O que é tubo fotomultiplicador – PMT – Definição

O tubo fotomultiplicador (PMTs) é um dispositivo de detecção de fótons que usa o efeito fotoelétrico combinado com a emissão secundária para converter luz em um sinal elétrico. Dosimetria de Radiação
Scintillation_Counter - Tubo Fotomultiplicador
Aparelho com cristal cintilante, fotomultiplicador e componentes de aquisição de dados. Fonte: wikipedia.org Licença CC BY-SA 3.0

Os tubos fotomultiplicadores (PMTs) são um dispositivo de detecção de fótons que usa o efeito fotoelétrico combinado com a emissão secundária para converter luz em um sinal elétrico. Um fotomultiplicador absorve a luz emitida pelo cintilador e a reemite na forma de elétrons pelo efeito fotoelétrico . O PMT tem sido a principal escolha para detecção de fótons desde então, devido ao fato de terem alta eficiência quântica e alta amplificação.

O tubo fotomultiplicador é uma parte essencial de um detector de cintilação. Em geral, um detector de cintilação consiste em:

  • Cintilador . Um cintilador gera fótons em resposta à radiação incidente.
  • Fotodetector . Um fotodetector sensível (geralmente um tubo fotomultiplicador (PMT), uma câmera de dispositivo acoplado a carga (CCD) ou um fotodiodo), que converte a luz em um sinal elétrico e eletrônico para processar esse sinal.

Componentes do tubo fotomultiplicador

O dispositivo consiste em vários componentes e esses componentes são mostrados na figura.

  • Photocathode . Logo após uma fina janela de entrada, existe um fotocátodo, feito de material no qual os elétrons de valência estão fracamente ligados e têm uma seção transversal alta para converter fótons em elétrons pelo efeito fotoelétrico. Por exemplo, Cs 3 Sb (césio-antimônio) pode ser usado. Como resultado, a luz criada no cintilador atinge o fotocatodo de um tubo fotomultiplicador, liberando no máximo um fotoelétron por fóton.
  • Dínodos . Usando um potencial de voltagem, esse grupo de elétrons primários é eletrostaticamente acelerado e focado para atingir o primeiro dínodo com energia suficiente para liberar elétrons adicionais. Há uma série (“estágios”) de dínodos feitos de material com função de trabalho relativamente baixa. Esses eletrodos são operados com potencial cada vez maior (por exemplo, ~ 100-200 V entre dínodos). No dínodo, os elétrons são multiplicados por emissão secundária. O próximo dínodo tem uma voltagem mais alta, o que faz com que os elétrons liberados desde o primeiro acelerem em sua direção. Em cada dínodo 3-4 electrões são introduzidas em cada electrões incidente, e com 6 a 14 dínodos o ganho total, ou do factor de amplificação de electrões, será na gama de ~ 10 4 -107 quando atingem o ânodo. As tensões operacionais típicas estão na faixa de 500 a 3000 V. No dínodo final, elétrons suficientes estão disponíveis para produzir um pulso de magnitude suficiente para amplificação adicional. Esse pulso carrega informações sobre a energia da radiação incidente original. O número desses pulsos por unidade de tempo também fornece informações sobre a intensidade da radiação.

Tubo Fotomultiplicador – Princípio de Operação

A operação de contadores de cintilação e tubos fotomultiplicadores é resumida nos seguintes pontos:

  • Contador de Cintilações - Princípio de Operação
    Contador de Cintilação – Princípio de Operação. Fonte: wikipedia.org Licença: Public Domain

    A radiação ionizante entra no cintilador e interage com o material do cintilador. Isso faz com que os elétrons sejam elevados a um estado excitado .

  • Os átomos excitados do material cintilador de-excite e rapidamente emitir um fotão na visível (ou próximo do visível) gama de luz. A quantidade é proporcional à energia depositada pela partícula ionizante. Diz-se que o material fluorescente.
  • Três classes de fósforo são usadas:
    • cristais inorgânicos,
    • cristais orgânicos,
    • fósforos de plástico.
  • A luz criada no cintilador atinge o fotocatodo de um tubo fotomultiplicador , liberando no máximo um fotoelétron por fóton.
  • Usando um potencial de voltagem, esse grupo de elétrons primários é eletrostaticamente acelerado e focado para atingir o primeiro dínodo com energia suficiente para liberar elétrons adicionais.
  • Esses elétrons secundários são atraídos e atingem um segundo dínodo liberando mais elétrons. Esse processo ocorre no tubo fotomultiplicador.
  • Cada impacto subsequente do dínodo libera mais elétrons e, portanto, há um efeito de amplificação de corrente em cada estágio do dínodo. Cada estágio tem um potencial maior que o anterior para fornecer o campo de aceleração.
  • O sinal primário é multiplicado e essa amplificação continua por 10 a 12 estágios.
  • No dínodo final , elétrons suficientes estão disponíveis para produzir um pulso de magnitude suficiente para amplificação adicional. Esse pulso carrega informações sobre a energia da radiação incidente original. O número desses pulsos por unidade de tempo também fornece informações sobre a intensidade da radiação.

Eficiência quântica

A sensibilidade de um fotocátodo é geralmente citada em termos de eficiência quântica . Em geral, o termo eficiência quântica (QE) pode ser aplicado à razão de fóton incidente para elétron convertido ( IPCE ) de um dispositivo fotossensível. A eficiência quântica do fotocatodo é definida como a probabilidade de conversão de fótons incidentes em um sinal elétrico e é definida como:

Eficiência Quântica - Tubo Fotomultiplicador

A eficiência quântica de qualquer dispositivo fotossensível é uma forte função do comprimento de onda da luz incidente e é feito um esforço para corresponder a resposta espectral do fotocatodo ao espectro de emissão do cintilador em uso. No tubo fotomultiplicador, a eficiência quântica é limitada a 20 a 30% , mas a eficiência quântica média no espectro de emissão de um cintilador típico é de cerca de 15 a 20% .

O padrão para cotação é o número de fotoelétrons por perda de energia de keV por elétrons rápidos em um cintilador NaI (Tl) . Para o pico de eficiência quântica, são produzidos cerca de 8 a 10 fotoelétrons por cada perda de energia de keV. Portanto, a perda média de energia necessária para criar um único fotoelétron é de ~ 100 eV, que é muito maior que os valores em detectores cheios a gás ou semicondutores.

O PMT tem sido a principal escolha para detecção de fótons desde então, porque eles têm alta eficiência quântica e alta amplificação. Ultimamente, no entanto, os semicondutores começaram a competir com o PMT, o fotodiodo, por exemplo, que tem maior eficiência quântica na faixa visível e acima, menor consumo de energia e menor tamanho. A eficiência quântica para o fotodiodo é alta (60-80%) em comparação com o PMT (20-30%), o que fornece uma resolução de energia mais alta.

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