O que é um tubo fotomultiplicador?

Um tubo fotomultiplicador usa dois princípios científicos para amplificar o efeito de um único fóton incidente. Eles são feitos em várias configurações diferentes de materiais sensíveis à luz e ângulos de luz incidentes para obter um alto ganho e uma resposta de baixo ruído em sua faixa de trabalho de frequências ultravioleta, visível e infravermelho próximo. Originalmente desenvolvido como uma câmera de televisão mais responsiva, os tubos fotomultiplicadores agora são encontrados em muitas aplicações.

Com a invenção dos semicondutores, os tubos a vácuo foram amplamente eliminados da indústria eletrônica, com exceção do tubo fotomultiplicador. Neste dispositivo, um único fóton passa através de uma janela ou placa frontal e afeta um fotocátodo, um eletrodo feito de um material fotoelétrico. Este material absorve a energia do fóton da luz em frequências específicas e emite elétrons em um resultado chamado efeito fotoelétrico.

Os efeitos desses elétrons emitidos são amplificados pelo uso do princípio de emissão secundária. Os elétrons emitidos pelo fotocatodo são focados no primeiro de uma série de placas multiplicadoras de elétrons chamadas dínodos. Em cada dínodo, os elétrons recebidos causam a emissão de elétrons adicionais. Um efeito em cascata ocorre e o fóton incidente foi amplificado ou detectado. Portanto, a base para o nome "fotomultiplicador", o sinal muito pequeno de um único fóton é reforçado até o ponto em que é facilmente detectável pelo fluxo de corrente do tubo fotomultiplicador.

As respostas espectrais do tubo fotomultiplicador são devidas principalmente a dois elementos de projeto. O tipo de janela determina quais fótons podem passar para o dispositivo. O material fotocatodo determina a resposta ao fóton. Outras variações no design incluem janelas montadas na extremidade do tubo ou janelas laterais onde o fluxo de fótons é refletido no fotocatodo. Como o ganho ou amplificação é limitado pelo processo de emissão secundária e não aumenta com o aumento da tensão de aceleração, foram desenvolvidos fotomultiplicadores de múltiplos estágios.

A resposta do fotocátodo depende da frequência de fótons incidentes, não do número de fótons recebidos. Se o número de fótons aumenta, a corrente elétrica gerada aumenta, mas a frequência dos elétrons emitidos é constante para qualquer combinação de janela-fotocatodo, resultado que Albert Einstein usou como evidência da natureza das partículas da luz.

O ganho de um tubo fotomultiplicador varia até 100 milhões de vezes. Essa propriedade, juntamente com o baixo ruído ou sinal injustificado, torna esses tubos de vácuo indispensáveis ​​na detecção de um número muito pequeno de fótons. Esse recurso de detecção é útil em astronomia, visão noturna, imagens médicas e outros usos. Versões de semicondutores estão em uso, mas o fotomultiplicador de tubo de vácuo é mais adequado para a detecção de fótons de luz que não são colimados, o que significa que os raios de luz não estão percorrendo caminhos paralelos entre si.

Os fotomultiplicadores foram desenvolvidos pela primeira vez como câmeras de televisão, que permitiam que a transmissão de televisão se movesse além das fotos de estúdio com luzes brilhantes para configurações mais naturais ou para reportagens no local. Embora tenham sido substituídos por dispositivos acoplados a carga (CCDs) nessa aplicação, os tubos fotomultiplicadores ainda são amplamente especificados. Grande parte do trabalho de desenvolvimento do tubo fotomultiplicador foi realizado pela RCA em instalações nos Estados Unidos e na antiga União Soviética na segunda metade do século XX. Nas décadas iniciais do século XXI, a maioria dos tubos fotomultiplicadores do mundo é fabricada por uma empresa japonesa, a Hamamatsu Photonics.

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