¿Qué es un tubo fotomultiplicador?
Un tubo fotomultiplicador utiliza dos principios científicos para amplificar el efecto de un solo fotón incidente. Se fabrican en muchas configuraciones diferentes de materiales sensibles a la luz y ángulos de luz incidente para lograr una alta ganancia y una respuesta de bajo ruido en su rango de trabajo de frecuencias ultravioleta, visibles e infrarrojas cercanas. Originalmente desarrollado como una cámara de televisión más receptiva, los tubos fotomultiplicadores ahora se encuentran en muchas aplicaciones.
Con la invención de los semiconductores, los tubos de vacío se han eliminado en gran medida de la industria electrónica, con la excepción del tubo fotomultiplicador. En este dispositivo, un solo fotón pasa a través de una ventana o placa frontal e impacta un fotocatodo, un electrodo hecho de un material fotoeléctrico. Este material absorbe la energía del fotón de la luz a frecuencias específicas y emite electrones en un resultado llamado efecto fotoeléctrico.
Los efectos de estos electrones emitidos se amplifican mediante el uso del principio de emisión secundaria. Los electrones emitidos por el fotocátodo se enfocan en la primera de una serie de placas multiplicadoras de electrones llamadas dinodos. En cada dinodo, los electrones entrantes hacen que se emitan electrones adicionales. Se produce un efecto en cascada y el fotón incidente se ha amplificado o detectado. Por lo tanto, la base del nombre "fotomultiplicador", la señal muy pequeña de un solo fotón se fortalece hasta el punto en que es fácilmente detectable por el flujo de corriente del tubo fotomultiplicador.
Las respuestas espectrales del tubo fotomultiplicador se deben principalmente a dos elementos de diseño. El tipo de ventana determina qué fotones pueden pasar al dispositivo. El material del fotocatodo determina la respuesta al fotón. Otras variaciones en el diseño incluyen ventanas montadas en el extremo del tubo o ventanas laterales donde la corriente de fotones rebota en el fotocátodo. Como la ganancia o amplificación está limitada por el proceso de emisión secundaria y no aumenta con el aumento del voltaje de aceleración, se desarrollaron fotomultiplicadores de etapas múltiples.
La respuesta del fotocátodo depende de la frecuencia del fotón incidente, no del número de fotones recibidos. Si aumenta el número de fotones, la corriente eléctrica generada aumenta, pero la frecuencia de los electrones emitidos es constante para cualquier combinación de ventana-fotocatodo, un resultado que Albert Einstein utilizó como evidencia de la naturaleza de las partículas de la luz.
La ganancia de un tubo fotomultiplicador varía hasta 100 millones de veces. Esta propiedad, junto con la señal de bajo ruido o injustificada, hace que estos tubos de vacío sean indispensables para detectar cantidades muy pequeñas de fotones. Esta capacidad de detección es útil en astronomía, visión nocturna, imágenes médicas y otros usos. Las versiones de semiconductores están en uso, pero el fotomultiplicador de tubo de vacío es más adecuado para la detección de fotones de luz que no están colimados, lo que significa que los rayos de luz no están viajando caminos paralelos entre sí.
Los fotomultiplicadores se desarrollaron por primera vez como cámaras de televisión, lo que permitió que la transmisión televisiva fuera más allá de las tomas de estudio con luces brillantes a entornos más naturales o informes en el sitio. Si bien se han reemplazado con dispositivos de carga acoplada (CCD) en esa aplicación, los tubos fotomultiplicadores todavía están ampliamente especificados. Gran parte del trabajo de desarrollo en el tubo fotomultiplicador fue realizado por RCA en instalaciones en los Estados Unidos y la antigua Unión Soviética en la segunda mitad del siglo XX. En las primeras décadas del siglo XXI, la mayoría de los tubos fotomultiplicadores del mundo son fabricados por una empresa japonesa, Hamamatsu Photonics.