Qué es el tubo fotomultiplicador – PMT – Definición

Los tubos fotomultiplicadores (PMT) son un dispositivo de detección de fotones que utiliza el efecto fotoeléctrico combinado con una emisión secundaria para convertir la luz en una señal eléctrica. Un fotomultiplicador absorbe la luz emitida por el centelleador y la reemite en forma de electrones a través del efecto fotoeléctrico . El PMT ha sido la principal opción para la detección de fotones desde entonces debido al hecho de que tienen una alta eficiencia cuántica y una gran amplificación.

El tubo fotomultiplicador es una parte clave de un detector de centelleo. En general, un detector de centelleo consiste en:

• Scintillator . Un centelleador genera fotones en respuesta a la radiación incidente.
• Fotodetector . Un fotodetector sensible (generalmente un tubo fotomultiplicador (PMT), una cámara con dispositivo de carga acoplada (CCD) o un fotodiodo), que convierte la luz en una señal eléctrica y electrónica para procesar esta señal.

Componentes del tubo fotomultiplicador

El dispositivo consta de varios componentes y estos componentes se muestran en la figura.

• Photocathode . Justo después de una delgada ventana de entrada, hay un fotocatodo, que está hecho de material en el que los electrones de valencia están débilmente unidos y tienen una sección transversal alta para convertir fotones en electrones a través del efecto fotoeléctrico. Por ejemplo, se puede usar Cs ₃ Sb (cesio-antimonio). Como resultado, la luz creada en el centelleador golpea el fotocátodo de un tubo fotomultiplicador, liberando como máximo un fotoelectrón por fotón.
• Dínodos . Usando un potencial de voltaje, este grupo de electrones primarios se acelera y enfoca electrostáticamente para que golpeen el primer dinodo con suficiente energía para liberar electrones adicionales. Hay una serie («etapas») de dinodos hechos de material de función de trabajo relativamente baja. Estos electrodos funcionan a un potencial cada vez mayor (por ejemplo, ~ 100-200 V entre los dinodos). En el dinodo, los electrones se multiplican por la emisión secundaria. El próximo dinodo tiene un voltaje más alto que hace que los electrones liberados del primero aceleren hacia él. En cada dynode se liberan 3-4 electrones por cada electrón incidente, y con 6 a 14 dynodes la ganancia total, o factor de amplificación de electrones, estará en el rango de ~ 10 ⁴ -10⁷ cuando alcanzan el ánodo. Los voltajes de operación típicos están en el rango de 500 a 3000 V. En el dinodo final, hay suficientes electrones disponibles para producir un pulso de magnitud suficiente para una mayor amplificación. Este pulso lleva información sobre la energía de la radiación incidente original. El número de tales pulsos por unidad de tiempo también proporciona información sobre la intensidad de la radiación.

Tubo fotomultiplicador – Principio de funcionamiento

El funcionamiento de los contadores de centelleo y los tubos fotomultiplicadores se resume en los siguientes puntos:

• 

  La radiación ionizante ingresa al centelleador e interactúa con el material del centelleador. Esto hace que los electrones se eleven a un estado excitado .

  • Para las partículas cargadas, la pista es el camino de la partícula misma.
  • Para los rayos gamma (sin carga), su energía se convierte en un electrón energético a través del efecto fotoeléctrico , la dispersión de Compton o la producción de pares .
• Los átomos excitados del material centelleador desexcitan y emiten rápidamente un fotón en el rango de luz visible (o casi visible). La cantidad es proporcional a la energía depositada por la partícula ionizante. Se dice que el material es fluorescente.
• Se utilizan tres clases de fósforos:
  • cristales inorgánicos
  • cristales orgánicos,
  • Fósforos de plástico.
• La luz creada en el centelleador golpea el fotocátodo de un tubo fotomultiplicador , liberando como máximo un fotoelectrón por fotón.
• Usando un potencial de voltaje, este grupo de electrones primarios se acelera y enfoca electrostáticamente para que golpeen el primer dinodo con suficiente energía para liberar electrones adicionales.
• Estos electrones secundarios son atraídos y golpean un segundo dinodo liberando más electrones. Este proceso ocurre en el tubo fotomultiplicador.
• Cada impacto del dinodo posterior libera más electrones, por lo que hay un efecto amplificador de corriente en cada etapa del dinodo. Cada etapa tiene un potencial mayor que el anterior para proporcionar el campo de aceleración.
• La señal primaria se multiplica y esta amplificación continúa a través de 10 a 12 etapas.
• En el último dinodo , hay suficientes electrones disponibles para producir un pulso de magnitud suficiente para una mayor amplificación. Este pulso lleva información sobre la energía de la radiación incidente original. El número de tales pulsos por unidad de tiempo también proporciona información sobre la intensidad de la radiación.

Eficiencia cuántica

La sensibilidad de un fotocatodo generalmente se cita en términos de eficiencia cuántica . En general, el término eficiencia cuántica (QE) puede aplicarse a fotón incidente convertida electrón a ( IPCE ) proporción de un dispositivo fotosensible. La eficiencia cuántica del fotocatodo se define como la probabilidad de conversión de fotones incidentes en una señal eléctrica y se define como:

La eficiencia cuántica de cualquier dispositivo fotosensible es una función importante de la longitud de onda de la luz incidente, y se hace un esfuerzo para que la respuesta espectral del fotocatodo coincida con el espectro de emisión del centelleador en uso. En el tubo fotomultiplicador, la eficiencia cuántica está limitada al 20-30% , pero una eficiencia cuántica promedio sobre el espectro de emisión de un centelleador típico es de aproximadamente 15-20% .

El estándar para la cotización es el número de fotoelectrones por pérdida de energía keV por electrones rápidos en un centelleador de NaI (Tl) . Para la eficiencia cuántica máxima, se producen alrededor de 8 ~ 10 fotoelectrones por cada pérdida de energía keV. Por lo tanto, la pérdida de energía promedio requerida para crear un solo fotoelectrón es ~ 100 eV, que es mucho mayor que los valores en detectores llenos de gas o detectores de semiconductores.

El PMT ha sido la principal opción para la detección de fotones desde entonces debido al hecho de que tienen una alta eficiencia cuántica y una gran amplificación. Últimamente, sin embargo, los semiconductores han comenzado a competir con el PMT, el fotodiodo, por ejemplo, que tiene una mayor eficiencia cuántica en el rango visible y superior, menor consumo de energía y un tamaño más pequeño. La eficiencia cuántica para el fotodiodo es alta (60-80%) en comparación con el PMT (20-30%) que proporciona una mayor resolución energética.