Fotomultiplicador

Esboço esquemático de um fotomultiplicador
Fotomultiplicador, comprimento de aproximadamente 8 cm; à direita a janela de entrada com fotocátodo, no meio os dínodos presos a corpos isolantes
Fotomultiplicador, comprimento de aproximadamente 17 cm; à esquerda a janela de entrada com fotocátodo, no meio os dínodos presos a corpos isolantes
Vista através da janela de entrada (com fotocátodo) para o primeiro estágio de dinodo

Um fotomultiplicador ou multiplicador de fotoelétrons ( fotomultiplicador curto , engl. Tubo fotomultiplicador , PMT ) é um tubo de elétrons especial com a finalidade de sinais de luz fracos (desde o indivíduo até os fótons para serem detectados gerando e amplificando um sinal elétrico). Um fotomultiplicador normalmente consiste em um fotocátodo e um multiplicador de elétrons secundário a jusante em um bulbo de vidro evacuado (10 -6 ... 10-5  Pa ).

funcionalidade

Os fótons atingem o fotocátodo e, por meio do efeito fotoelétrico externo , liberam elétrons de sua superfície, como em uma fotocélula . Os fotoelétrons liberados são acelerados em um campo elétrico e atingem outros eletrodos (os chamados dínodos ), da superfície dos quais cada elétron impactante elimina vários elétrons secundários ( δ = 3 ... 10; δ é a razão de emissão secundária ). Assim, o número de elétrons aumenta exponencialmente de dínodo para dínodo. Para que isso funcione, os dinodos devem estar em um potencial cada vez mais positivo (da esquerda para a direita no diagrama). Isso geralmente é conseguido dividindo a alta tensão original usando uma cadeia divisora ​​de tensão . Finalmente, os elétrons atingem um ânodo e fluem para o solo. Eles geram uma queda de tensão em um resistor (R a no desenho ). Esta tensão é o sinal de saída.

O fator de ganho aumenta exponencialmente com o número de dinodos. Multiplicadores típicos têm cerca de n = 10 dínodos. Se 4 elétrons são eliminados para cada elétron que atinge cada dínodo, o resultado é um aumento no número de elétrons (ou seja, a corrente) por um fator de δ n  = 4 10  ≈ 10 6 . O número de elétrons secundários gerados é proporcional ao número de fótons irradiados, desde que o limite de saturação não seja excedido, que é em torno de 10% da chamada corrente cruzada (corrente que flui pela cadeia divisora ​​de tensão). Isso significa que o nível de saída de tensão nesta faixa de trabalho linear é proporcional ao número de fótons irradiados, ou seja, à intensidade da luz (modo de operação analógico).

Devido à sua alta sensibilidade, a maioria dos fotomultiplicadores deve ser protegida da luz do dia durante a operação, porque a incidência de muitos fótons gera uma corrente muito alta e a capacidade de revestir os dinodos (por exemplo, álcalis - antimonídeos , BeO , MgO e camadas semicondutoras especialmente sensíveis, como GaP ou GaAsP ) para emissão secundária pode irreversivelmente enfraquecer ( “ficar cego” ) e até mesmo o photomultiplier podem queimar completamente.

Detecção de fóton único

No caso de intensidades de luz muito baixas no chamado modo de fóton único ( também conhecido como "modo de contagem de fótons" ), fótons únicos podem ser detectados com fotomultiplicadores com uma resolução de tempo inferior a 200 ps. A faixa dinâmica se estende desde taxas máximas de contagem de alguns milhões de fótons por segundo até o limite inferior de menos de 10 fótons por segundo, que é apenas sobreposto por uma corrente escura (em grande parte causada termicamente) . À temperatura ambiente, a taxa típica de contagem no escuro é de aproximadamente 10–5000 1 / s ( cps ), dependendo do material do fotocátodo .

Comportamento de pulso

Devido à construção de um fotomultiplicador, respostas de impulso característico especial para pulsos de luz curtos resultam em contagem de fóton único , que reproduz falsamente os sinais de medição reais e pode levar a interpretações erradas: fótons ou elétrons desempenham um papel que não pode ser atribuído ao fotocátodo. Eles geram pulsos de saída adicionais. Estes são registrados como eventos de fótons falsos, que são temporariamente correlacionados com o pulso de luz real e levam aos chamados pré-pulsação, pulsação tardia e pós-pulsação (pós-pulsação).

Prepulse
Os fótons que não são absorvidos no fotocátodo podem gerar fotoelétrons nos primeiros dínodos com baixa probabilidade, o que leva a pré-pulsos fracos, uma vez que esses fótons chegam aos dínodos antes dos elétrons gerados no fotocátodo.
Pulsos atrasados
Elétrons secundários, que são elasticamente ou inelasticamente espalhados de volta do primeiro dínodo e novamente acelerados em direção a este dínodo, geram pulsos de saída que são atrasados ​​por alguns nanossegundos, dependendo da tensão de aceleração presente. Estes tipicamente se sobrepõem ao pulso real na resposta ao impulso e levam a um leve ombro no flanco descendente. (Elétrons dispersos para frente também são possíveis, que são perceptíveis como se alargando no flanco ascendente, pois estes ultrapassam os elétrons secundários correspondentes do dínodo de espalhamento)
Pós pulsos
O chamado pós - pulsação estende-se de vários nanossegundos a vários microssegundos e é devido a vários efeitos e é fortemente dependente do tamanho e da geometria do fotomultiplicador. As causas incluem, por um lado, átomos de gases residuais no PMT, que são ionizados pelos elétrons secundários e, portanto, acelerados em direção ao fotocátodo. Lá eles, por sua vez, geram novos elétrons secundários, que levam a pulsos de saída significativamente atrasados, uma vez que os íons podem ser acelerados muito mais lentamente devido ao seu tamanho. Outras causas são a possível fosforescência do fotocátodo ou da janela de vidro, bem como a luminescência dos últimos estágios do dínodo ou do ânodo causada por forte bombardeio de elétrons ( ver também: catodoluminescência ).

aplicativo

Grande fotomultiplicador (cerca de 50 centímetros de diâmetro) feito pela Hamamatsu Photonics , que é usado para detectar neutrinos no experimento físico Super-Kamiokande . Os neutrinos se resolvem ao serem penetrados em um tanque de água de elétron e múon , que por sua vez é uma radiação Cherenkov característica produzida, que é registrada por 11200 de tais tubos fotomultiplicadores.

Em conexão com cintiladores , eles são usados ​​como detectores de partículas elementares . Eles são freqüentemente usados ​​em grandes detectores ( Antarctic Muon And Neutrino Detector Array ( AMANDA ) , experimento IceCube , experimento Double Chooz , Super Kamiokande) para detectar neutrinos em grandes números. Os fotomultiplicadores registram os fótons que são gerados por partículas secundárias , que surgem da interação extremamente rara dos neutrinos com a matéria. Fotomultiplicadores também são usados ​​em telescópios Cherenkov para detectar os fracos flashes de luz que surgem de raios cósmicos de alta energia na atmosfera superior.

Em contadores de cintilação, eles também são usados ​​para a detecção de radiação gama (por exemplo, espectrômetro gama ou câmera gama ) e em tecnologia médica também em sistemas PET para a detecção de radiação de aniquilação , que ocorre quando pósitrons interagem com elétrons ( aniquilação de pares).

Além disso, em espectrometria óptica e microscopia de luz, fotomultiplicadores são frequentemente usados ​​como receptores para detectar luz na faixa de comprimento de onda de 100 nm (UV) a aproximadamente 1000 nm (IR) (com fotocátodos especiais de até 1700 nm). Na microscopia de luz, os fotomultiplicadores são usados ​​como detectores em microscópios de varredura a laser , por exemplo, em microscópios confocais de varredura a laser e em microscópios multifotônicos . Em espectrômetros e microscópios de fluorescência resolvidos no tempo, eles são usados ​​para determinar o tempo de vida da fluorescência no modo de operação digital, em que o método de contagem de fóton único correlacionado com o tempo é freqüentemente usado.

No microscópio eletrônico de varredura , os fotomultiplicadores fazem parte do detector Everhart-Thornley . Os secundárias ou com retroespalhamento electrões (SE - electrões secundários ou BSE - electrões volta espalhadas ) geradas pelo feixe de electrões na amostra são convertidos em fotões no cintilador , que são alimentados para o fotomultiplicador através de um guia de luz e convertidas em sinais eléctricos.

Fotomultiplicadores também têm sido usados em scanners de tambor . Eles não são mais fabricados porque os atuais scanners de mesa e filme de alto desempenho são mais baratos e atingem uma qualidade relativamente boa. No entanto, quando uma resolução muito alta ou aquisição de densidade é necessária, os scanners de tambor ainda são incomparáveis ​​para digitalizações de alta qualidade com grandes detalhes.

Outros designs

Representação esquemática de como funciona uma placa de microcanais

Uma forma especial de fotomultiplicadores são assim chamada placa de microcanais fotomultiplicador (Engl. Placa fotomultiplicador Microchannel , MCP-PMT ou curto MCP). Na placa de microcanais, elétrons secundários são liberados da parede interna de canais microscopicamente finos ao longo dos quais prevalece um campo elétrico acelerado. Eles, portanto, representam uma combinação homogênea de dínodos e cadeias divisoras de tensão, com a qual uma resolução de tempo de menos de 30 ps é alcançada. Você vai i.a. Usado em intensificadores de imagem e de preferência em espectrômetros de fluorescência resolvidos no tempo para alta resolução temporal (mas são muitas vezes mais caros do que os fotomultiplicadores convencionais).

Um lado de entrada especialmente revestido da placa de microcanais pode, com algumas limitações, substituir o fotocátodo, e também há multiplicador de elétrons secundário com um único canal maior feito, o chamado multiplicador de elétrons ( multiplicador de elétrons do canal inglês ).

Outro projeto alternativo é o chamado fotomultiplicador híbrido (HPMT ou H (A) PD para fotodiodo híbrido (avalanche) . Com eles, os dínodos clássicos são substituídos por um fotodiodo de avalanche, que assume a função de multiplicador de elétrons secundário. Semelhante ao MCP-PMT, as grandes diferenças nos tempos de trânsito dos elétrons entre os vários estágios de dínodo são evitadas e uma resolução de tempo de aproximadamente 100 ps é alcançada.

Alternativas

Close-up de um fotomultiplicador de silício (SiPM) que consiste em uma matriz de APDs

O semicondutor equivalente do fotomultiplicador são os fotodiodos de avalanche (APD) e derivam deste o fotomultiplicador de silício (SiPM), que usa o efeito avalanche que ocorre em intensidades de campo elevadas em cristais semicondutores para aumentar os portadores de carga. APDs individuais geram uma tensão de saída proporcional à potência de radiação, mas em contraste com o fotomultiplicador apenas atinge um ganho de <10 3 , o SiPM alcança ganhos igualmente altos como fotomultiplicadores na faixa de 10 6 . Os fotodiodos de avalanche são preferencialmente usados ​​para a detecção de baixas intensidades de luz de média ou alta frequência , tais como. B. em telêmetros a laser .

Para detecção de fóton único, fotodiodos de avalanche especiais, chamados diodos de avalanche de fóton único (SPAD), podem ser usados, onde fótons individuais geram brevemente até alguns milhões de portadores de carga e podem, assim, ser facilmente registrados como impulsos elétricos .

Fotodetectores muito sensíveis são resistores de fotografias . No entanto, eles não podem ser usados ​​para detectar fótons únicos, eles têm muito ruído e são muito lentos (segundos).

literatura

  • Hanno Krieger: Medição de radiação e dosimetria. Vieweg + Teubner, Wiesbaden 2011, ISBN 978-3-8348-1546-0 .
  • William R. Leo: Técnicas para Experimentos de Física Nuclear e de Partículas: Uma Abordagem de Como Fazer. Springer, New York 1994, ISBN 0-387-57280-5 .

Links da web

Commons : Fotomultiplicador  - álbum com fotos, vídeos e arquivos de áudio

inchar

  1. ↑ a b Hamamatsu Photonics KK : Tubos Fotomultiplicadores - Noções Básicas e Aplicações. 3. Edição. 2006, pp. 17-18 - 2.3 Multiplicador de elétrons (seção Dynode)
  2. ↑ Hamamatsu Photonics KK: Tubos Fotomultiplicadores - Noções Básicas e Aplicações. 3. Edição. 2006, p. 126 - 6.1 Modos analógico e digital (contagem de fótons)
  3. ↑ O. Ju. Smirnov, P. Lombardi, G. Ranucci: Precision Measurements of Time Characteristics of ETL9351 Photomultipliers. In: Instruments and Experimental Techniques. vol. 47, número 1, 2004, pp. 69-80.
  4. ↑ HR Krall: Emissão de luz estranha do fotomultiplicador. In: IEEE Transactions on Nuclear Science. vol. 14, edição 1, 1967, pp. 455-459.
  5. ↑ Hamamatsu Photonics KK: Tubos Fotomultiplicadores - Noções Básicas e Aplicações. 3. Edição. 2006, pp. 30-35 - 4.1 Características básicas de fotocátodos
  6. ^ W. Becker, B. Su, O. Holub, K. Weisshart: Detecção de FLIM e FCS em microscópios de varredura a laser: Eficiência aumentada por detectores híbridos GaAsP. In: Técnica e Pesquisa em Microscopia . 2010. doi: 10.1002 / jemt.20959