FOTOMULTIPLICADORES

Todo lo referente a fotomultiplicadores

FOTOMULTIPLICADORES

Se llama fotomultiplicador a un tipo de detector óptico de vacío que aprovecha el efecto de emisión secundaria de electrones para responder a niveles muy bajos de iluminación, manteniendo un nivel de ruido aceptable. Con la llegada de los dispositivos CCD y su gran eficiencia cuántica los fotomultiplicadores han visto reducirse grandemente sus aplicaciones, quedando prácticamente reducidas a los detectores de partículas, basados en la radiación de Cherenkov.

Un fotomultiplicador está compuesto de un fotocátodo, que emite electrones cuando sobre él inciden fotones de energía adecuada. Un campo eléctrico acelera estos electrones y los dirige hacia un ánodo, que en estos tubos recibe el nombre de dinodo. La energía de los electrones incidentes provoca la emisión un número mayor de electrones secundarios que son dirigidos hacia un segundo dinodo. El número de dinodos y su disposición varía con el modelo de fotomultiplicador.

Funcionamiento

Un tubo fotomultiplicador consiste de un cátodo foto emisivo (fotocátodo), consistente de metales alcalinos con funciones de trabajo bajas, seguido de electrodos enfocado res, un multiplicador de electrones (dinodos) y un colector de electrones (ánodo) en un tubo al vacío.

Cuando la luz entra al fotocátodo, este convierte la energía de la luz incidente en fotoelectrones emitidos al vacío, los cuales son enfocados hacia los dinodos, donde son multiplicados en un proceso de emisión secundaria. Al final, la señal de salida se obtiene en el ánodo. La eficiencia en la conversión o sensibilidad del cátodo, varía con la longitud de onda de la luz incidente. La relación entre la sensibilidad del cátodo y la longitud de onda se llama respuesta espectral característica. Debido a la mencionada emisión secundaria de cada dinodo, el tubo fotomultiplicador tiene una alta sensibilidad y un bajo ruido.

Principales parámetros que caracterizan las presentaciones de un fotomultiplicador

Sensibilidad 

Es un parámetro que caracteriza la eficiencia de las conversiones de la luz en fotoelectrones. Se define la sensibilidad del fotocátodo y el flujo incidente. Cuando se expresa en unidades radiométricas se denomina sensibilidad radiante del cátodo: Y expresada en unidades fotométricas se denomina sensibilidad luminosa del cátodo Es un parámetro que caracteriza la eficiencia de las conversiones de la luz en fotoelectrones. Ganancia: La ganancia del fotomultiplicador se define como el cociente entre la corriente en el ánodo y la corriente en el cátodo: En el caso límite en que la corriente en el fotocátodo esté formada por un único fotoelectrón, la ganancia estará dada por el número total de electrones recogidos por el ánodo, es decir, la carga de la señal de un único fotoelectrón. La ganancia total de un fotomultiplicador depende del número de dinodos y del factor de emisión secundaria, que depende de la energía del electrón incidente. A su vez, la energía del electrón depende del potencial entre dinodos que es una fracción del voltaje total aplicado.

Espectro de un fotoelectrón

Cuando a un fotomultiplicador le llega un flujo luminoso muy débil es posible que los pulsos luminosos originados por fotoelectrones individuales están bien separados y se puedan estudiar individualmente

Factores que afectan el desempeño

Divisores de voltaje

El voltaje suministrado a cada dinodo es llevado a cabo por una base divisora de voltaje o red resistiva ya que consiste en resistencias conectadas en serie.

Modo de empleo de los Fotomultiplicadores y su eficiencia cuántica. 

Los fotomultiplicadores se emplean en los microscopios con focales donde gracias al sistema óptico (que emplea un láser) la luz que recogen proviene de un único punto. La eficiencia cuántica de los fotomultiplicadores es entre el 20 y 30%, siendo generalmente mayor para los azules y menor para los rojos, no obstante existen fotomultiplicadores optimizados para tener una mayor eficiencia cuántica en determinados rangos del espectro(ultravioletas, verdes, rojos, etc.). 

Eficiencia cuántica de un fotomultiplicador

HISTORIA QUE DIO PASO A LOS FOTOMULTIPLICADORES

Albert Einstein y el efecto fotoeléctrico

El efecto fotoeléctrico, consiste en suponer que la luz se comporta como un haz de partículas y cuando así lo hace, las partículas que componen este haz de luz arrancan electrones al 'impactar' sobre un metal. Einstein concluyó que al aumentar la intensidad de la luz incidente, aumentaba el número de electrones expulsados del metal, pero no la velocidad de éstos.

Los fotomultiplicadores, por ejemplo, basados en este efecto, convierten la luz en impulsos eléctricos. Un fotón impacta sobre un metal (fotocátodo), que emite entonces un electrón. El electrón impacta entonces sobre un metal de otro tipo (el dinodo) que, al ser alcanzado por el electrón, emite varios electrones más. Así la señal se va multiplicando hasta convertirse en una señal eléctrica

En el artículo de Einstein 'Sobre la teoría cuántica de la radiación', afirmó que mediante la absorción de radiación electromagnética, los átomos podían excitarse, es decir, acceder a un estado de mayor energía. Posteriormente, de forma espontánea, éstos emitían luz para regresar a un estado energético inferior. Además, dedujo la existencia de una tercera clase de interacción entre la luz y la materia; en ella, un fotón podría inducir a un estado excitado a emitir un segundo fotón, y así sucesivamente. Para crear un haz coherente de fotones debería lograrse primero 'la inversión de la población', es decir, que el número de átomos excitados superase al de no excitados, para conseguir que los fotones emitidos se agrupasen en un haz intenso. Toda esta teoría no es más que el fundamento teórico del láser.

Los fotones emitidos tienen que tener no sólo la misma frecuencia, sino que también deben estar en fase. Además, debe existir una cavidad resonante, que principalmente son dos espejos, que, al ir rebotando la luz entre ellos, los fotones de luz adquieren mayor intensidad, hasta que finalmente la luz emerge a través de uno de ellos.

TIPOS DE FOTO MULTIPLICADORES

Tipo frontal

Tiene un fotocátodo semitransparente el cual es un fotocátodo del tipo transmisor, que permite tener mejor uniformidad que el tipo lateral. La disposición frontal permite barrer áreas en un rango definido por el tamaño del tubo fotomultiplicador.

Tipo lateral

Los fotomultiplicadores laterales emplean un fotocátodo opaco o sea un fotocátodo del tipo reflector y una estructura de jaula circular para los dinodos, lo que ofrece buena sensibilidad y amplificación con un voltaje de alimentación relativamente bajo. Usados generalmente en espectrofotometría y sistemas fotométricos en general, reciben la luz incidente por un lado del tubo de vidrio. Las ventajas son su relativo bajo costo.

DINODOS

Un dinodo es el nombre que reciben cada uno de los electrodos de un tubo fotomultiplicador. Cada dinodo está cargado más positivamente unos 100 voltios que su predecesor de tal forma, que cuando el fotocátodo del tubo recibe un fotón y consecuentemente emite un electrón, este se dirige al primer dinodo, el cual recibe el impacto del electrón en su superficie, emitiendo en un proceso secundario, a su vez más electrones que se dirigen al siguiente dinodo. Y así sucesivamente hasta llegar al ánodo receptor. De esta forma, son capaces de aumentar hasta un millón de veces la pequeña corriente emitida por el fotocátodo, produciéndose de 105 a 107 electrones por cada fotón incidente.

Arreglo de los dinodos

Un dinodo conforma el sistema de multiplicación de electrones. La gran sensibilidad de los tubos fotomultiplicadores (consiste en amplificación de corriente y relación señal ruido altas) es debida al uso de tal sistema, que permite el proceso de emisión secundaria.

Tipo jaula circular

Usado generalmente en los fotomultiplicadores laterales, se caracteriza por optimizar el espacio, respuesta rápida y alta ganancia obtenida con un suministro de voltaje relativamente bajo

Tipo caja y rejilla

Es una sucesión de cuartas partes de dinodos cilíndricos. Se usa en fotomultiplicadores frontales debido a la eficiencia en la recolección de electrones y a su uniformidad.

Tipo linealmente centrado

Lo caracteriza su respuesta rápida en tiempo y la linealidad de pulso, además de ofrecer una corriente de salida grande.

Tipo persiana veneciana

Cada dinodo está formado por láminas paralelas inclinadas 45° con respecto al eje del tubo. Usado en tubos con áreas foto catódicas grandes y cuando no es prioridad la respuesta en tiempo del tubo fotomultiplicador.