Cómo funcionan los tubos fotomultiplicadores y los detectores de matriz

Presentando un detector

Imagina que estás parado en una sala de conciertos. ¿Cómo detecta la música? Es posible que sienta las vibraciones de los instrumentos, pero lo más probable es que escuche la música con los oídos. Los oídos son detectores de sonido. Tus oídos captan las ondas sonoras y tu cerebro da sentido a la información que recibes.

Desafortunadamente, estás muy lejos en el pasillo, por lo que apenas puedes detectar la música. ¿Qué podrías hacer para escuchar mejor la música? Podrías acercarte o girar la cabeza hacia la música; esto ayudará un poco. ¡Bueno! La amplificación del sonido también ayudaría a sus oídos a detectar la música.

Ahora la gente que te rodea empieza a hablar. Esto está interfiriendo con la audición de la música. Se interpone en el camino; el ruido te está molestando. Una vez más, intentará alejarse del ruido o al menos filtrarlo para que pase a un segundo plano. Lo más importante que desea hacer es mejorar la capacidad de sus oídos para detectar la música. Y esto es lo que vamos a aprender en esta lección. No cómo mejorar su audición, sino cómo mejorar la detección de señales en técnicas espectroscópicas.

Detectores en espectroscopia

Quizás recuerdes que la espectroscopia es el estudio de cómo la luz interactúa con la materia. Nos permite descubrir la estructura de materiales desconocidos y se usa comúnmente en laboratorios de química de todo el mundo. Para que podamos hacer esto, debemos ser capaces de detectar la luz.

Un detector espectroscópico es un dispositivo que produce una señal eléctrica cuando es golpeado por fotones. Y un fotón es una partícula de luz que contiene una cantidad finita de energía, dependiendo de su frecuencia. Esta capacidad de convertir fotones en una señal medible es muy importante. La forma en que se convierten los fotones varía, pero los detectores se pueden dividir en dos tipos principales. El primer tipo aprovecha el efecto fotoeléctrico y el segundo tipo se basa en las propiedades de los semiconductores.

El efecto fotoeléctrico se puede describir simplemente como la observación de que muchos metales emiten electrones cuando la luz de alta energía los golpea. Estos electrones expulsados, o fotoelectrones, se recogen y miden como corriente eléctrica.

Un semiconductor , en pocas palabras, es un material que puede conducir electricidad de forma controlada. Los detectores basados ​​en semiconductores no expulsan fotoelectrones de la superficie de un metal. En cambio, los fotones absorbidos excitan y promueven electrones de la banda de valencia a la banda de conducción. Esta excitación da lugar a huecos que dejan los electrones. Esto permite que la corriente fluya a través del material, que se recoge y se mide.

Ahora, un detector perfecto podría convertir los fotones de energía en una señal eléctrica con una eficiencia del 100%. En otras palabras, el tamaño de la corriente producida es directamente proporcional al número de fotones que golpean el detector. Por desgracia, este no es el caso. Las limitaciones incluyen el rango de detección, el tiempo de respuesta del detector y el ruido. Al igual que nosotros escuchando música, el ruido exterior es un problema real. Todos los detectores generan pequeñas señales que no corresponden a la absorción de un fotón. El ruido no contiene ninguna información útil y, al igual que nuestros compañeros de concierto que hablan, puede interferir seriamente en lo que queremos detectar. Es importante saber que los detectores se pueden modificar para reducir el ruido al mínimo.

Ahora que entendemos básicamente cómo funcionan los detectores, echemos un vistazo a dos formas en que se pueden adaptar los detectores para mejorar el rendimiento.

Mejora de la detección: tubos fotomultiplicadores

El primer tipo de detector que consideraremos es el detector de fotocátodo. Este utiliza el efecto fotoeléctrico para generar una señal y funciona acelerando los fotones expulsados ​​hacia un ánodo. Los fotocátodos son detectores eficaces, pero su sensibilidad puede ser limitada. Para aumentar la sensibilidad, se usa un dispositivo llamado tubo fotomultiplicador (o PMT).

La principal ventaja de un tubo fotomultiplicador es que los fotoelectrones se amplifican mediante una cadena de dinodos. Se puede pensar en un dínodo como una superficie de metal que suelta fácilmente varios electrones cada vez que es golpeado por un electrón acelerado. Los electrones acelerados golpean un dinodo positivo, que desprende varios electrones del dinodo. Estos nuevos electrones se aceleran hacia el siguiente dinodo y se eliminan aún más electrones. Este proceso se repite varias veces y se recogen más de 1.000.000 de electrones por cada electrón que golpea la primera superficie.

Pequeña bola de nieve en la cima de la montaña.

Puedes pensar en esto como una bola de nieve rodando por la montaña. Aquí tenemos una pequeña bola de nieve en la cima de la montaña y luego comienza a rodar cuesta abajo. A medida que avanza, gana impulso y masa hasta que tienes una enorme bola de nieve en la parte inferior.

La bola de nieve gana impulso y masa a medida que rueda cuesta abajo.

Los PMT aumentan drásticamente la sensibilidad sin aumentar el ruido no deseado. Se pueden detectar y medir intensidades de luz extremadamente bajas. Los PMT funcionan bien con una amplia variedad de espectrómetros. Curiosamente, por más sensible que sea el fotomultiplicador, ¡el ojo humano es 10 veces más sensible!

Mejora de la detección: matriz de fotodiodos

Los detectores que contienen PMT escanean lentamente a través de un espectro una longitud de onda a la vez. Pero en una matriz de fotodiodos , todas las longitudes de onda se pueden medir rápidamente a la vez. Una matriz de fotodiodos se encuentra en detectores que usan semiconductores para recolectar una señal. Ahora, no voy a entrar en demasiados detalles aquí porque los semiconductores pueden volverse muy complicados. Pero necesitamos conocer los conceptos básicos para ver cómo funcionan estas matrices.

Un semiconductor consta de dos regiones: tipo n, que tiene un exceso de electrones cargados negativamente, y tipo p, que tiene un exceso de huecos cargados positivamente. Un diodo es la unión entre las dos regiones llamada unión pn. Los electrones cerca del diodo se desvían hacia la región de tipo p y los agujeros se desvían en sentido contrario. Esta deriva da como resultado una zona de agotamiento que tiene un campo eléctrico, lo que permite que la corriente fluya en una sola dirección.

Es posible manipular la deriva de los electrones y los huecos aplicando un potencial externo, o polarización, al diodo. También podemos controlar el tamaño y la dirección de la barrera potencial. Si se aplica algo llamado polarización inversa, los huecos se dibujan hacia la carga negativa y los electrones hacia la carga positiva. Esto tiene el efecto de ensanchar la zona de agotamiento, aumentar la barrera de potencial y evitar que fluyan corrientes. En cambio, la carga se almacena a ambos lados de la unión.

Podemos usar esto a nuestro favor. Cuando la luz incide en el semiconductor, se forman electrones libres y huecos que migran a su carga opuesta. A medida que estos pares de electrones y huecos se separan y aceleran en direcciones opuestas por el campo eléctrico, se produce una corriente; es esta corriente la que medimos.

Se pueden organizar varios detectores de fotodiodos en una matriz, conocida como matriz de fotodiodos (o PDA). Estos arreglos funcionan en paralelo, lo que permite la recopilación de muchos más datos con el mismo tiempo de respuesta. Los PDA se pueden sintonizar en diferentes longitudes de onda y son útiles en una amplia variedad de aplicaciones. Una gran desventaja de los PDA es que no son tan efectivos para detectar cantidades muy pequeñas de fotones en comparación con los tubos fotomultiplicadores.

Resumen de la lección

En esta lección, ha aprendido que en espectroscopia, un detector produce señales eléctricas cuando la luz incide sobre él.

Los detectores se pueden dividir en dos tipos principales. Uno usa el efecto fotoeléctrico , que es la observación de que muchos metales emiten electrones cuando la luz de alta energía los golpea. Y el segundo tipo utiliza un semiconductor , un material que puede conducir la electricidad de forma controlada.

Es importante maximizar la señal detectada y discutimos dos formas diferentes de hacerlo. La primera es utilizar un tubo fotomultiplicador , donde los fotoelectrones se amplifican mediante una cadena de dinodos. Los PMT aumentan drásticamente la sensibilidad sin aumentar el ruido no deseado. Funcionan bien en intensidades de poca luz y tienen una amplia variedad de usos.

La segunda forma discutida fue la matriz de fotodiodos , que se encuentra en los espectrómetros de semiconductores. Los PDA miden todas las longitudes de onda a la vez, lo que nos proporciona tiempos de adquisición más rápidos y una buena relación señal-ruido. Una desventaja es que no son tan efectivos para detectar cantidades muy pequeñas de fotones en comparación con los tubos fotomultiplicadores.

Los resultados del aprendizaje

Debería tener la capacidad de hacer lo siguiente después de esta lección:

• Recuerde el propósito de un detector en espectroscopia.
• Describe los dos tipos principales de detectores.
• Explica dos formas de maximizar la señal que se detecta.