TCSPC ‑ 시간 상관 단일 광자 계수란?

 TCSPC  ‑  시간  상관  단일  광자  계수란?

(What is Time-Correlated Single Photon Counting?)

시간 상관 단일 광자 계수(TCSPC)는 형광 수명 측정을 위해 확립된 일반적인 기술이며 광자의 이동 시간 측정, 광학 시간 영역 반사 측정 및 비행 시간 측정에서도 점점 더 중요해지고 있습니다.

TCSPC의 원리는 단일 광자를 감지하고 기준 신호(일반적으로  광원)에 대한 도착 시간을 측정하는 것입니다. TCSPC는 필요한  통계 데이터 정밀도를 위해 충분한 수의 광자 이벤트를 축적하기 위해 높은 반복 광원이 필요한 통계 방법입니다.

TCSPC 전자 장치는 두 개의 입력이 있는 빠른 스톱워치와 비교할 수 있습니다(그림 1). 시계는 START 신호 펄스에 의해 시작되고 STOP 신호 펄스에 의해 중지됩니다. 

하나의 START – STOP 절차에 대해 측정된 시간은 히스토그램에서 메모리 값의 증가로 표시되며 x축의 채널은 시간을 나타냅니다. 반복률이 높은 광원을 사용하면 수백만 개의 START  –  STOP 절차를 단시간에 측정할 수 있습니다. 

결과 적으로 히스토그램 수 대 채널은 형광 강도 vs 시간을  나타냅니다.

일반적으로 TCSPC 전자 장치에 대한 입력 중 하나(START and STOP)는 단일 광자에 의해 생성된 펄스 입니다. 본질적으로 높은 감도를 가진 광검출기로 단일 광자를 감지할 수 있습니다.  이러한 광검출기의 대부분은 광전자 증배관 또는 마이크로  채널 플레이트 광전자 증배관이지만 단일 광자 사태 광다이오드이기도 합니다. 통계상의 이유로 플래시당 하나 이상의 단일 광자 이벤트가 감지되지 않도록 하는 것이 중요합니다. 다중  광자 이벤트는 히스토그램 통계에 영향을 미치고 잘못된 측정 결과를 산출합니다. (이것은 문헌에서 "펄스 축적 문제"로 알려져 있습니다.) 라이트 플래시당 하나의 광자만 감지되도록 보장하기 위해 여기 램프의 속도에 비해 광자 비율이 낮게 유지되게 구성하는데, 보통 5% 이하입니다.

TCSPC  전자

TCSPC에서 신호 처리를 위한 주요 구성 요소는 CFD(상수 분수 판별기), DEL(전기적 지연), TAC(Time‑to‑Amplitude Converter), 증폭기(TAC와 ADC 사이,  아날로그 디지털 변환기(ADC) 및 디지털 메모리(Mem)(그림  2  참조).

전자 장치의 입력에서 들어오는 펄스는 펄스 높이와 관련하여 평가됩니다. 추가 신호 처리를 위해 지정된 임계값보다 높은  펄스만 허용됩니다. 따라서 작은 진폭 노이즈 펄스는 쉽게 제거됩니다.

그런 다음 START 및 STOP 입력의 상수 분수 판별기는 개별 펄스의 펄스 모양을 분석합니다. 리딩에지에서 가장 가파른 경사를 갖는 들어오는(일반적으로 음의) 펄스 부분이 시간적 위치에 대한 기준으로 사용됩니다. 기울기의 어느 부분이 취해질지는 분수, 일정한 분수 지연(또는  성형  지연) 및 제로 교차 수준에 따라 달라집니다.

임계값, 분수, 상수 분수 지연 및 제로 교차 수준은 사용되는  검출기 유형에 따라 다르며 개별 검출기와 일치해야 합니다.

CFD 펄스의 출력에서 표준 높이와 모양으로 재구성 됩니다. 그런 다음 전자 변속  지연으로 지연될 수 있습니다. 이 지연은 나중에 시간 축에서 전체 측정의 왼쪽 또는 오른쪽 이동으로 이어집니다.

TAC는 START에 의해 시작되고 STOP 펄스에 의해 중지되는 빠른 시계라고 보면 됩니다. START 펄스는 램프 신호와 동시에 시작 합니다. STOP 펄스의 도달 시간에  따라 램프 높이가 낮아지거나 높아집니다. 경사로의 성장이 중지되면 레벨은 정의된 기간 동안 일정하게 유지됩니다. 그런 다음 TAC 출력 펄스를 증폭하여 시간 축을 효과적으로 늘릴 수 있습니다. 최소 및 최대 사용 가능한(증폭된) TAC 진폭이  시간 범위를 결정합니다.

증폭된 TAC 출력 펄스는 사실상 단일 START – STOP 반복의 측정 시간에 해당하는  높이의 아날로그 펄스를 나타냅니다. 추가 처리를 위해 펄스 높이는 디지털 펄스  높이 측정 장치인 ADC로 측정됩니다. ADC 분해능은 가능한 이산 시간 값의 수를  결정 합니다. 따라서 측정 가능한 모든 TAC 펄스 진폭은 서로 다른 시간 저장소에  저장됩니다. 이는 시간 빈의 너비는 전체 시간 범위와 채널의 ADC 분해능의 비율입니다. 일반적으로 피코초/채널 또는 나노초/채널로 표시되는 시간 분해능 입니다.

TCSPC의 시간 분해능 및 수명 범위

TCSPC는 약 5ps ~ 50ms 이상 (7자릿수 이상). 하한은 TCSPC 전자 장치의 지터에  의해 주어지는 반면, 상한은 합리적인 정밀도로 데이터를 수집할 수 있는 시간에서 발생합니다. 그러나 대부분의 경우 광원과 검출기는 TCSPC 기술이 아닌 측정 가능한 시간적 해상도와 수명 범위에 대한 한계로 설정하게 됩니다. 수명 범위(또는 시간 분해능, tmin)의 하한은 다음 방정식으로 추정할 수 있습니다.

제곱합은 기기 응답 함수의 폭에 대한 추정치입니다 (형광 샘플을 산란 매질로 대체하여 측정할 수 있음). 계수 1/10은 기기 응답 폭의 약 10%만큼 짧은 수치적 재컨볼루션 수명으로 해결할 수 있다는 사실을 나타냅니다. 종종 흥미로운 광 펄스(FWHM  광원)의 폭과 검출기 응답(FWHM TTSDetector)의 폭이 시간 해상도의 한계를 설정합니다.

수명 범위의 상한은 여기 광원의 펄스 반복 주파수에 의해 설정되지만 검출기의  카운트 비율에도 영향을 받습니다. 다음 여기 펄스가 샘플에 도달하기 전에 형광이 0으로 감소할 충분한 시간이 없으면 고정된 배경 신호가 축적되어 동적 범위를  제한합니다. 신호가 피크 카운트의 1/10000 미만이 될 때까지 감쇠 프로세스가 계속되도록 허용되면 측정 가능한 가장 긴 수명(tmax)은 다음과 같이 추정할  수  있습니다.

이 문제는 높은 다크 카운트를 가진 검출기로 인해 더욱 복잡해집니다. 데이터를  수집하는 동안 배경이 생성되어 동적 범위가 제한되기때문입니다. 다크 카운트가  높을수록 긴 시간 범위(특히 약한 방출 샘플)에서 측정 정확도가 떨어집니다.이를 예방하기 위해 광원  주파수의 5%에 해당하는 최대 다크 카운트를 권장합니다.  예를 들어 일반적인 다크 카운트가 50,000cps인 NIR‑PMT는 > 1MHz의 광원과 함께  사용해야 합니다. 따라서 최대 수명은 신호가 1/10,000으로 저하될 수 있도록 100ns가 사용됩니다. 실제로 배경은 최대 수백 나노초의 수명을 측정할 수 있음을  의미하는 붕괴의 끝을 가릴 것입니다.