Tubo fotomultiplicador - Photomultiplier tube

Fotomultiplicador

Tubos fotomultiplicadores ( fotomultiplicadores ou PMTs para abreviar), membros da classe dos tubos de vácuo e, mais especificamente , fototubos de vácuo , são detectores de luz extremamente sensíveis nas faixas ultravioleta , visível e infravermelho próximo do espectro eletromagnético . Esses detectores multiplicam a corrente produzida pela luz incidente em até 100 milhões de vezes ou 10 8 (ou seja, 160 dB ), em vários estágios de dínodo , permitindo (por exemplo) que fótons individuais sejam detectados quando o fluxo incidente de luz é baixo.

Dynodes dentro de um tubo fotomultiplicador

A combinação de alto ganho , baixo ruído , resposta de alta frequência ou, equivalentemente, resposta ultrarrápida e grande área de coleção manteve os fotomultiplicadores um lugar essencial na espectroscopia de baixo nível de luz , microscopia confocal , espectroscopia Raman , espectroscopia de fluorescência , nuclear e de partículas física , astronomia , diagnósticos médicos, incluindo exames de sangue , imagens médicas , varredura de filmes cinematográficos ( telecine ), bloqueio de radar e scanners de imagem de alta tecnologia, conhecidos como scanners de tambor . Os elementos da tecnologia fotomultiplicadora, quando integrados de maneira diferente, são a base dos dispositivos de visão noturna . A pesquisa que analisa o espalhamento da luz , como o estudo de polímeros em solução, geralmente usa um laser e um PMT para coletar os dados de luz espalhada.

Dispositivos semicondutores , especialmente fotomultiplicadores de silício e fotodiodos de avalanche , são alternativas aos fotomultiplicadores clássicos; no entanto, os fotomultiplicadores são especialmente adequados para aplicações que requerem detecção de baixo ruído e alta sensibilidade de luz que está colimada de maneira imperfeita .

Estrutura e princípios operacionais

Fig.1: Esquema de um tubo fotomultiplicador acoplado a um cintilador . Este arranjo é para detecção de raios gama .
Fig. 2: Circuito divisor de tensão fotomultiplicador típico usando alta tensão negativa.

Os fotomultiplicadores são normalmente construídos com um invólucro de vidro evacuado (usando uma vedação de vidro com metal extremamente apertada e durável como outros tubos de vácuo ), contendo um fotocátodo , vários dinodos e um ânodo . Os fótons incidentes atingem o material do fotocátodo , que geralmente é uma fina camada condutora depositada por vapor na parte interna da janela de entrada do dispositivo. Os elétrons são ejetados da superfície como consequência do efeito fotoelétrico . Esses elétrons são direcionados pelo eletrodo de foco em direção ao multiplicador de elétrons , onde os elétrons são multiplicados pelo processo de emissão secundária .

O multiplicador de elétrons consiste em vários eletrodos chamados dínodos . Cada dinodo é mantido em um potencial mais positivo, por ≈100 Volts, do que o anterior. Um elétron primário deixa o fotocátodo com a energia do fóton que chega, ou cerca de 3 eV para fótons "azuis", sem a função de trabalho do fotocátodo. Um pequeno grupo de elétrons primários é criado pela chegada de um grupo de fótons iniciais. (Na Fig. 1, o número de elétrons primários no grupo inicial é proporcional à energia do raio gama de alta energia incidente.) Os elétrons primários movem-se em direção ao primeiro dínodo porque são acelerados pelo campo elétrico. Cada um deles chega com ≈100 eV de energia cinética transmitida pela diferença de potencial. Ao atingir o primeiro dínodo, mais elétrons de baixa energia são emitidos e esses elétrons, por sua vez, são acelerados em direção ao segundo dínodo. A geometria da cadeia dínodo é tal que ocorre uma cascata com um número exponencialmente crescente de elétrons sendo produzidos em cada estágio. Por exemplo, se em cada estágio uma média de 5 novos elétrons são produzidos para cada elétron que entra, e se houver 12 estágios de dínodo, então no último estágio espera-se para cada elétron primário cerca de 5 12 ≈ 10 8 elétrons. Este último estágio é denominado ânodo . Este grande número de elétrons atingindo o ânodo resulta em um pulso de corrente nítido que é facilmente detectável, por exemplo, em um osciloscópio, sinalizando a chegada do (s) fóton (s) no fotocátodo ≈50 nanossegundos antes.

A distribuição necessária de voltagem ao longo da série de dínodos é criada por uma cadeia divisora ​​de voltagem, conforme ilustrado na Fig. 2. No exemplo, o fotocátodo é mantido em uma alta voltagem negativa da ordem de 1000 V, enquanto o ânodo está muito próximo de potencial de aterramento . Os capacitores nos poucos dínodos finais agem como reservatórios locais de carga para ajudar a manter a tensão nos dínodos enquanto avalanches de elétrons se propagam através do tubo. Muitas variações de design são usadas na prática; o design mostrado é meramente ilustrativo.

Metalização interna como uma tela de proteção contra fontes de luz indesejadas

Existem duas orientações fotomultiplicadoras comuns, o design frontal ou final (modo de transmissão), como mostrado acima, onde a luz entra na parte superior plana e circular do tubo e passa pelo fotocátodo, e o design lateral (modo de reflexão ), onde a luz entra em um ponto específico na lateral do tubo e impacta um fotocátodo opaco. O design lateral é usado, por exemplo, no tipo 931 , o primeiro PMT produzido em massa. Além dos diferentes materiais fotocátodos, o desempenho também é afetado pela transmissão do material da janela por onde a luz passa e pela disposição dos dinodos. Muitos modelos fotomultiplicadores estão disponíveis com várias combinações dessas e de outras variáveis ​​de projeto. Os manuais dos fabricantes fornecem as informações necessárias para escolher um projeto apropriado para uma aplicação específica.

Faixa de temperatura

É sabido que em temperaturas criogênicas os fotomultiplicadores demonstram aumento na emissão de elétrons (explosão) à medida que a temperatura diminui. O fenômeno ainda não foi explicado por nenhuma teoria da física .

História

A invenção do fotomultiplicador baseia-se em duas realizações anteriores, as descobertas separadas do efeito fotoelétrico e da emissão secundária .

Efeito fotoelétrico

A primeira demonstração do efeito fotoelétrico foi realizada em 1887 por Heinrich Hertz usando luz ultravioleta. Significativos para aplicações práticas, a Elster e a Geitel, dois anos depois, demonstraram o mesmo efeito usando metais alcalinos impressionantes com luz visível (potássio e sódio). A adição de césio , outro metal alcalino , permitiu que a faixa de comprimentos de onda sensíveis fosse estendida para comprimentos de onda mais longos na porção vermelha do espectro visível.

Historicamente, o efeito fotoelétrico está associado a Albert Einstein , que confiou no fenômeno para estabelecer o princípio fundamental da mecânica quântica em 1905, feito pelo qual Einstein recebeu o Prêmio Nobel de 1921 . Vale a pena notar que Heinrich Hertz, trabalhando 18 anos antes, não havia reconhecido que a energia cinética dos elétrons emitidos é proporcional à frequência, mas independente da intensidade óptica. Este fato implicava uma natureza discreta da luz, ou seja, a existência de quanta , pela primeira vez.

Emissão secundária

O fenômeno da emissão secundária (a habilidade dos elétrons em um tubo de vácuo de causar a emissão de elétrons adicionais ao atingir um eletrodo ) foi, a princípio, limitado a fenômenos e dispositivos puramente eletrônicos (que não tinham fotossensibilidade ). Em 1899, o efeito foi relatado pela primeira vez por Villard. Em 1902, Austin e Starke relataram que as superfícies metálicas impactadas por feixes de elétrons emitiam um número maior de elétrons do que o incidente. A aplicação da emissão secundária recém-descoberta para a amplificação de sinais só foi proposta após a Primeira Guerra Mundial pelo cientista da Westinghouse Joseph Slepian em uma patente de 1919.

A corrida por uma câmera de televisão eletrônica prática

Os ingredientes para inventar o fotomultiplicador foram se juntando durante a década de 1920, à medida que o ritmo da tecnologia de tubo de vácuo se acelerava. O objetivo principal de muitos, senão da maioria, dos trabalhadores era a necessidade de uma tecnologia prática de câmera de televisão. A televisão foi perseguida com protótipos primitivos durante décadas, antes da introdução em 1934 da primeira câmera prática (o iconoscópio ). Os primeiros protótipos de câmeras de televisão não tinham sensibilidade. A tecnologia fotomultiplicadora foi buscada para permitir que os tubos das câmeras de televisão, como o iconoscópio e (mais tarde) o ortício , fossem sensíveis o suficiente para serem práticos. Assim, o cenário foi montado para combinar o fenômeno dual da fotoemissão (ou seja, o efeito fotoelétrico) com a emissão secundária , ambas as quais já haviam sido estudadas e adequadamente compreendidas, para criar um fotomultiplicador prático.

Primeiro fotomultiplicador, estágio único (início de 1934)

A primeira demonstração documentada de fotomultiplicador data das realizações do início de 1934 de um grupo RCA baseado em Harrison, NJ. Harley Iams e Bernard Salzberg foram os primeiros a integrar um cátodo de efeito fotoelétrico e um único estágio de amplificação de emissão secundária em um único envelope de vácuo e os primeiros a caracterizar seu desempenho como fotomultiplicador com ganho de amplificação de elétrons. Essas realizações foram finalizadas antes de junho de 1934, conforme detalhado no manuscrito submetido à Proceedings of the Radio Engineers (Proc. IRE). O dispositivo consistia em um fotocátodo semicilíndrico , um emissor secundário montado no eixo e uma grade coletora em torno do emissor secundário. O tubo tinha um ganho de cerca de oito e operava em frequências bem acima de 10 kHz.

Fotomultiplicadores magnéticos (meados de 1934-1937)

Ganhos maiores foram buscados do que aqueles disponíveis a partir dos primeiros fotomultiplicadores de estágio único. No entanto, é um fato empírico que o rendimento de elétrons secundários é limitado em qualquer processo de emissão secundária, independentemente da tensão de aceleração. Assim, qualquer fotomultiplicador de estágio único é limitado em ganho. Na época, o ganho máximo do primeiro estágio que poderia ser alcançado era de aproximadamente 10 (desenvolvimentos muito significativos na década de 1960 permitiram que ganhos acima de 25 fossem alcançados usando dinodos de afinidade de elétrons negativos ). Por esse motivo, fotomultiplicadores de múltiplos estágios, nos quais o rendimento do fotoelétron pudesse ser multiplicado sucessivamente em vários estágios, eram uma meta importante. O desafio era fazer com que os fotoelétrons colidissem sucessivamente com os eletrodos de alta tensão, em vez de viajarem diretamente para o eletrodo de mais alta tensão. Inicialmente, esse desafio foi superado pelo uso de fortes campos magnéticos para dobrar as trajetórias dos elétrons. Tal esquema havia sido concebido anteriormente pelo inventor J. Slepian em 1919 (veja acima). Consequentemente, as principais organizações de pesquisa internacionais voltaram sua atenção para o aprimoramento dos fotomultiplicadores para obter maior ganho com estágios múltiplos.

Na URSS , o equipamento de rádio fabricado pela RCA foi introduzido em grande escala por Joseph Stalin para construir redes de transmissão, e o recém-formado Instituto de Pesquisa Científica para Televisão da União estava preparando um programa de pesquisa em tubos de vácuo avançado para a época e coloque. Numerosas visitas foram feitas pelo pessoal científico da RCA à URSS na década de 1930, antes da Guerra Fria , para instruir os clientes soviéticos sobre as capacidades dos equipamentos da RCA e investigar as necessidades dos clientes. Durante uma dessas visitas, em setembro de 1934, Vladimir Zworykin da RCA viu o primeiro fotomultiplicador de dínodo múltiplo, ou multiplicador de fotoelétrons . Este dispositivo pioneiro foi proposto por Leonid A. Kubetsky em 1930, que ele posteriormente construiu em 1934. O dispositivo obteve ganhos de 1000x ou mais quando demonstrado em junho de 1934. O trabalho foi submetido para publicação impressa apenas dois anos depois, em julho de 1936, conforme enfatizado em uma publicação recente de 2006 da Academia Russa de Ciências (RAS), que o denomina "Tubo de Kubetsky". O dispositivo soviético usava um campo magnético para confinar os elétrons secundários e contava com o fotocátodo Ag-O-Cs, demonstrado pela General Electric na década de 1920.

Em outubro de 1935, Vladimir Zworykin , George Ashmun Morton e Louis Malter da RCA em Camden, NJ enviaram seu manuscrito descrevendo a primeira análise experimental e teórica abrangente de um tubo dínodo múltiplo - o dispositivo mais tarde chamado de fotomultiplicador - ao Proc. IRA. Os fotomultiplicadores de protótipo RCA também usaram um fotocátodo Ag-O-Cs ( óxido de prata - césio ). Eles exibiram um pico de eficiência quântica de 0,4% a 800 nm .

Fotomultiplicadores eletrostáticos (1937-presente)

Enquanto esses primeiros fotomultiplicadores usavam o princípio do campo magnético, os fotomultiplicadores eletrostáticos (sem campo magnético) foram demonstrados por Jan Rajchman dos RCA Laboratories em Princeton, NJ no final dos anos 1930 e se tornaram o padrão para todos os futuros fotomultiplicadores comerciais. O primeiro fotomultiplicador produzido em massa, o Type 931, tinha esse design e ainda é produzido comercialmente hoje.

Fotocátodos aprimorados

Também em 1936, um fotocátodo muito melhorado, Cs 3 Sb ( césio - antimônio ), foi relatado por P. Görlich. O fotocátodo de césio-antimônio teve uma eficiência quântica dramaticamente melhorada de 12% a 400 nm e foi usado nos primeiros fotomultiplicadores comercialmente bem-sucedidos fabricados pela RCA (ou seja, o tipo 931) tanto como fotocátodo quanto como material de emissão secundária para os dinodos . Diferentes fotocátodos forneceram diferentes respostas espectrais.

Resposta espectral de fotocátodos

No início dos anos 1940, o JEDEC (Joint Electron Device Engineering Council), um comitê da indústria sobre padronização, desenvolveu um sistema de designação de respostas espectrais. A filosofia incluía a ideia de que o usuário do produto só precisa se preocupar com a resposta do dispositivo e não com a forma como o dispositivo pode ser fabricado. Várias combinações de fotocátodo e materiais de janela foram atribuídos "números S" (números espectrais) variando de S-1 a S-40, que ainda estão em uso hoje. Por exemplo, o S-11 usa o fotocátodo de césio-antimônio com uma janela de vidro de cal, o S-13 usa o mesmo fotocátodo com uma janela de sílica fundida e o S-25 usa o chamado fotocátodo "multialcalino" (Na-K-Sb -Cs, ou sódio - potássio - antimônio - césio ) que fornece resposta estendida na porção vermelha do espectro de luz visível. Nenhuma superfície fotoemissiva adequada foi relatada para detectar comprimentos de onda maiores do que aproximadamente 1700 nanômetros, que podem ser aproximados por um fotocátodo especial (InP / InGaAs (Cs)).

RCA Corporation

Durante décadas, a RCA foi responsável pela realização do mais importante trabalho de desenvolvimento e refinamento de fotomultiplicadores. A RCA também foi a grande responsável pela comercialização de fotomultiplicadores. A empresa compilou e publicou um Manual Fotomultiplicador confiável e amplamente usado . A RCA forneceu cópias impressas gratuitamente mediante solicitação. O manual, que continua a ser disponibilizado online gratuitamente pelos sucessores da RCA, é considerado uma referência essencial.

Após uma dissolução corporativa no final dos anos 1980, envolvendo a aquisição da RCA pela General Electric e a alienação das divisões da RCA a vários terceiros, o negócio de fotomultiplicadores da RCA tornou-se uma empresa independente.

Instalação de Lancaster, Pensilvânia

A instalação de Lancaster, na Pensilvânia , foi inaugurada pela Marinha dos Estados Unidos em 1942 e operada pela RCA para a fabricação de tubos de rádio e microondas . Após a Segunda Guerra Mundial , a instalação naval foi adquirida pela RCA. RCA Lancaster, como ficou conhecido, foi a base para o desenvolvimento e a produção de produtos comerciais de televisão . Nos anos subsequentes, outros produtos foram adicionados, como tubos de "raios catódicos" , tubos fotomultiplicadores, interruptores de controle de luz com detecção de movimento e sistemas de televisão de circuito fechado .

Burle Industries

A Burle Industries, como sucessora da RCA Corporation, levou adiante os negócios de fotomultiplicadores RCA após 1986, com base nas instalações de Lancaster, Pensilvânia. A aquisição da RCA pela General Electric em 1986 resultou na venda da Divisão de Novos Produtos da RCA Lancaster. Assim, 45 anos após ser fundada pela Marinha dos Estados Unidos, sua equipe de gestão, liderada por Erich Burlefinger, adquiriu a divisão e em 1987 fundou a Burle Industries.

Em 2005, após dezoito anos como uma empresa independente, a Burle Industries e uma subsidiária importante foram adquiridas pela Photonis, uma holding europeia do Grupo Photonis . Após a aquisição, a Photonis foi composta pela Photonis Netherlands, Photonis France, Photonis USA e Burle Industries. A Photonis USA opera o antigo Galileo Corporation Scientific Detector Products Group ( Sturbridge, Massachusetts ), que foi comprado pela Burle Industries em 1999. O grupo é conhecido por multiplicadores de elétrons do detector de placa de microcanal (MCP) - uma versão de tubo de micro-vácuo integrado de fotomultiplicadores . Os MCPs são usados ​​para imagens e aplicações científicas, incluindo dispositivos de visão noturna .

Em 9 de março de 2009, a Photonis anunciou que encerraria toda a produção de fotomultiplicadores nas fábricas de Lancaster, Pensilvânia e Brive, na França.

Hamamatsu

O Japão companhia baseada Hamamatsu Photonics (também conhecido como Hamamatsu) surgiu desde a década de 1950 como um líder na indústria de fotomultiplicador. A Hamamatsu, seguindo a tradição da RCA, publicou seu próprio manual, que está disponível gratuitamente no site da empresa. A Hamamatsu usa diferentes designações para formulações específicas de fotocátodo e introduz modificações a essas designações com base na pesquisa e desenvolvimento de propriedade da Hamamatsu.

Materiais fotocátodo

Os fotocátodos podem ser feitos de uma variedade de materiais, com propriedades diferentes. Normalmente os materiais possuem baixa função de trabalho e, portanto, estão sujeitos à emissão termiônica , causando ruído e corrente escura, principalmente os materiais sensíveis ao infravermelho; o resfriamento do fotocátodo diminui esse ruído térmico. Os materiais fotocátodos mais comuns são o modo de transmissão Ag-O-Cs (também chamado S1), sensível de 300–1200 nm. Corrente escura alta; usado principalmente no infravermelho próximo, com o fotocátodo resfriado; GaAs: Cs, césio - activado arsenieto de gálio , resposta plana de 300 a 850 nm, no sentido de desvanecimento ultravioleta e a 930 nm; InGaAs: Cs, arsenieto de gálio e índio ativado por césio , maior sensibilidade infravermelha do que GaAs: Cs, entre 900-1000 nm relação sinal-ruído muito maior do que Ag-O-Cs; Sb-Cs, (também denominado S11) antimônio ativado por césio , usado para fotocátodos de modo reflexivo; faixa de resposta de ultravioleta a visível, amplamente utilizada; bialcalis (Sb-K-Cs, Sb-Rb-Cs), antimônio-rubídio ativado por césio ou liga de antimônio-potássio, semelhante ao Sb: Cs, com maior sensibilidade e menor ruído. pode ser usado para modo de transmissão; resposta favorável a flashes cintiladores NaI: Tl os torna amplamente usados ​​em espectroscopia gama e detecção de radiação; bialcalis de alta temperatura (Na-K-Sb), pode operar até 175 ° C, usado em perfilagem de poços , baixa corrente escura em temperatura ambiente; multialcalis (Na-K-Sb-Cs), (também chamado de S20), ampla resposta espectral do ultravioleta ao infravermelho próximo, o processamento de cátodo especial pode estender a faixa até 930 nm, usado em espectrofotômetros de banda larga ; solar-cego (Cs-Te, Cs-I), sensível a vácuo-UV e ultravioleta, insensível à luz visível e infravermelho (Cs-Te tem corte em 320 nm, Cs-I em 200 nm).

Materiais de janela

As janelas dos fotomultiplicadores atuam como filtros de comprimento de onda; isso pode ser irrelevante se os comprimentos de onda de corte estiverem fora da faixa de aplicação ou fora da faixa de sensibilidade do fotocátodo, mas cuidado especial deve ser tomado para comprimentos de onda incomuns. O vidro de borosilicato é comumente usado para infravermelho próximo a cerca de 300 nm. Vidros de alto borato de borosilicato também existem em versões de alta transmissão UV com alta transmissão também em 254 nm. O vidro com teor muito baixo de potássio pode ser usado com fotocátodos bialcalis para diminuir a radiação de fundo do isótopo de potássio-40 . O vidro ultravioleta transmite o visível e o ultravioleta até 185 nm. Usado em espectroscopia. A sílica sintética transmite até 160 nm, absorve menos UV do que a sílica fundida. Expansão térmica diferente do kovar (e do vidro de borosilicato que é compatível com a expansão do kovar), uma vedação graduada necessária entre a janela e o resto do tubo. A vedação é vulnerável a choques mecânicos. O fluoreto de magnésio transmite a radiação ultravioleta até 115 nm. Higroscópico , embora menos do que outros halogenetos alcalinos utilizáveis ​​para janelas UV.

Considerações de uso

Os tubos fotomultiplicadores normalmente utilizam 1000 a 2000 volts para acelerar os elétrons dentro da cadeia de dínodos. (Consulte a Figura próxima ao início do artigo.) A voltagem mais negativa é conectada ao cátodo e a voltagem mais positiva é conectada ao ânodo. Fontes negativas de alta tensão (com o terminal positivo aterrado) são freqüentemente preferidas, porque essa configuração permite que a fotocorrente seja medida no lado de baixa tensão do circuito para amplificação por circuitos eletrônicos subsequentes operando em baixa tensão. No entanto, com o fotocátodo em alta tensão, as correntes de fuga às vezes resultam em pulsos de "corrente escura" indesejados que podem afetar a operação. As tensões são distribuídas aos dínodos por um divisor de tensão resistivo , embora variações como designs ativos (com transistores ou diodos ) sejam possíveis. O projeto do divisor, que influencia a resposta de frequência ou o tempo de subida , pode ser selecionado para se adequar a diversas aplicações. Alguns instrumentos que usam fotomultiplicadores têm disposições para variar a tensão do ânodo para controlar o ganho do sistema.

Enquanto alimentados (energizados), os fotomultiplicadores devem ser protegidos da luz ambiente para evitar sua destruição por sobreexcitação. Em algumas aplicações, essa proteção é realizada mecanicamente por travas elétricas ou venezianas que protegem o tubo quando o compartimento do fotomultiplicador é aberto. Outra opção é adicionar proteção de sobrecorrente no circuito externo, de modo que quando a corrente anódica medida exceder um limite seguro, a alta tensão seja reduzida.

Se usados ​​em um local com campos magnéticos fortes , que podem curvar os caminhos dos elétrons, desviar os elétrons dos dinodos e causar perda de ganho, os fotomultiplicadores são geralmente blindados magneticamente por uma camada de ferro macio ou mu-metal . Esta blindagem magnética é freqüentemente mantida no potencial catódico. Quando este for o caso, a blindagem externa também deve ser isolada eletricamente por causa da alta tensão nela. Fotomultiplicadores com grandes distâncias entre o fotocátodo e o primeiro dinodo são especialmente sensíveis a campos magnéticos.

Formulários

Os fotomultiplicadores foram os primeiros dispositivos de olho elétrico , sendo usados ​​para medir interrupções em feixes de luz. Fotomultiplicadores são usados ​​em conjunto com cintiladores para detectar radiação ionizante por meio de instrumentos de proteção contra radiação fixos e portáteis e radiação de partículas em experimentos de física. Fotomultiplicadores são usados ​​em laboratórios de pesquisa para medir a intensidade e o espectro de materiais emissores de luz, como semicondutores compostos e pontos quânticos . Fotomultiplicadores são usados ​​como detectores em muitos espectrofotômetros . Isso permite um projeto de instrumento que escapa do limite de ruído térmico na sensibilidade e que pode, portanto, aumentar substancialmente a faixa dinâmica do instrumento.

Fotomultiplicadores são usados ​​em vários projetos de equipamentos médicos. Por exemplo, dispositivos de análise de sangue usados ​​por laboratórios médicos clínicos, como citômetros de fluxo , utilizam fotomultiplicadores para determinar a concentração relativa de vários componentes em amostras de sangue, em combinação com filtros ópticos e lâmpadas incandescentes . Uma matriz de fotomultiplicadores é usada em uma câmera gama . Fotomultiplicadores são normalmente usados ​​como detectores em scanners de pontos voadores .

Aplicativos de alta sensibilidade

Após 50 anos, durante os quais os componentes eletrônicos de estado sólido deslocaram amplamente o tubo de vácuo, o fotomultiplicador continua sendo um componente optoeletrônico único e importante. Talvez sua qualidade mais útil seja que ele atua, eletronicamente, como uma fonte de corrente quase perfeita , devido à alta tensão utilizada na extração de minúsculas correntes associadas a sinais de luz fracos. Não há ruído Johnson associado a correntes de sinal fotomultiplicador, embora sejam bastante amplificados, por exemplo, em 100 mil vezes (ou seja, 100 dB) ou mais. A fotocorrente ainda contém ruído de disparo .

Fotocorrentes amplificadas por fotomultiplicador podem ser amplificadas eletronicamente por um amplificador eletrônico de alta impedância de entrada (no caminho do sinal subsequente ao fotomultiplicador), produzindo assim tensões apreciáveis ​​mesmo para fluxos de fótons quase infinitesimalmente pequenos. Os fotomultiplicadores oferecem a melhor oportunidade possível de exceder o ruído Johnson para muitas configurações. O mencionado acima se refere à medição de fluxos de luz que, embora pequenos, ainda assim equivalem a um fluxo contínuo de múltiplos fótons.

Para fluxos de fótons menores, o fotomultiplicador pode ser operado no modo de contagem de fótons ou Geiger (consulte também Díodo de avalanche de fóton único ). No modo Geiger, o ganho do fotomultiplicador é definido tão alto (usando alta tensão) que um único fotoelétron resultante de um único fóton incidente na superfície primária gera uma corrente muito grande no circuito de saída. No entanto, devido à avalanche de corrente, é necessário reiniciar o fotomultiplicador. Em ambos os casos, o fotomultiplicador pode detectar fótons individuais. A desvantagem, no entanto, é que nem todo fóton incidente na superfície primária é contado por causa da eficiência menos que perfeita do fotomultiplicador ou porque um segundo fóton pode chegar ao fotomultiplicador durante o " tempo morto " associado a um primeiro fóton e nunca ser notado.

Um fotomultiplicador produzirá uma pequena corrente mesmo sem fótons incidentes; isso é chamado de corrente escura . As aplicações de contagem de fótons geralmente exigem fotomultiplicadores projetados para minimizar a corrente escura.

No entanto, a capacidade de detectar fótons únicos atingindo a própria superfície fotossensível primária revela o princípio de quantização que Einstein apresentou . A contagem de fótons (como é chamada) revela que a luz, não sendo apenas uma onda, consiste em partículas discretas (ou seja, fótons ).

Veja também

Referências

Bibliografia

links externos