Tubo fotomultiplicador - Photomultiplier tube

Fotomultiplicador

Los tubos fotomultiplicadores ( fotomultiplicadores o PMT para abreviar), miembros de la clase de tubos de vacío , y más específicamente los fototubos de vacío , son detectores de luz extremadamente sensibles en los rangos ultravioleta , visible e infrarrojo cercano del espectro electromagnético . Estos detectores se multiplican la corriente producida por la luz incidente por tanto como 100 millones de veces o 10 8 (es decir, 160 dB ), en múltiples dínodo etapas, lo que permite (por ejemplo) individuales fotones a ser detectados cuando el incidente de flujo de la luz es baja.

Dynodes dentro de un tubo fotomultiplicador

La combinación de alta ganancia , de bajo ruido , respuesta de alta frecuencia o, equivalentemente, la respuesta ultra-rápido, y gran área de colección ha mantenido fotomultiplicadores un lugar esencial en la espectroscopia de bajo nivel de luz , microscopía confocal , espectroscopia Raman , espectroscopia de fluorescencia , nuclear y de partículas física , astronomía , diagnósticos médicos que incluyen análisis de sangre , imágenes médicas , escaneo de películas cinematográficas ( telecine ), interferencias de radar y escáneres de imágenes de alta gama conocidos como escáneres de tambor . Los elementos de la tecnología fotomultiplicador, cuando se integran de manera diferente, son la base de los dispositivos de visión nocturna . La investigación que analiza la dispersión de la luz , como el estudio de polímeros en solución, a menudo utiliza un láser y un PMT para recopilar los datos de la luz dispersa.

Los dispositivos semiconductores , en particular los fotomultiplicadores de silicio y los fotodiodos de avalancha , son alternativas a los fotomultiplicadores clásicos; sin embargo, los fotomultiplicadores son especialmente adecuados para aplicaciones que requieren una detección de luz con bajo nivel de ruido y alta sensibilidad que está colimada de manera imperfecta .

Estructura y principios operativos

Fig.1: Esquema de un tubo fotomultiplicador acoplado a un centelleador . Esta disposición es para la detección de rayos gamma .
Fig. 2: Circuito divisor de voltaje fotomultiplicador típico que usa alto voltaje negativo.

Los fotomultiplicadores se construyen típicamente con una carcasa de vidrio evacuado (utilizando un sello de vidrio a metal extremadamente apretado y duradero como otros tubos de vacío ), que contiene un fotocátodo , varios dínodos y un ánodo . Los fotones incidentes golpean el material del fotocátodo , que generalmente es una capa conductora delgada depositada en forma de vapor en el interior de la ventana de entrada del dispositivo. Los electrones son expulsados ​​de la superficie como consecuencia del efecto fotoeléctrico . Estos electrones son dirigidos por el electrodo de enfoque hacia el multiplicador de electrones , donde los electrones se multiplican por el proceso de emisión secundaria .

El multiplicador de electrones consta de varios electrodos llamados dinodos . Cada dínodo se mantiene a un potencial más positivo, por ≈100 voltios, que el anterior. Un electrón primario sale del fotocátodo con la energía del fotón entrante, o aproximadamente 3 eV para fotones "azules", menos la función de trabajo del fotón . Un pequeño grupo de electrones primarios se crea por la llegada de un grupo de fotones iniciales. (En la figura 1, el número de electrones primarios en el grupo inicial es proporcional a la energía del rayo gamma de alta energía incidente). Los electrones primarios se mueven hacia el primer dínodo porque son acelerados por el campo eléctrico. Cada uno de ellos llega con una energía cinética de ≈100 eV impartida por la diferencia de potencial. Al golpear el primer dínodo, se emiten más electrones de baja energía, y estos electrones a su vez se aceleran hacia el segundo dínodo. La geometría de la cadena del dínodo es tal que se produce una cascada con un número de electrones que aumenta exponencialmente en cada etapa. Por ejemplo, si en cada etapa se produce un promedio de 5 nuevos electrones por cada electrón entrante, y si hay 12 etapas de dinodo, entonces en la última etapa se espera para cada electrón primario alrededor de 5 12 ≈ 10 8 electrones. Esta última etapa se llama ánodo . Esta gran cantidad de electrones que llegan al ánodo da como resultado un pulso de corriente agudo que es fácilmente detectable, por ejemplo, en un osciloscopio, lo que indica la llegada del fotón o fotones al fotocátodo unos 50 nanosegundos antes.

La distribución necesaria de voltaje a lo largo de la serie de dinodos se crea mediante una cadena divisoria de voltaje, como se ilustra en la Fig. 2. En el ejemplo, el fotocátodo se mantiene a un voltaje alto negativo del orden de 1000 V, mientras que el ánodo está muy cerca de potencial de tierra . Los condensadores en los últimos dinodos actúan como depósitos locales de carga para ayudar a mantener el voltaje en los dinodos mientras las avalanchas de electrones se propagan a través del tubo. En la práctica se utilizan muchas variaciones de diseño; el diseño que se muestra es meramente ilustrativo.

Metalización interna como pantalla protectora contra fuentes de luz no deseadas

Hay dos orientaciones comunes del fotomultiplicador, el diseño de frente o de extremo (modo de transmisión), como se muestra arriba, donde la luz ingresa a la parte superior plana y circular del tubo y pasa por el fotocátodo, y el diseño de lado (modo de reflexión) ), donde la luz entra en un punto particular en el costado del tubo e impacta en un fotocátodo opaco. El diseño lateral se utiliza, por ejemplo, en el tipo 931 , el primer PMT producido en serie. Además de los diferentes materiales de los fotocátodos, el rendimiento también se ve afectado por la transmisión del material de la ventana por el que pasa la luz y por la disposición de los dinodos. Hay muchos modelos de fotomultiplicadores disponibles que tienen varias combinaciones de estas y otras variables de diseño. Los manuales de los fabricantes proporcionan la información necesaria para elegir un diseño apropiado para una aplicación en particular.

Rango de temperatura

Se sabe que a temperaturas criogénicas, los foto multiplicadores demuestran un aumento en la emisión de electrones (estallidos) a medida que baja la temperatura. El fenómeno aún no está explicado por ninguna teoría física .

Historia

La invención del fotomultiplicador se basa en dos logros anteriores, los descubrimientos separados del efecto fotoeléctrico y de la emisión secundaria .

Efecto fotoeléctrico

La primera demostración del efecto fotoeléctrico fue realizada en 1887 por Heinrich Hertz utilizando luz ultravioleta. Importante para aplicaciones prácticas, Elster y Geitel dos años más tarde demostraron el mismo efecto usando luz visible que golpea metales alcalinos (potasio y sodio). La adición de cesio , otro metal alcalino , ha permitido extender el rango de longitudes de onda sensibles hacia longitudes de onda más largas en la parte roja del espectro visible.

Históricamente, el efecto fotoeléctrico está asociado con Albert Einstein , quien se basó en el fenómeno para establecer el principio fundamental de la mecánica cuántica en 1905, un logro por el que Einstein recibió el Premio Nobel de 1921 . Vale la pena señalar que Heinrich Hertz, trabajando 18 años antes, no había reconocido que la energía cinética de los electrones emitidos es proporcional a la frecuencia pero independiente de la intensidad óptica. Este hecho implicó una naturaleza discreta de la luz, es decir, la existencia de cuantos , por primera vez.

Emisión secundaria

El fenómeno de la emisión secundaria (la capacidad de los electrones en un tubo de vacío para provocar la emisión de electrones adicionales al golpear un electrodo ) estaba, al principio, limitado a fenómenos y dispositivos puramente electrónicos (que carecían de fotosensibilidad ). En 1899, Villard informó por primera vez del efecto. En 1902, Austin y Starke informaron que las superficies metálicas impactadas por haces de electrones emitían una mayor cantidad de electrones que los incidentes. La aplicación de la emisión secundaria recién descubierta a la amplificación de señales solo fue propuesta después de la Primera Guerra Mundial por el científico de Westinghouse Joseph Slepian en una patente de 1919.

La carrera hacia una cámara de televisión electrónica práctica

Los ingredientes para inventar el fotomultiplicador se unieron durante la década de 1920 a medida que se aceleraba el ritmo de la tecnología de los tubos de vacío. El objetivo principal para muchos, si no la mayoría, de los trabajadores era la necesidad de una tecnología práctica de cámaras de televisión. La televisión se había utilizado con prototipos primitivos durante décadas antes de la introducción en 1934 de la primera cámara práctica (el iconoscopio ). Los primeros prototipos de cámaras de televisión carecían de sensibilidad. Se utilizó la tecnología fotomultiplicador para permitir que los tubos de las cámaras de televisión, como el iconoscopio y (más tarde) el orticón , fueran lo suficientemente sensibles como para ser prácticos. Así que se preparó el escenario para combinar el fenómeno dual de la fotoemisión (es decir, el efecto fotoeléctrico) con la emisión secundaria , los cuales ya habían sido estudiados y comprendidos adecuadamente, para crear un fotomultiplicador práctico.

Primer fotomultiplicador de una sola etapa (principios de 1934)

La primera demostración de fotomultiplicador documentada data de los primeros logros de 1934 de un grupo de RCA con sede en Harrison, Nueva Jersey. Harley Iams y Bernard Salzberg fueron los primeros en integrar un cátodo de efecto fotoeléctrico y una etapa de amplificación de emisión secundaria única en una sola envolvente de vacío y los primeros en caracterizar su desempeño como fotomultiplicador con ganancia de amplificación de electrones. Estos logros se finalizaron antes de junio de 1934 como se detalla en el manuscrito presentado a Proceedings of the Institute of Radio Engineers (Proc. IRE). El dispositivo constaba de un fotocátodo semicilíndrico , un emisor secundario montado en el eje y una rejilla colectora que rodeaba al emisor secundario. El tubo tenía una ganancia de aproximadamente ocho y funcionaba a frecuencias muy por encima de los 10 kHz.

Fotomultiplicadores magnéticos (mediados de 1934-1937)

Se buscaron ganancias más altas que las disponibles con los primeros fotomultiplicadores de una sola etapa. Sin embargo, es un hecho empírico que el rendimiento de electrones secundarios está limitado en cualquier proceso de emisión secundaria dado, independientemente del voltaje de aceleración. Por lo tanto, cualquier fotomultiplicador de una sola etapa tiene una ganancia limitada. En ese momento, la ganancia máxima de la primera etapa que se podía lograr era de aproximadamente 10 (desarrollos muy significativos en la década de 1960 permitieron que se alcanzaran ganancias por encima de 25 utilizando dinodos de afinidad electrónica negativa ). Por esta razón, los fotomultiplicadores de múltiples etapas, en los que el rendimiento de fotoelectrones podría multiplicarse sucesivamente en varias etapas, fueron un objetivo importante. El desafío era hacer que los fotoelectrones incidieran sucesivamente en electrodos de voltaje más alto en lugar de viajar directamente al electrodo de voltaje más alto. Inicialmente, este desafío se superó mediante el uso de fuertes campos magnéticos para doblar las trayectorias de los electrones. Tal esquema había sido concebido anteriormente por el inventor J. Slepian en 1919 (ver arriba). En consecuencia, las principales organizaciones de investigación internacionales centraron su atención en mejorar los fotomultiplicadores para lograr una mayor ganancia con múltiples etapas.

En la URSS , Joseph Stalin introdujo a gran escala equipos de radio fabricados por RCA para construir redes de transmisión, y el recién formado Instituto de Investigación Científica para la Televisión de toda la Unión estaba preparando un programa de investigación en tubos de vacío que estaba avanzado para su época. y lugar. El personal científico de RCA realizó numerosas visitas a la URSS en la década de 1930, antes de la Guerra Fría , para instruir a los clientes soviéticos sobre las capacidades de los equipos de RCA e investigar las necesidades de los clientes. Durante una de estas visitas, en septiembre de 1934, a Vladimir Zworykin de RCA se le mostró el primer fotomultiplicador de múltiples dínodos, o multiplicador de fotoelectrones . Este dispositivo pionero fue propuesto por Leonid A. Kubetsky en 1930, que posteriormente construyó en 1934. El dispositivo logró ganancias de 1000x o más cuando se demostró en junio de 1934. El trabajo se envió para publicación impresa solo dos años después, en julio de 1936, como se enfatizó en una publicación reciente de 2006 de la Academia de Ciencias de Rusia (RAS), que lo denomina "Tubo de Kubetsky". El dispositivo soviético utilizó un campo magnético para confinar los electrones secundarios y se basó en el fotocátodo Ag-O-Cs que había sido demostrado por General Electric en la década de 1920.

En octubre de 1935, Vladimir Zworykin , George Ashmun Morton y Louis Malter de RCA en Camden, Nueva Jersey, presentaron su manuscrito que describe el primer análisis teórico y experimental completo de un tubo de dínodo múltiple, el dispositivo más tarde llamado fotomultiplicador , a Proc. IRA. Los fotomultiplicadores del prototipo RCA también utilizaron un fotocátodo de Ag-O-Cs ( óxido de plata - cesio ). Exhibieron una eficiencia cuántica máxima del 0,4% a 800 nm .

Fotomultiplicadores electrostáticos (1937-presente)

Mientras que estos primeros fotomultiplicadores usaban el principio del campo magnético, los fotomultiplicadores electrostáticos (sin campo magnético) fueron demostrados por Jan Rajchman de RCA Laboratories en Princeton, Nueva Jersey a fines de la década de 1930 y se convirtieron en el estándar para todos los fotomultiplicadores comerciales futuros. El primer fotomultiplicador producido en serie, el Tipo 931, fue de este diseño y todavía se produce comercialmente en la actualidad.

Fotocátodos mejorados

También en 1936, P. Görlich informó sobre un fotocátodo muy mejorado, Cs 3 Sb ( cesio - antimonio ). El fotocátodo de cesio-antimonio tuvo una eficiencia cuántica dramáticamente mejorada del 12% a 400 nm, y se utilizó en los primeros fotomultiplicadores comercialmente exitosos fabricados por RCA (es decir, el tipo 931) como fotocátodo y como material de emisión secundaria para los dinodos . Los diferentes fotocátodos proporcionaron diferentes respuestas espectrales.

Respuesta espectral de los fotocátodos

A principios de la década de 1940, el JEDEC (Joint Electron Device Engineering Council), un comité de estandarización de la industria, desarrolló un sistema para designar respuestas espectrales. La filosofía incluía la idea de que el usuario del producto solo debe preocuparse por la respuesta del dispositivo en lugar de cómo se puede fabricar el dispositivo. A varias combinaciones de fotocátodos y materiales de ventana se les asignaron "números S" (números espectrales) que van desde S-1 hasta S-40, que todavía se utilizan en la actualidad. Por ejemplo, S-11 usa el fotocátodo de cesio-antimonio con una ventana de vidrio de cal, S-13 usa el mismo fotocátodo con una ventana de sílice fundida y S-25 usa un fotocátodo llamado "multialcalino" (Na-K-Sb -Cs, o sodio - potasio - antimonio - cesio ) que proporciona una respuesta extendida en la porción roja del espectro de luz visible. Aún no se ha informado de superficies fotoemisivas adecuadas que detecten longitudes de onda superiores a aproximadamente 1700 nanómetros, a las que se pueda acceder mediante un fotocátodo especial (InP / InGaAs (Cs)).

Corporación RCA

Durante décadas, RCA fue responsable de realizar el trabajo más importante en el desarrollo y perfeccionamiento de fotomultiplicadores. RCA también fue en gran parte responsable de la comercialización de fotomultiplicadores. La compañía compiló y publicó un Manual de fotomultiplicadores autorizado y ampliamente utilizado . RCA proporcionó copias impresas gratis a pedido. El manual, que sigue estando disponible en línea sin costo alguno por los sucesores de RCA, se considera una referencia esencial.

Luego de una ruptura corporativa a fines de la década de 1980 que involucró la adquisición de RCA por parte de General Electric y la disposición de las divisiones de RCA a numerosos terceros, el negocio de fotomultiplicadores de RCA se convirtió en una compañía independiente.

Instalaciones de Lancaster, Pensilvania

La instalación de Lancaster, Pensilvania fue inaugurada por la Marina de los Estados Unidos en 1942 y operada por RCA para la fabricación de tubos de radio y microondas . Después de la Segunda Guerra Mundial , la instalación naval fue adquirida por RCA. RCA Lancaster, como se le conoció, fue la base para el desarrollo y la producción de productos comerciales de televisión . En los años siguientes se agregaron otros productos, como tubos de "rayos catódicos" , tubos fotomultiplicadores, interruptores de control de luz con detección de movimiento y sistemas de televisión de circuito cerrado .

Industrias Burle

Burle Industries, como sucesora de RCA Corporation, llevó adelante el negocio de fotomultiplicadores RCA después de 1986, con sede en las instalaciones de Lancaster, Pensilvania. La adquisición en 1986 de RCA por General Electric resultó en la venta de la División de Nuevos Productos de RCA Lancaster. Por lo tanto, 45 años después de haber sido fundada por la Marina de los EE. UU., Su equipo de gestión, liderado por Erich Burlefinger, compró la división y en 1987 fundó Burle Industries.

En 2005, después de dieciocho años como empresa independiente, Photonis, un holding europeo Photonis Group , adquirió Burle Industries y una subsidiaria clave . Después de la adquisición, Photonis estaba compuesta por Photonis Netherlands, Photonis France, Photonis USA y Burle Industries. Photonis USA opera el antiguo Grupo de Productos de Detectores Científicos de Galileo Corporation ( Sturbridge, Massachusetts ), que había sido comprado por Burle Industries en 1999. El grupo es conocido por los multiplicadores de electrones del detector de placa de microcanal (MCP), una versión integrada de fotomultiplicadores de tubo de micro-vacío. . Los MCP se utilizan para aplicaciones científicas y de imágenes, incluidos los dispositivos de visión nocturna .

El 9 de marzo de 2009, Photonis anunció que cesaría toda producción de fotomultiplicadores en las plantas de Lancaster, Pensilvania y Brive, Francia.

Hamamatsu

El Japón empresa con sede en Hamamatsu Photonics (también conocido como Hamamatsu) ha surgido desde la década de 1950 como un líder en la industria del fotomultiplicador. Hamamatsu, en la tradición de RCA, ha publicado su propio manual, que está disponible sin costo en el sitio web de la compañía. Hamamatsu utiliza diferentes designaciones para formulaciones de fotocátodos particulares e introduce modificaciones a estas designaciones basadas en la investigación y el desarrollo propiedad de Hamamatsu.

Materiales fotocátodos

Los fotocátodos pueden estar hechos de una variedad de materiales, con diferentes propiedades. Normalmente, los materiales tienen una función de trabajo baja y, por lo tanto, son propensos a la emisión termoiónica , provocando ruido y corriente oscura, especialmente los materiales sensibles en infrarrojos; enfriar el fotocátodo reduce este ruido térmico. Los materiales de fotocátodos más comunes son los Ag-O-Cs (también llamados S1) en modo de transmisión, sensibles de 300 a 1200 nm. Alta corriente oscura; utilizado principalmente en infrarrojo cercano, con el fotocátodo enfriado; GaAs: Cs, cesio - activado el arseniuro de galio , respuesta plana entre 300 y 850 nm, la decoloración hacia ultravioleta y a 930 nm; InGaAs: Cs, arseniuro de indio y galio activado por cesio , mayor sensibilidad infrarroja que GaAs: Cs, entre 900–1000 nm relación señal / ruido mucho más alta que Ag-O-Cs; Sb-Cs, (también llamado S11) antimonio activado por cesio , utilizado para fotocátodos de modo reflectante; rango de respuesta de ultravioleta a visible, ampliamente utilizado; bialcali (Sb-K-Cs, Sb-Rb-Cs), aleación antimonio-rubidio o antimonio-potasio activada por cesio, similar a Sb: Cs, con mayor sensibilidad y menor ruido. se puede utilizar para el modo de transmisión; la respuesta favorable a los destellos de centelleo NaI: Tl los hace ampliamente utilizados en espectroscopia gamma y detección de radiación; bialcali de alta temperatura (Na-K-Sb), puede operar hasta 175 ° C, utilizado en el registro de pozos , corriente oscura baja a temperatura ambiente; multialcali (Na-K-Sb-Cs), (también llamado S20), amplia respuesta espectral desde ultravioleta hasta infrarrojo cercano, el procesamiento especial de cátodos puede extender el rango a 930 nm, utilizado en espectrofotómetros de banda ancha ; ciego al sol (Cs-Te, Cs-I), sensible al vacío-UV y ultravioleta, insensible a la luz visible y al infrarrojo (Cs-Te tiene un corte a 320 nm, Cs-I a 200 nm).

Materiales de ventana

Las ventanas de los fotomultiplicadores actúan como filtros de longitud de onda; esto puede ser irrelevante si las longitudes de onda de corte están fuera del rango de aplicación o fuera del rango de sensibilidad del fotocátodo, pero se debe tener especial cuidado con las longitudes de onda poco comunes. El vidrio de borosilicato se usa comúnmente para el infrarrojo cercano a aproximadamente 300 nm. Los vidrios de borosilicato de alto borato existen también en versiones de alta transmisión UV con alta transmisión también a 254 nm. El vidrio con un contenido muy bajo de potasio se puede utilizar con fotocátodos bialcalinos para reducir la radiación de fondo del isótopo potasio-40 . El vidrio ultravioleta transmite visible y ultravioleta hasta 185 nm. Utilizado en espectroscopia. La sílice sintética se transmite hasta 160 nm y absorbe menos rayos UV que la sílice fundida. Expansión térmica diferente a la de kovar (y al vidrio de borosilicato que se adapta a la expansión de kovar), se necesita un sello graduado entre la ventana y el resto del tubo. El sello es vulnerable a golpes mecánicos. El fluoruro de magnesio transmite ultravioleta hasta 115 nm. Higroscópico , aunque menos que otros haluros alcalinos utilizables para ventanas UV.

Consideraciones de uso

Los tubos fotomultiplicadores suelen utilizar 1000 a 2000 voltios para acelerar los electrones dentro de la cadena de dinodos. (Vea la figura cerca de la parte superior del artículo). El voltaje más negativo está conectado al cátodo y el voltaje más positivo está conectado al ánodo. A menudo se prefieren los suministros negativos de alto voltaje (con el terminal positivo conectado a tierra), porque esta configuración permite que la fotocorriente se mida en el lado de bajo voltaje del circuito para la amplificación por circuitos electrónicos subsiguientes que operan a bajo voltaje. Sin embargo, con el fotocátodo a alto voltaje, las corrientes de fuga a veces dan como resultado pulsos de "corriente oscura" no deseados que pueden afectar la operación. Los voltajes se distribuyen a los dinodos mediante un divisor de voltaje resistivo , aunque son posibles variaciones como diseños activos (con transistores o diodos ). El diseño del divisor, que influye en la respuesta de frecuencia o el tiempo de subida , se puede seleccionar para adaptarse a diversas aplicaciones. Algunos instrumentos que utilizan fotomultiplicadores tienen disposiciones para variar el voltaje del ánodo para controlar la ganancia del sistema.

Mientras están alimentados (energizados), los fotomultiplicadores deben protegerse de la luz ambiental para evitar su destrucción por sobreexcitación. En algunas aplicaciones, esta protección se logra mecánicamente mediante enclavamientos eléctricos o persianas que protegen el tubo cuando se abre el compartimento del fotomultiplicador. Otra opción es agregar protección contra sobrecorriente en el circuito externo, de modo que cuando la corriente del ánodo medida exceda un límite seguro, se reduzca el alto voltaje.

Si se usa en una ubicación con campos magnéticos fuertes , que pueden curvar las trayectorias de los electrones, desviar los electrones de los dinodos y provocar una pérdida de ganancia, los fotomultiplicadores suelen estar protegidos magnéticamente por una capa de hierro dulce o mu-metal . Este escudo magnético a menudo se mantiene en el potencial de cátodo. Cuando este es el caso, el blindaje externo también debe estar aislado eléctricamente debido al alto voltaje en él. Los fotomultiplicadores con grandes distancias entre el fotocátodo y el primer dínodo son especialmente sensibles a los campos magnéticos.

Aplicaciones

Los fotomultiplicadores fueron los primeros dispositivos oculares eléctricos y se utilizaron para medir las interrupciones en los haces de luz. Los fotomultiplicadores se utilizan junto con los centelleadores para detectar la radiación ionizante por medio de instrumentos de protección radiológica fijos y de mano, y la radiación de partículas en experimentos de física. Los fotomultiplicadores se utilizan en laboratorios de investigación para medir la intensidad y el espectro de materiales emisores de luz, como semiconductores compuestos y puntos cuánticos . Los fotomultiplicadores se utilizan como detector en muchos espectrofotómetros . Esto permite un diseño de instrumento que escapa al límite de sensibilidad del ruido térmico y que, por lo tanto, puede aumentar sustancialmente el rango dinámico del instrumento.

Los fotomultiplicadores se utilizan en numerosos diseños de equipos médicos. Por ejemplo, los dispositivos de análisis de sangre utilizados por los laboratorios médicos clínicos, como los citómetros de flujo , utilizan fotomultiplicadores para determinar la concentración relativa de varios componentes en las muestras de sangre, en combinación con filtros ópticos y lámparas incandescentes . Se utiliza una matriz de fotomultiplicadores en una cámara gamma . Los fotomultiplicadores se utilizan normalmente como detectores en los escáneres de puntos voladores .

Aplicaciones de alta sensibilidad

Después de 50 años, durante los cuales los componentes electrónicos de estado sólido han desplazado en gran medida el tubo de vacío, el fotomultiplicador sigue siendo un componente optoelectrónico único e importante. Quizás su cualidad más útil es que actúa, electrónicamente, como una fuente de corriente casi perfecta , debido al alto voltaje utilizado para extraer las pequeñas corrientes asociadas con las señales de luz débiles. No hay ruido de Johnson asociado con las corrientes de señal del fotomultiplicador, aunque están muy amplificadas, por ejemplo, 100 mil veces (es decir, 100 dB) o más. La fotocorriente todavía contiene ruido de disparo .

Las fotocorriente amplificadas por fotomultiplicador pueden amplificarse electrónicamente mediante un amplificador electrónico de alta impedancia de entrada (en la ruta de la señal posterior al fotomultiplicador), produciendo así voltajes apreciables incluso para flujos de fotones casi infinitesimalmente pequeños. Los fotomultiplicadores ofrecen la mejor oportunidad posible para superar el ruido de Johnson para muchas configuraciones. Lo anterior se refiere a la medición de los flujos de luz que, aunque pequeños, equivalen a un flujo continuo de múltiples fotones.

Para flujos de fotones más pequeños, el fotomultiplicador se puede operar en modo de conteo de fotones o Geiger (ver también Diodo de avalancha de fotón único ). En el modo Geiger, la ganancia del fotomultiplicador se establece tan alta (usando alto voltaje) que un solo fotoelectrón resultante de un solo fotón incidente en la superficie primaria genera una corriente muy grande en el circuito de salida. Sin embargo, debido a la avalancha de corriente, se requiere un reinicio del fotomultiplicador. En cualquier caso, el fotomultiplicador puede detectar fotones individuales. El inconveniente, sin embargo, es que no todos los fotones que inciden en la superficie primaria se cuentan debido a la eficiencia menos que perfecta del fotomultiplicador, o porque un segundo fotón puede llegar al fotomultiplicador durante el " tiempo muerto " asociado con un primer fotón. fotón y nunca ser notado.

Un fotomultiplicador producirá una pequeña corriente incluso sin fotones incidentes; esto se llama corriente oscura . Las aplicaciones de conteo de fotones generalmente exigen fotomultiplicadores diseñados para minimizar la corriente oscura.

No obstante, la capacidad de detectar fotones individuales que golpean la superficie fotosensible primaria en sí misma revela el principio de cuantificación propuesto por Einstein . El conteo de fotones (como se le llama) revela que la luz, además de ser una onda, consta de partículas discretas (es decir, fotones ).

Ver también

Referencias

Bibliografía

enlaces externos