Fotomultiplicador, Historia, Estructura Y Principios De Funcionamiento, Consideraciones De Uso, Las Aplicaciones típicas, Aplicaciones De Alta Sensibilidad

Tubos fotomultiplicadores, los miembros de la clase de los tubos de vacío, y más específicamente fototubos vacío, son muy sensibles detectores de luz en el rango ultravioleta, visible e infrarrojo cercano del espectro electromagnético. Estos detectores se multiplican la corriente producida por la luz incidente por hasta 100 millones de veces, en múltiples etapas dínodo, permitiendo fotones individuales para detectar cuando el flujo incidente de la luz es muy baja. A diferencia de la mayoría de los tubos de vacío, que no son obsoletos.

La combinación de alta ganancia, bajo ruido, respuesta de alta frecuencia o, de manera equivalente, la respuesta ultra-rápido, y una amplia zona de recolección se ha ganado fotomultiplicadores un lugar esencial en la física nuclear y de partículas, astronomía, diagnósticos médicos, incluidos análisis de sangre, imágenes médicas, movimiento digitalización de imagen de película, atascos de radar y escáneres de imágenes de alta calidad conocidos como escáneres de tambor. Elementos de la tecnología foto-multiplicador, cuando se integra de manera diferente, son la base de los dispositivos de visión nocturna.

Dispositivos semiconductores, especialmente fotodiodos de avalancha, son alternativas a fotomultiplicadores, sin embargo, fotomultiplicadores son excepcionalmente bien adaptado para las aplicaciones que requieren bajo nivel de ruido, detección de alta sensibilidad de luz que se colima imperfecta. Mientras fotomultiplicadores son extraordinariamente sensible y moderadamente eficaz, a partir de 2012 la investigación seguía en curso para crear un dispositivo de detección de fotones de luz-cuenta que es mucho más del 99% de eficiencia. Este detector es de interés para las aplicaciones relacionadas con la información cuántica y la criptografía cuántica.

Historia

LA COMBINACIÓN DE DOS DESCUBRIMIENTOS CIENTÍFICOS

La invención del fotomultiplicador se basa en dos logros anteriores, los descubrimientos sobre el efecto fotoeléctrico y la emisión secundaria.

Efecto fotoeléctrico

La primera demostración del efecto fotoeléctrico se llevó a cabo en 1887 por Heinrich Hertz quien demostró que el uso de la luz ultravioleta. Significativo para aplicaciones prácticas, Elster y Geitel dos años más tarde demostraron el mismo efecto utilizando visibles metales alcalinos llamativos luz. La adición de cesio, otro metal alcalino, ha permitido la gama de longitudes de onda sensibles a ser extendidos hacia longitudes de onda más largas en la parte roja del espectro visible.

Históricamente, el efecto fotoeléctrico se asocia con Albert Einstein, quien se basó en el fenómeno de establecer el principio fundamental de la mecánica cuántica, en 1905, un logro para el que Einstein recibió el Premio Nobel 1921. Vale la pena señalar que Heinrich Hertz, de trabajo 18 años antes, no había reconocido que la energía cinética de los electrones emitidos es proporcional a la frecuencia, pero independiente de la intensidad óptica. Este hecho implica una naturaleza discreta de la luz, es decir, la existencia de los cuantos, por primera vez.

Emisión secundaria

El fenómeno de la emisión secundaria se limitó primero a las invenciones puramente electrónicos. En 1902, Austin y Starke informaron de que las superficies de metal afectadas por haces de electrones emitidos un mayor número de electrones que eran incidente. La aplicación de la emisión secundaria recién descubierto para la amplificación de las señales sólo se propuso después de la Primera Guerra Mundial por Westinghouse científico Joseph Slepian en una patente de 1919.

La primera fotomultiplicador La carrera hacia una cámara de televisión electrónica práctica

Los ingredientes para inventar el fotomultiplicador se unen durante la década de 1920 como el ritmo de la tecnología de tubo de vacío acelera. El objetivo principal para muchos, si no la mayoría, los trabajadores era la necesidad de una práctica tecnología de las cámaras de televisión. Televisión había sido perseguido con prototipos primitivos durante décadas antes de la introducción de 1934 la primera cámara práctica. Cámaras de televisión de los primeros prototipos carecían de la sensibilidad. La tecnología fotomultiplicador se seguirse para permitir tubos de cámaras de televisión, tales como la iconoscope y la ortocón, para ser lo suficientemente sensible como para ser práctico. Así se estableció el escenario para combinar los fenómenos duales de fotoemisión con emisión secundaria, ambos de los cuales ya había sido estudiado y comprendido adecuadamente, para crear un fotomultiplicador práctica.

En primer lugar fotomultiplicador, de una sola etapa

La primera demostración fotomultiplicador documentada se remonta a principios de los años 1934 los logros de un grupo RCA con sede en Harrison, Nueva Jersey. Harley Iams y Bernard Salzberg fueron los primeros en integrar un cátodo fotoeléctrico-efecto y etapa de amplificación de la emisión secundaria solo en un sobre vacío y el primero en caracterizar su desempeño como fotomultiplicador con ganancia de amplificación electrónica. Estos logros se finalizaron antes de junio de 1934 como se detalla en el manuscrito presentado las Actas del Instituto de Ingenieros de Radio. El dispositivo consistía en un fotocátodo semi-cilíndrica, un emisor secundario montado en el eje, y una rejilla de colector que rodea el emisor secundario. El tubo tenía una ganancia de alrededor de ocho y funcionar a frecuencias muy por encima de 10 kHz.

Fotomultiplicadores magnéticos

Mayores ganancias se buscaron que las ofrecidas en los primeros fotomultiplicadores de una sola etapa. Sin embargo, es un hecho empírico que el rendimiento de electrones secundarios se limita en cualquier proceso de emisión secundaria dada, independientemente de la tensión de aceleración. Por lo tanto, cualquier fotomultiplicador de una sola etapa está limitado en la ganancia. En el momento de la máxima ganancia de la primera etapa que se pudo lograr fue de aproximadamente 10. Por esta razón, fotomultiplicadores de múltiples etapas, en el que el rendimiento de fotoelectrones se podría multiplicar sucesivamente en varias etapas, eran un objetivo importante. El reto consistía en hacer que los fotoelectrones de inciden sucesivamente electrodos de alto voltaje en lugar de viajar directamente al electrodo de alto voltaje. Inicialmente este desafío fue superado mediante el uso de campos magnéticos fuertes para doblar la trayectoria de los electrones. Tal esquema anterior había sido concebido por el inventor J. Slepian en 1919.

En consecuencia, las principales organizaciones

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