوتونات ضوضاء الكسب، حيث يتغير ثابت التناسب بين إشارة الخرج التناظرية وعدد الفوتونات عشوائيًا. وبالتالي، يكون عامل الضوضاء الزائدة لكاشف عدّ الفوتونات مساويًا للواحد، وتكون نسبة الإشارة إلى الضوضاء التي يمكن تحقيقها لعدد ثابت من الفوتونات أعلى عمومًا من نفس الكاشف بدون عدّ الفوتونات. [ 3 ]

يمكن لتقنية عدّ الفوتونات تحسين الدقة الزمنية . في الكاشف التقليدي، تُولّد الفوتونات المتعددة الواصلة استجابات نبضية متداخلة ، مما يحدّ من الدقة الزمنية إلى ما يقارب زمن سقوط الفوتون في الكاشف. مع ذلك، إذا عُلم أنه تم رصد فوتون واحد، يُمكن تقييم مركز الاستجابة النبضية لتحديد زمن وصوله بدقة. باستخدام تقنية عدّ الفوتونات المفردة المرتبطة زمنيًا (TCSPC)، تم إثبات دقة زمنية أقل من 25  بيكو ثانية باستخدام كواشف ذات زمن سقوط يزيد عن 20 ضعفًا. [ 4 ]

العيوب

تقتصر أجهزة الكشف عن الفوتونات المفردة عادةً على رصد فوتون واحد في كل مرة، وقد تتطلب فترة زمنية بين عمليات الرصد لإعادة الضبط. وقد لا يتم رصد الفوتونات التي تصل خلال هذه الفترة. لذلك، تكون شدة الضوء القصوى التي يمكن قياسها بدقة منخفضة عادةً. وتتميز القياسات التي تتكون من أعداد قليلة من الفوتونات بنسبة إشارة إلى ضوضاء منخفضة بطبيعتها ، نتيجةً لتغير أعداد الفوتونات المنبعثة عشوائيًا. ويكون هذا التأثير أقل وضوحًا في أجهزة الكشف التقليدية التي يمكنها رصد أعداد كبيرة من الفوتونات في آنٍ واحد. وبسبب انخفاض مستوى الإشارة القصوى، ستكون نسبة الإشارة إلى الضوضاء إما أقل أو سيكون زمن التعريض أطول مقارنةً بالكشف التقليدي.

التطبيقات

يُعد الكشف عن الفوتون الواحد مفيدًا في مجالات مثل: [ 1 ]

الدواء

في علم الأشعة ، تُعدّ الآثار السلبية للإشعاع المؤين من أبرز عيوب تقنيات التصوير بالأشعة السينية . ورغم أن خطر التعرضات الصغيرة (كما هو مستخدم في معظم التصوير الطبي) يُعتبر ضئيلاً، إلا أن مبدأ الحماية من الإشعاع "بأقل قدر ممكن عمليًا" ( ALARP ) يُطبّق دائمًا. ومن طرق تقليل التعرضات جعل كاشفات الأشعة السينية بأعلى كفاءة ممكنة، بحيث يمكن استخدام جرعات أقل للحصول على جودة صورة تشخيصية مُحددة. وقد تُساعد كاشفات عدّ الفوتونات في ذلك، نظرًا لقدرتها على التخلص من التشويش بسهولة أكبر. [ 5 ] [ 6 ] يُشابه عدّ الفوتونات التصوير الملون، حيث تؤثر طاقة كل فوتون على الناتج، مقارنةً بتكامل الشحنة، الذي يأخذ في الاعتبار شدة الإشارة فقط، كما هو الحال في التصوير بالأبيض والأسود. [ 7 ]

طُرحت تقنية تصوير الثدي الشعاعي باستخدام عدّ الفوتونات تجاريًا في عام 2003. ورغم أن هذه الأنظمة ليست منتشرة على نطاق واسع، إلا أن بعض الأدلة تدعم قدرتها على إنتاج صور مماثلة بجرعة إشعاعية أقل بنحو 40% من أنظمة تصوير الثدي الشعاعي الرقمية الأخرى المزودة بكاشفات مسطحة . [ 8 ] [ 9 ] ثم طُوّرت تقنية التصوير الطيفي للتمييز بين طاقات الفوتونات، [ 10 ] [ 6 ] مع إمكانية تحسين جودة الصورة بشكل أكبر، [ 11 ] والتمييز بين أنواع الأنسجة. [ 12 ] ويُعدّ التصوير المقطعي المحوسب باستخدام عدّ الفوتونات مجالًا آخرًا واعدًا، يشهد تطورًا سريعًا ويقترب من التطبيق السريري. [ 13 ] [ 14 ] [ 15 ] [ 16 ]

التصوير المجهري لعمر الفلورة

تُسجّل تقنية عدّ الفوتونات المفردة المرتبطة زمنيًا ( TCSPC ) بدقة أوقات وصول الفوتونات الفردية، مما يُتيح قياس الفروقات الزمنية التي تصل إلى مستوى البيكوثانية في أوقات وصول الفوتونات الناتجة عن عمليات التألق أو الفسفرة أو غيرها من العمليات الكيميائية التي تُصدر الضوء، ما يُوفّر معلومات جزيئية إضافية حول العينات. كما تُتيح تقنية TCSPC لأجهزة الكشف البطيئة نسبيًا قياس الفروقات الزمنية الدقيقة للغاية التي قد تُحجب بسبب تداخل استجابات النبضات في حال سقوط فوتونات متعددة في وقت واحد.

تقنية الليدار

تعمل بعض أنظمة الليدار النبضية في وضع عد الفوتونات المفردة باستخدام تقنية عد الفوتونات المترابطة زمنيًا (TCSPC) لتحقيق دقة أعلى. وتشهد تقنيات عد الفوتونات بالأشعة تحت الحمراء المستخدمة في الليدار تطورًا سريعًا. [ 17 ]

الكميات المقاسة

عدد الفوتونات المرصودة في وحدة الزمن هو تدفق الفوتونات . يُسمى تدفق الفوتونات لكل وحدة مساحة إشعاع الفوتونات إذا كانت الفوتونات تسقط على سطح، أو انبعاث الفوتونات إذا كان مصدر الفوتونات واسع النطاق. يُسمى التدفق لكل وحدة زاوية مجسمة شدة الفوتونات . يُسمى التدفق لكل وحدة مساحة مصدر لكل وحدة زاوية مجسمة إشعاع الفوتونات . تُلخص وحدات النظام الدولي للوحدات لهذه الكميات في الجدول أدناه.

وحدات الفوتون في النظام الدولي للوحدات
  • v
  • ت
  • هـ
كميةوحدةالأبعادملحوظات
اسمالرمز [ رقم 1 ]اسمرمز
طاقة الفوتونن1عدد الفوتونات n ذات الطاقة Q p = h c / λ . [ nb 2 ]
تدفق الفوتوناتΦ qالعد في الثانيةs −1T −1عدد الفوتونات في وحدة الزمن، d n /d t حيث n = عدد  الفوتونات . ويُسمى أيضًا قدرة الفوتون  
شدة الفوتونأناالعد لكل ستراديان في الثانيةsr −1 ⋅s −1T −1d 2 n /(d ω d t )
إشعاع الفوتونL qالعد لكل متر مربع لكل ستراديان في الثانيةm −2 ⋅sr −1 ⋅s −1L −2 ‍ T −1د 3 ن /(د أ كوس( θ ) د ω د ر )
شدة الإشعاع الضوئيE qعدد العدّات لكل  متر مربع في الثانيةm −2 ⋅s −1L −2 ‍ T −1d 2 n /(d A d t )
انبعاث الفوتونمعدد العدّات لكل  متر مربع في الثانيةm −2 ⋅s −1L −2 ‍ T −1d 2 n /(d A d t )
انظر أيضاً:
  1. ↑ توصي منظمات المعايير بأن يتم الإشارة إلى كميات الفوتون باللاحقة " q " (اختصارًا لـ " كم ") لتجنب الخلط بينها وبينالكميات الإشعاعية والضوئية
  2. ↑ طاقة الفوتون الواحد عند الطول الموجي λ هي Q p = hc / λ حيث h  = ثابت بلانك و c  = سرعة الضوء .

انظر أيضاً

مراجع

  1. 1 2 "كفاءة عالية في أسرع نظام كاشف للفوتونات المفردة" (بيان صحفي). المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا . 19 فبراير 2013. تاريخ الاطلاع: 11 أكتوبر 2018 .
  2. ↑ هادفيلد، آر إتش (2009). "كاشفات الفوتون المفرد لتطبيقات المعلومات الكمومية البصرية". مجلة نيتشر فوتونيكس . 3 (12): 696. رمز Bibcode : 2009NaPho...3..696H . doi : 10.1038/nphoton.2009.230 .
  3. ↑ كيه كيه، هاماماتسو فوتونيكس. "أسئلة وأجوبة حول الكشف" . hub.hamamatsu.com . تم الاطلاع عليه بتاريخ 14 أغسطس 2020 .
  4. ↑ "نظام تصوير الفليم بتقنية TCSPC سريع الاستحواذ بعرض استجابة نبضية أقل من 25 بيكو ثانية" (ملف PDF) . بيكر وهيكل . تم الاطلاع عليه بتاريخ 17 أغسطس 2020 .
  5. ↑ شيخالييف، م. (2015). "التصوير الطبي بالأشعة السينية والتصوير المقطعي المحوسب باستخدام كاشفات عد الفوتونات". في: إيوانكزيك، جان س. (محرر). كاشفات الإشعاع للتصوير الطبي . بوكا راتون، فلوريدا: مطبعة سي آر سي. ص 2-21 . ISBN  978-1-4987-6682-1.
  6. 1 2 تاغوتشي، كاتسويوكي؛ إيوانكزيك، جان س. (12 سبتمبر 2013). "رؤية 20/20: كاشفات الأشعة السينية أحادية الفوتون في التصوير الطبي" . الفيزياء الطبية . 40 (10): 100901. Bibcode : 2013MedPh..40j0901T . doi : 10.1118/1.4820371 . PMC 3786515. PMID 24089889 .  
  7. ↑ "شرح عد الفوتونات" . التحويل المباشر . تم الاسترجاع في 10 فبراير 2022 .
  8. ↑ ماكولاغ، جيه بي؛ بالديلي، بي؛ فيلان، إن (نوفمبر 2011). "أداء الجرعة السريرية للتصوير الشعاعي الرقمي للثدي كامل المجال في برنامج فحص الثدي" . المجلة البريطانية للأشعة . 84 (1007): 1027-1033 . doi : 10.1259/bjr/83821596 . PMC 3473710. PMID 21586506 .  
  9. ↑ ويجل، ستيفاني؛ بيركيمير، شوما؛ جيرنوس، رالف؛ سومر، ألكسندر؛ لينزن، هورست؛ هايندل، والتر (مايو 2014). "التصوير الشعاعي الرقمي للثدي بتقنية عد الفوتونات: هل يمكن تحقيق أداء تشخيصي عالٍ بجرعة غدية متوسطة منخفضة؟" . مجلة علم الأشعة . 271 (2): 345-355 . doi : 10.1148/radiol.13131181 . PMID 24495234 . 
  10. ↑ إيوانكزيك، جان إس؛ باربر، دبليو سي؛ نيغارد، إينار؛ مالاخوف، نيل؛ هارتسوغ، إن إي؛ ويسل، جيه سي (2018). "مصفوفات كاشف تشتت الطاقة لعد الفوتونات لتصوير الأشعة السينية" . في: إينيوسكي، كريستوف (محرر). إلكترونيات الكشف عن الإشعاع . مطبعة سي آر سي. ISBN 978-1-4398-5884-4.
  11. ↑ بيرغلوند، يوهان؛ يوهانسون، هنريك؛ لوندكفيست، ماتس؛ سيدرستروم، بيورن؛ فريدنبرغ، إريك (28 أغسطس/آب 2014). "تحسين كفاءة الجرعة في الممارسة السريرية من خلال ترجيح الطاقة: تطبيق على نظام تصوير الثدي بالأشعة السينية باستخدام عد الفوتونات الطيفية" . مجلة التصوير الطبي . 1 (3) 031003. doi : 10.1117/1.JMI.1.3.031003 . ISSN 2329-4302 . PMC 4478791. PMID 26158045 .   
  12. ↑ فريدنبرغ، إريك؛ ويلشر، بولا؛ مو، إيلين؛ دانس، ديفيد ر؛ يونغ، كينيث س؛ واليس، ماثيو ج (22-11-2018). "قياس امتصاص الأشعة السينية في أنسجة الثدي باستخدام التصوير الطيفي: أنسجة طبيعية وخبيثة طازجة ومثبتة" . الفيزياء في الطب وعلم الأحياء . 63 (23): 235003. arXiv : 2101.02755 . Bibcode : 2018PMB....63w5003F . doi : 10.1088/1361-6560/aaea83 . ISSN: 1361-6560 . PMID: 30465547. S2CID : 53717425 .   
  13. ↑ إيفيبورغ، موآ؛ شو، تشنغ؛ فريدنبرغ، إريك؛ دانييلسون، ماتس (26 فبراير 2009). "التصوير المقطعي المحوسب باستخدام كاشفات السيليكون: جدوى استخدامه في تصوير الأطفال" . في: سامعي، إحسان؛ هسيه، جيانغ (محرران). التصوير الطبي 2009: فيزياء التصوير الطبي . المجلد 7258. ليك بوينا فيستا، فلوريدا. الصفحات 704-709 . arXiv : 2101.09439 . doi : 10.1117/12.813733 . S2CID 120218867 .   {{cite book}}: CS1 maint: موقع الناشر مفقود ( رابط )
  14. ↑ بورمورتيزا، أمير؛ سيمونز، رولف؛ ساندفورت، فيت؛ مالك، ماريسا؛ فولد، ماثيو ك.؛ هندرسون، غريغوري؛ جونز، إليزابيث س.؛ مالايري، أشكان أ.؛ فوليو، ليس ر.؛ بلومكي، ديفيد أ. (أبريل 2016). " التصوير البطني باستخدام التصوير المقطعي المحوسب مع عد الفوتونات المعزز بالتباين: أول تجربة بشرية" . مجلة علم الأشعة . 279 (1): 239-245 . doi : 10.1148/radiol.2016152601 . ISSN 0033-8419 . PMC 4820083. PMID 26840654 .   
  15. ↑ "أول صورة أشعة سينية ثلاثية الأبعاد ملونة لإنسان باستخدام تقنية سيرن" . سيرن . تم الاطلاع بتاريخ 23 نوفمبر 2020 .
  16. ↑ "أصبحت تقنية سيرن تُتيح تصوير الأشعة السينية ثلاثية الأبعاد الملونة" . سيرن . تاريخ الاسترجاع: 23 نوفمبر 2020 .
  17. ↑ هادفيلد، روبرت هـ.؛ ليتش، جوناثان؛ فليمنج، فيونا؛ بول، دوغلاس ج.؛ تان، تشي هينج؛ نج، جو شين؛ هندرسون، روبرت ك.؛ بولر، جيرالد س. (2023). "الكشف عن الفوتون الواحد للتصوير والاستشعار بعيد المدى" . أوبتيكا . 10 (9): 1124. Bibcode : 2023Optic..10.1124H . doi : 10.1364/optica.488853 . hdl : 20.500.11820/4d60bb02-3c2c-4f86-a737-f985cb8613d8 . S2CID 259687483. تاريخ الاسترجاع: 29 أغسطس 2023 .