¿Qué es un Tubo Fotomultiplicador?
Un tubo fotomultiplicador (PMT) es un sensor óptico altamente sensible que tiene la capacidad de convertir la luz (fotones) en señales eléctricas.
Consiste en un tubo de vidrio sellado al vacío que cuenta con una ventana de entrada, un fotocátodo y un conjunto de dinodos. El principio de funcionamiento se basa en el efecto fotoeléctrico externo, que consiste en la emisión de electrones desde la superficie de un material cuando es iluminado por luz en un entorno de vacío.
Debido a que incluso un solo fotón puede generar una señal eléctrica significativa y rápida (en aproximadamente 10-9 segundos), los tubos fotomultiplicadores se utilizan como detectores de luz en diversas aplicaciones, como microscopía electrónica, análisis medioambiental, instrumentación médica, espectrofotometría y análisis espectral. Estos dispositivos permiten la detección y cuantificación precisa de la luz en una amplia gama de campos científicos y tecnológicos.
Usos de los Tubos Fotomultiplicadores
Los tubos fotomultiplicadores son ampliamente utilizados como detectores de electrones secundarios en aplicaciones como microscopía electrónica y equipos de fotoanálisis, como espectrofotómetros UV-visible y espectrómetros de emisión. También se emplean en contadores de partículas para la medición de partículas en el aire, en sistemas de detección de luz dispersada por partículas en radares láser (LiDAR) y en dispositivos médicos como la tomografía por emisión de positrones (PET) y la tomografía computarizada (TC) para la detección del cáncer.
En el contexto de LiDAR, los tubos fotomultiplicadores permiten detectar la posición y el movimiento de objetos en entornos de conducción automatizada. Un ejemplo notable del uso de tubos fotomultiplicadores es el proyecto Super-Kamiokande, una instalación de investigación de neutrinos que emplea 13.000 tubos fotomultiplicadores de gran tamaño para captar la luz Cherenkov generada en un tanque de agua de 50.000 toneladas.
Si bien los tubos fotomultiplicadores son altamente sensibles y capaces de convertir luz débil en señales eléctricas, también presentan desventajas como la necesidad de alto voltaje de operación y la susceptibilidad al ruido causado por electrones térmicos. Por tanto, es crucial contar con una fuente de alimentación extremadamente silenciosa y estable para asegurar su correcto funcionamiento.
Principio del Tubo Fotomultiplicador
Los tubos fotomultiplicadores son sensores ópticos capaces de detectar la luz de un solo fotón y convertirla en una señal eléctrica.
El tubo de vidrio al vacío está provisto de una ventana por la que entra la luz, un fotocátodo que convierte los fotones en electrones por efecto de la fotocorriente externa (efecto de los electrones emitidos al vacío), un electrodo de enfoque que recoge los fotoelectrones, un dinodo de unas 10 etapas que multiplica los electrones secundarios y un ánodo que genera la señal electrónica. Se aplica una tensión continua de unos 1.000 V a todo el sistema, desde el fotocátodo hasta el ánodo.
1. Material de la Ventana
El vidrio de borosilicato, el vidrio de cuarzo, el vidrio transmisor de UV y los cristales de MgF2 se utilizan como materiales de ventana, dependiendo del rango de longitud de onda de la luz, principalmente en el lado de longitud de onda corta.
2. Fotocátodo
Los fotocátodos forman una capa activa de eficiencia cuántica (eficiencia de generación de fotoelectrones) en la superficie en contacto con el alto vacío. En la región visible, se han desarrollado fotocátodos de metales bialcalinos, fotocátodos de metales multialcalinos de tres o más tipos con sensibilidad hasta la región infrarroja, fotocátodos de haluros alcalinos para detección UV y semiconductores compuestos III-V con alta sensibilidad en la región UV a infrarrojo cercano.
3. Dínodos
Los fotoelectrones son acelerados por el electrodo de enfoque y recogidos en el dinodo. El dinodo forma una capa activa sobre un metal de sustrato, como el níquel o el acero inoxidable, que aumenta la relación de emisión de electrones secundarios. Se suelen utilizar capas depositadas de metal alcalino-antimonio (por ejemplo, SbCs), óxido de berilio y óxido de magnesio.
Cuando los electrones golpean el dinodo, se emite un gran número de electrones secundarios. A continuación, los electrones secundarios emitidos chocan con el siguiente dinodo instalado, donde se emiten más electrones secundarios. Este proceso se repite, aumentando finalmente el número de electrones en un millón de veces o más, y se detecta una cantidad suficiente de electrones como señal eléctrica.
Más Información sobre los Tubos Fotomultiplicadores
Estructura del Multiplicador Secundario de Electrones
Se han ideado varias estructuras para los multiplicadores de electrones secundarios, como los tipos de jaula circular, de enfoque lineal, de caja y rejilla, de malla fina y de canal metálico, en función de la disposición y la forma de los dinodos y otros componentes.
Para cada estructura, el diseño óptimo del electrodo se basa en el análisis orbital de los electrones. Como los electrones viajan en un alto vacío, pueden obtenerse características de tiempo rápido. La alta sensibilidad y las características de respuesta rápida, que permiten contar la luz como un grano, son las razones por las que los PMT se utilizan en primera línea.