Tubos Fotomultiplicadores

Fotomultiplicador

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.

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Un tubo fotomultiplicador (TFM) 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 dínodo. La energía de los electrones incidentes provoca la emisión un número mayor de electrones secundarios que son dirigidos hacia un segundo dínodo. El número de dínodos y su disposición varía con el modelo de fotomultiplicador.

Funcionamiento

Un TFM consiste de un cátodo fotoemisivo (fotocátodo), consistente de metales alcalinos con funciones de trabajo bajas, seguido de electrodos enfocadores, un multiplicador de electrones (dínodos) y un colector de electrones (ánodo) en un tubo al vacío.

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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 dínodos, 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, varia 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 dínodo, el tubo fotomultiplicador tiene una alta sensibilidad y un bajo ruido.
La eficiencia del fotocátodo es de entre 1 y 3 electrones por cada 10 fotones UV incidentes.
En cada TFM hay entre 9 y 12 dínodos. El factor de multiplicación de los dinodos es, normalmente, de entre 3 y 6 electrones por dinodo. La fuente de alimentación del sistema es de alto voltaje, generalmente mayor a 1[kV], y debe ser muy estable, dado que el factor de multiplicación, y en definitiva la amplitud del pulso de corriente, depende del voltaje.

Tipos de fotomultiplicadores

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 dínodos, 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.

Otros tipos

Se pueden hacer combinaciones de los dos fotomultiplicadores arriba mencionados para mejorar, por ejemplo, la recepción angular de luz, necesaria para experimentos de física de altas energías

Arreglo de los dínodos

Un dínodo 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 dínodos 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 areas fotocatódicas grandes y cuando no es prioridad la respuesta en tiempo del tubo fotomultiplicador.

Otros tipos

Además de los mencionados existen el tipo malla, el tipo placa de microcanal y el tipo canal metálico, y combinaciones diversas. Los dos primeros ofrecen resistencia a los campos electricos.