Los tubos fotomultiplicadores ( fotomultiplicadores o PMT para abreviar) son detectores extremadamente sensibles de luz en los rangos ultravioleta , visible y cercano al infrarrojo del espectro electromagnético . Son miembros de la clase de tubos de vacío , más específicamente fototubos de vacío . Estos detectores multiplican la corriente producida por la luz incidente hasta 100 millones de veces o 10 8 (es decir, 160 dB ), [1] en múltiples etapas de dínodo , lo que permite (por ejemplo) detectar fotones individuales cuando el flujo de luz incidente es bajo.
La combinación de alta ganancia , bajo ruido , alta respuesta de frecuencia o, equivalentemente, respuesta ultrarrápida y gran área de recolección ha mantenido a los fotomultiplicadores en un lugar esencial en la espectroscopia de bajo nivel de luz , microscopía confocal , espectroscopia Raman , espectroscopia de fluorescencia , física nuclear y de partículas , astronomía , diagnósticos médicos incluyendo análisis de sangre , imágenes médicas , escaneo de películas cinematográficas ( telecine ), interferencia de radar y escáneres de imágenes de alta gama conocidos como escáneres de tambor . Los elementos de la tecnología de fotomultiplicadores, cuando se integran de manera diferente, son la base de los dispositivos de visión nocturna . La investigación que analiza la dispersión de la luz , como el estudio de polímeros en solución, a menudo utiliza un láser y un PMT para recopilar los datos de luz dispersa.
Los dispositivos semiconductores , en particular los fotomultiplicadores de silicio y los fotodiodos de avalancha , son alternativas a los fotomultiplicadores clásicos; sin embargo, los fotomultiplicadores son especialmente adecuados para aplicaciones que requieren detección de luz con bajo nivel de ruido y alta sensibilidad que está colimada de manera imperfecta .
Los fotomultiplicadores se construyen típicamente con una carcasa de vidrio evacuado (que utiliza un sello de vidrio a metal extremadamente hermético y duradero como otros tubos de vacío ), que contiene un fotocátodo , varios dínodos y un ánodo . Los fotones incidentes golpean el material del fotocátodo , que generalmente es una fina capa conductora depositada por vapor en el interior de la ventana de entrada del dispositivo. Los electrones son expulsados de la superficie como consecuencia del efecto fotoeléctrico . Estos electrones son dirigidos por el electrodo de enfoque hacia el multiplicador de electrones , donde los electrones se multiplican mediante el proceso de emisión secundaria .
El multiplicador de electrones consta de una serie de electrodos llamados dínodos . Cada dínodo se mantiene a un potencial más positivo, en ≈100 voltios, que el anterior. Un electrón primario sale del fotocátodo con la energía del fotón entrante, o aproximadamente 3 eV para los fotones "azules", menos la función de trabajo del fotocátodo. Un pequeño grupo de electrones primarios se crea por la llegada de un grupo de fotones iniciales. (En la Fig. 1, el número de electrones primarios en el grupo inicial es proporcional a la energía del rayo gamma de alta energía incidente). Los electrones primarios se mueven hacia el primer dínodo porque son acelerados por el campo eléctrico. Cada uno llega con ≈100 eV de energía cinética impartida por la diferencia de potencial. Al chocar con el primer dínodo, se emiten más electrones de baja energía y estos electrones a su vez son acelerados hacia el segundo dínodo. La geometría de la cadena de dinodos es tal que se produce una cascada con un número exponencialmente creciente de electrones producidos en cada etapa. Por ejemplo, si en cada etapa se produce un promedio de 5 electrones nuevos por cada electrón entrante, y si hay 12 etapas de dinodos, entonces en la última etapa se espera que por cada electrón primario haya alrededor de 5 12 ≈ 10 8 electrones. Esta última etapa se llama ánodo . Esta gran cantidad de electrones que llegan al ánodo da como resultado un pulso de corriente agudo que es fácilmente detectable, por ejemplo en un osciloscopio, lo que indica la llegada del fotón o los fotones al fotocátodo ≈50 nanosegundos antes.
La distribución necesaria de voltaje a lo largo de la serie de dínodos se crea mediante una cadena divisora de voltaje, como se ilustra en la figura 2. En el ejemplo, el fotocátodo se mantiene a un alto voltaje negativo del orden de 1000 V, mientras que el ánodo está muy cerca del potencial de tierra. Los capacitores a lo largo de los últimos dínodos actúan como reservorios locales de carga para ayudar a mantener el voltaje en los dínodos mientras las avalanchas de electrones se propagan a través del tubo. En la práctica, se utilizan muchas variaciones de diseño; el diseño que se muestra es meramente ilustrativo.
Existen dos orientaciones comunes de fotomultiplicadores: el diseño frontal o de extremo (modo de transmisión), como se muestra arriba, donde la luz ingresa por la parte superior plana y circular del tubo y pasa por el fotocátodo, y el diseño lateral (modo de reflexión), donde la luz ingresa en un punto particular en el costado del tubo e impacta en un fotocátodo opaco. El diseño lateral se utiliza, por ejemplo, en el tipo 931, el primer fotomultiplicador de partículas fabricado en serie. Además de los diferentes materiales del fotocátodo, el rendimiento también se ve afectado por la transmisión del material de la ventana a través del cual pasa la luz y por la disposición de los dinodos. Hay muchos modelos de fotomultiplicadores disponibles que tienen varias combinaciones de estas y otras variables de diseño. Los manuales de los fabricantes brindan la información necesaria para elegir un diseño apropiado para una aplicación particular.
La invención del fotomultiplicador se basa en dos logros previos: los descubrimientos separados del efecto fotoeléctrico y de la emisión secundaria .
La primera demostración del efecto fotoeléctrico fue realizada en 1887 por Heinrich Hertz usando luz ultravioleta. [2] Importante para aplicaciones prácticas, Elster y Geitel dos años después demostraron el mismo efecto usando luz visible incidiendo sobre metales alcalinos (potasio y sodio). [3] La adición de cesio , otro metal alcalino , ha permitido que el rango de longitudes de onda sensibles se extienda hacia longitudes de onda más largas en la porción roja del espectro visible.
Históricamente, el efecto fotoeléctrico está asociado con Albert Einstein , quien se basó en el fenómeno para establecer el principio fundamental de la mecánica cuántica en 1905, [4] un logro por el cual Einstein recibió el Premio Nobel en 1921. Vale la pena señalar que Heinrich Hertz, trabajando 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 implicaba una naturaleza discreta de la luz, es decir, la existencia de cuantos , por primera vez.
El fenómeno de la emisión secundaria (la capacidad de los electrones en un tubo de vacío de provocar la emisión de electrones adicionales al chocar con un electrodo ) se limitó, al principio, a fenómenos y dispositivos puramente electrónicos (que carecían de fotosensibilidad ). En 1899, Villard fue el primero en informar sobre el efecto. [5] En 1902, Austin y Starke informaron que las superficies metálicas impactadas por haces de electrones emitían una mayor cantidad de electrones que los incidentes. [6] La aplicación de la recién descubierta emisión secundaria a la amplificación de señales fue propuesta recién después de la Primera Guerra Mundial por el científico de Westinghouse Joseph Slepian en una patente de 1919. [7]
Los ingredientes para la invención del fotomultiplicador se fueron uniendo durante la década de 1920 a medida que se aceleraba el ritmo de la tecnología de tubos de vacío. El objetivo principal de muchos, si no la mayoría, de los trabajadores era la necesidad de una tecnología de cámara de televisión práctica. La televisión se había estudiado con prototipos primitivos durante décadas antes de la introducción en 1934 de la primera cámara de vídeo práctica (el iconoscopio ). Los primeros prototipos de cámaras de televisión carecían de sensibilidad. La tecnología del fotomultiplicador se desarrolló para permitir que los tubos de las cámaras de televisión, como el iconoscopio y (más tarde) el orticón , fueran lo suficientemente sensibles como para ser prácticos. Así que el escenario estaba listo para combinar los fenómenos duales de la fotoemisión (es decir, el efecto fotoeléctrico) con la emisión secundaria , ambos ya estudiados y comprendidos adecuadamente, para crear un fotomultiplicador práctico.
La primera demostración documentada de un fotomultiplicador data de los logros de principios de 1934 de un grupo de RCA con sede en Harrison, Nueva Jersey. Harley Iams y Bernard Salzberg fueron los primeros en integrar un cátodo de efecto fotoeléctrico y una etapa de amplificación de emisión secundaria única en una única envoltura de vacío y los primeros en caracterizar su rendimiento como un fotomultiplicador con ganancia de amplificación de electrones. Estos logros se finalizaron antes de junio de 1934, como se detalla en el manuscrito enviado a Proceedings of the Institute of Radio Engineers (Proc. IRE). [8] El dispositivo consistía en un fotocátodo semicilíndrico , un emisor secundario montado en el eje y una rejilla colectora que rodeaba al emisor secundario. El tubo tenía una ganancia de aproximadamente ocho y funcionaba a frecuencias muy por encima de los 10 kHz.
Se buscaban ganancias mayores que las que se obtenían con los primeros fotomultiplicadores de una sola etapa. Sin embargo, es un hecho empírico que el rendimiento de los electrones secundarios está limitado en cualquier proceso de emisión secundaria, independientemente del voltaje de aceleración. Por lo tanto, cualquier fotomultiplicador de una sola etapa tiene una ganancia limitada. En ese momento, la ganancia máxima que se podía lograr en la primera etapa era de aproximadamente 10 (desarrollos muy significativos en la década de 1960 permitieron alcanzar ganancias superiores a 25 utilizando dínodos de afinidad electrónica negativa ). Por esta razón, los fotomultiplicadores de múltiples etapas, en los que el rendimiento de fotoelectrones se podía multiplicar sucesivamente en varias etapas, eran un objetivo importante. El desafío era hacer que los fotoelectrones incidieran en electrodos de voltaje sucesivamente más alto en lugar de viajar directamente al electrodo de voltaje más alto. Inicialmente, este desafío se superó utilizando campos magnéticos fuertes para doblar las trayectorias de los electrones. Un esquema de este tipo había sido concebido anteriormente por el inventor J. Slepian en 1919 (ver arriba). En consecuencia, las principales organizaciones de investigación internacionales dirigieron su atención hacia la mejora de los fotomultiplicadores para lograr una mayor ganancia con múltiples etapas.
En la URSS , el equipo de radio fabricado por RCA fue introducido a gran escala por Joseph Stalin para construir redes de transmisión, y el recién formado Instituto de Investigación Científica de Televisión de toda la Unión estaba preparando un programa de investigación en tubos de vacío que era avanzado para su tiempo y lugar. El personal científico de RCA realizó numerosas visitas a la URSS en la década de 1930, antes de la Guerra Fría , para instruir a los clientes soviéticos sobre las capacidades del equipo RCA e investigar las necesidades de los clientes. [9] Durante una de estas visitas, en septiembre de 1934, a Vladimir Zworykin de RCA se le mostró el primer fotomultiplicador de dínodos múltiples, o multiplicador de fotoelectrones . Este dispositivo pionero fue propuesto por Leonid A. Kubetsky en 1930 [10] y posteriormente construido en 1934. El dispositivo logró ganancias de 1000x o más cuando se demostró en junio de 1934. El trabajo se presentó para publicación impresa solo dos años después, en julio de 1936 [11] como se enfatiza en una publicación reciente de 2006 de la Academia Rusa de Ciencias (RAS), [12] que lo denomina "el tubo de Kubetsky". El dispositivo soviético usaba un campo magnético para confinar los electrones secundarios y se basaba en el fotocátodo Ag-O-Cs que había sido demostrado por General Electric en la década de 1920.
En octubre de 1935, Vladimir Zworykin , George Ashmun Morton y Louis Malter de la RCA en Camden, Nueva Jersey, presentaron su manuscrito que describía el primer análisis teórico y experimental integral de un tubo de dínodos múltiples (el dispositivo más tarde llamado fotomultiplicador [13] ) a Proc. IRE. Los fotomultiplicadores prototipo de la RCA también usaban un fotocátodo de Ag-O-Cs ( óxido de plata - cesio ). Exhibieron una eficiencia cuántica máxima de 0,4% a 800 nm .
Mientras que estos primeros fotomultiplicadores utilizaban el principio del campo magnético, los fotomultiplicadores electrostáticos (sin campo magnético) fueron demostrados por Jan Rajchman de RCA Laboratories en Princeton, Nueva Jersey, a fines de la década de 1930 y se convirtieron en el estándar para todos los fotomultiplicadores comerciales futuros. El primer fotomultiplicador producido en masa, el Tipo 931, fue de este diseño y todavía se produce comercialmente en la actualidad. [14]
También en 1936, P. Görlich informó sobre un fotocátodo muy mejorado, Cs 3 Sb ( cesio - antimonio ). [15] El fotocátodo de cesio-antimonio tenía una eficiencia cuántica drásticamente mejorada del 12% a 400 nm, y se utilizó en los primeros fotomultiplicadores comercialmente exitosos fabricados por RCA (es decir, el tipo 931) tanto como fotocátodo como material de emisión secundaria para los dínodos . Diferentes fotocátodos proporcionaron diferentes respuestas espectrales.
A principios de la década de 1940, el JEDEC (Joint Electron Device Engineering Council), un comité industrial sobre estandarización, desarrolló un sistema para designar respuestas espectrales. [16] La filosofía incluía la idea de que el usuario del producto solo debía preocuparse por la respuesta del dispositivo en lugar de por cómo se fabricaría el dispositivo. A varias combinaciones de materiales de fotocátodo y ventana se les asignaron "números S" (números espectrales) que iban desde S-1 hasta S-40, que todavía se utilizan en la actualidad. Por ejemplo, S-11 utiliza el fotocátodo de cesio-antimonio con una ventana de vidrio de cal, S-13 utiliza el mismo fotocátodo con una ventana de sílice fundida y S-25 utiliza un fotocátodo denominado "multialcalino" (Na-K-Sb-Cs, o sodio - potasio - antimonio - cesio ) que proporciona una respuesta extendida en la porción roja del espectro de luz visible. Hasta el momento no se han reportado superficies fotoemisivas adecuadas para detectar longitudes de onda mayores a aproximadamente 1700 nanómetros, a las que se puede llegar mediante un fotocátodo especial (InP/InGaAs(Cs)). [17]
Durante décadas, RCA fue responsable de realizar el trabajo más importante en el desarrollo y perfeccionamiento de fotomultiplicadores. RCA también fue en gran medida responsable de la comercialización de fotomultiplicadores. La empresa recopiló y publicó un Manual de fotomultiplicadores de confianza y ampliamente utilizado . [18] RCA proporcionó copias impresas gratuitas a pedido. El manual, que continúa estando disponible en línea sin costo por los sucesores de RCA, se considera una referencia esencial.
A raíz de una división corporativa a finales de los años 1980 que implicó la adquisición de RCA por parte de General Electric y la disposición de las divisiones de RCA a numerosos terceros, el negocio de fotomultiplicadores de RCA se convirtió en una empresa independiente.
La instalación de Lancaster, Pensilvania, fue inaugurada por la Marina de los EE. UU. en 1942 y operada por RCA para la fabricación de tubos de radio y microondas . Después de la Segunda Guerra Mundial , la instalación naval fue adquirida por RCA. RCA Lancaster, como se la conoció, fue la base para el desarrollo y la producción de productos de televisión comercial . En los años siguientes se agregaron otros productos, como tubos de rayos catódicos , tubos fotomultiplicadores, interruptores de control de luz con detección de movimiento y sistemas de televisión de circuito cerrado .
Burle Industries, como sucesora de RCA Corporation, continuó con el negocio de fotomultiplicadores de RCA a partir de 1986, con sede en las instalaciones de Lancaster, Pensilvania. La adquisición de RCA en 1986 por parte de General Electric dio como resultado la desinversión de la División de Nuevos Productos de RCA en Lancaster. Por lo tanto, 45 años después de su fundación por parte de la Marina de los EE. UU., su equipo directivo, dirigido por Erich Burlefinger, compró la división y en 1987 fundó Burle Industries.
En 2005, después de dieciocho años como empresa independiente, Burle Industries y una subsidiaria clave fueron adquiridas por Photonis, un holding europeo del Grupo Photonis. Tras la adquisición, Photonis quedó compuesta por Photonis Netherlands, Photonis France, Photonis USA y Burle Industries. Photonis USA opera el antiguo Galileo Corporation Scientific Detector Products Group ( Sturbridge, Massachusetts ), que había sido adquirido por Burle Industries en 1999. El grupo es conocido por los multiplicadores de electrones de detector de placa de microcanal (MCP), una versión de microtubo de vacío integrado de los fotomultiplicadores. Los MCP se utilizan para aplicaciones científicas y de imagen, incluidos los dispositivos de visión nocturna .
El 9 de marzo de 2009, Photonis anunció que cesaría toda producción de fotomultiplicadores en las plantas de Lancaster, Pensilvania, y de Brive, Francia. [19]
La empresa Hamamatsu Photonics (también conocida como Hamamatsu), con sede en Japón , ha surgido desde la década de 1950 como líder en la industria de los fotomultiplicadores. Hamamatsu, siguiendo la tradición de RCA, ha publicado su propio manual, que está disponible sin costo en el sitio web de la empresa. [20] Hamamatsu utiliza diferentes designaciones para formulaciones de fotocátodos particulares e introduce modificaciones en estas designaciones basadas en la investigación y el desarrollo patentados de Hamamatsu.
Los fotocátodos pueden estar hechos de una variedad de materiales, con diferentes propiedades. Típicamente los materiales tienen baja función de trabajo y por lo tanto son propensos a emisión termoiónica , causando ruido y corriente oscura, especialmente los materiales sensibles al infrarrojo; enfriar el fotocátodo reduce este ruido térmico. Los materiales de fotocátodo más comunes son [21] Ag-O-Cs (también llamado S1) modo de transmisión, sensible de 300 a 1200 nm. Alta corriente oscura; usado principalmente en infrarrojo cercano, con el fotocátodo enfriado; GaAs:Cs, arseniuro de galio activado con cesio , respuesta plana de 300 a 850 nm, desvaneciéndose hacia el ultravioleta y hasta 930 nm; InGaAs:Cs, arseniuro de galio indio activado con cesio, mayor sensibilidad al infrarrojo que GaAs:Cs, entre 900 y 1000 nm relación señal-ruido mucho mayor que Ag-O-Cs; Sb-Cs, (también llamado S11) antimonio activado con cesio , utilizado para fotocátodos de modo reflectante; rango de respuesta de ultravioleta a visible, ampliamente utilizado; bialcalino (Sb-K-Cs, Sb-Rb-Cs), aleación de antimonio-rubidio o antimonio-potasio activada con cesio, similar a Sb:Cs, con mayor sensibilidad y menor ruido. se puede utilizar para modo de transmisión; la respuesta favorable a los destellos del centelleador NaI:Tl los hace ampliamente utilizados en espectroscopia gamma y detección de radiación; bialcalino de alta temperatura (Na-K-Sb), puede operar hasta 175 °C, utilizado en registros de pozos , baja corriente oscura a temperatura ambiente; multialcalino (Na-K-Sb-Cs), (también llamado S20), amplia respuesta espectral de ultravioleta a infrarrojo cercano, el procesamiento especial del cátodo puede extender el rango a 930 nm, utilizado en espectrofotómetros de banda ancha ; ciego a la luz solar (Cs-Te, Cs-I), sensible a la radiación ultravioleta y al vacío, insensible a la luz visible y al infrarrojo (el Cs-Te tiene un corte a 320 nm, el Cs-I a 200 nm).
Las ventanas de los fotomultiplicadores actúan como filtros de longitud de onda; esto puede ser irrelevante si las longitudes de onda de corte están fuera del rango de aplicación o fuera del rango de sensibilidad del fotocátodo, pero se debe tener especial cuidado con las longitudes de onda poco comunes. El vidrio de borosilicato se usa comúnmente para el infrarrojo cercano a aproximadamente 300 nm. Los vidrios de borosilicato con alto contenido de borato también existen en versiones de alta transmisión UV con alta transmisión también a 254 nm. [22] El vidrio con un contenido muy bajo de potasio se puede usar con fotocátodos bialcalinos para reducir la radiación de fondo del isótopo potasio-40 . El vidrio ultravioleta transmite visible y ultravioleta hasta 185 nm. Se usa en espectroscopia. La sílice sintética transmite hasta 160 nm, absorbe menos UV que la sílice fundida. Diferente expansión térmica que el kovar (y que el vidrio de borosilicato que tiene una expansión coincidente con el kovar), se necesita un sello graduado entre la ventana y el resto del tubo. El sello es vulnerable a los choques mecánicos. El fluoruro de magnesio transmite la radiación ultravioleta hasta 115 nm. Es higroscópico , aunque menos que otros haluros alcalinos que se pueden utilizar en ventanas UV.
Los tubos fotomultiplicadores suelen utilizar de 1000 a 2000 voltios para acelerar los electrones dentro de la cadena de dínodos (consulte la figura cerca de la parte superior del artículo). El voltaje más negativo se conecta al cátodo y el voltaje más positivo se conecta al ánodo. A menudo se prefieren las fuentes de alimentación de alto voltaje negativo (con el terminal positivo conectado a tierra), porque esta configuración permite medir la fotocorriente en el lado de bajo voltaje del circuito para su amplificación por circuitos electrónicos posteriores que funcionan a bajo voltaje. Sin embargo, con el fotocátodo a alto voltaje, las corrientes de fuga a veces dan lugar a pulsos de "corriente oscura" no deseados que pueden afectar el funcionamiento. Los voltajes se distribuyen a los dínodos mediante un divisor de voltaje resistivo , aunque son posibles variaciones como diseños activos (con transistores o diodos ). El diseño del divisor, que influye en la respuesta de frecuencia o el tiempo de subida , se puede seleccionar para adaptarse a distintas aplicaciones. Algunos instrumentos que utilizan fotomultiplicadores tienen disposiciones para variar el voltaje del ánodo para controlar la ganancia del sistema.
Mientras están encendidos, los fotomultiplicadores deben estar protegidos de la luz ambiental para evitar su destrucción por sobreexcitación. En algunas aplicaciones, esta protección se logra mecánicamente mediante enclavamientos eléctricos o persianas que protegen el tubo cuando se abre el compartimento del fotomultiplicador. Otra opción es agregar protección contra sobrecorriente en el circuito externo, de modo que cuando la corriente del ánodo medida exceda un límite seguro, se reduzca el alto voltaje.
Si se utilizan en un lugar con campos magnéticos fuertes , que pueden curvar las trayectorias de los electrones, alejarlos de los dinodos y provocar una pérdida de ganancia, los fotomultiplicadores suelen estar protegidos magnéticamente por una capa de hierro dulce o mu-metal . Este blindaje magnético suele mantenerse al potencial del cátodo. Cuando este es el caso, el blindaje externo también debe estar aislado eléctricamente debido al alto voltaje que tiene. Los fotomultiplicadores con grandes distancias entre el fotocátodo y el primer dinodo son especialmente sensibles a los campos magnéticos. [21]
Los fotomultiplicadores fueron los primeros dispositivos oculares eléctricos que se utilizaron para medir interrupciones en los rayos de luz. Los fotomultiplicadores se utilizan junto con los centelleadores para detectar la radiación ionizante mediante instrumentos de protección radiológica portátiles y fijos, y la radiación de partículas en experimentos de física. [23] Los fotomultiplicadores se utilizan en laboratorios de investigación para medir la intensidad y el espectro de materiales emisores de luz, como semiconductores compuestos y puntos cuánticos . Los fotomultiplicadores se utilizan como detector en muchos espectrofotómetros . Esto permite un diseño de instrumento que escapa al límite de ruido térmico en la sensibilidad y que, por lo tanto, puede aumentar sustancialmente el rango dinámico del instrumento.
Los fotomultiplicadores se utilizan en numerosos diseños de equipos médicos. Por ejemplo, los dispositivos de análisis de sangre utilizados por los laboratorios médicos clínicos, como los citómetros de flujo , utilizan fotomultiplicadores para determinar la concentración relativa de varios componentes en las muestras de sangre, en combinación con filtros ópticos y lámparas incandescentes . En una cámara gamma se utiliza una matriz de fotomultiplicadores . Los fotomultiplicadores se utilizan normalmente como detectores en los escáneres de puntos móviles .
Después de 50 años, durante los cuales los componentes electrónicos de estado sólido han desplazado en gran medida al tubo de vacío, el fotomultiplicador sigue siendo un componente optoelectrónico único e importante. Quizás su cualidad más útil es que actúa, electrónicamente, como una fuente de corriente casi perfecta , debido al alto voltaje utilizado para extraer las pequeñas corrientes asociadas con las señales de luz débiles. No hay ruido de Johnson asociado con las corrientes de señal del fotomultiplicador, aunque se amplifiquen en gran medida, por ejemplo, 100 mil veces (es decir, 100 dB) o más. La fotocorriente todavía contiene ruido de disparo .
Las fotocorrientes amplificadas por fotomultiplicadores pueden ser amplificadas electrónicamente por un amplificador electrónico de alta impedancia de entrada (en la ruta de señal posterior al fotomultiplicador), lo que produce voltajes apreciables incluso para flujos de fotones casi infinitesimalmente pequeños. Los fotomultiplicadores ofrecen la mejor oportunidad posible para superar el ruido de Johnson para muchas configuraciones. Lo mencionado anteriormente se refiere a la medición de flujos de luz que, aunque pequeños, no por ello dejan de ser un flujo continuo de múltiples fotones.
Para flujos de fotones más pequeños, el fotomultiplicador puede funcionar en modo de conteo de fotones o Geiger (ver también Diodo de avalancha de fotón único ). En el modo Geiger, la ganancia del fotomultiplicador se establece tan alta (usando alto voltaje) que un solo fotoelectrón resultante de un solo fotón incidente en la superficie primaria genera una corriente muy grande en el circuito de salida. Sin embargo, debido a la avalancha de corriente, se requiere un reinicio del fotomultiplicador. En cualquier caso, el fotomultiplicador puede detectar fotones individuales. El inconveniente, sin embargo, es que no se cuentan todos los fotones incidentes en la superficie primaria, ya sea debido a una eficiencia menos que perfecta del fotomultiplicador o porque un segundo fotón puede llegar al fotomultiplicador durante el " tiempo muerto " asociado con un primer fotón y nunca ser detectado.
Un fotomultiplicador producirá una corriente pequeña incluso sin fotones incidentes; esto se denomina corriente oscura . Las aplicaciones de conteo de fotones generalmente requieren fotomultiplicadores diseñados para minimizar la corriente oscura.
Sin embargo, la capacidad de detectar fotones individuales que inciden sobre la superficie fotosensible primaria revela el principio de cuantificación que propuso Einstein . El conteo de fotones (como se lo denomina) revela que la luz, además de ser una onda, consta de partículas discretas (es decir, fotones ).
Se sabe que a temperaturas criogénicas los fotomultiplicadores muestran un aumento en la emisión de electrones (en explosión) a medida que la temperatura disminuye. Este fenómeno aún no ha sido explicado por ninguna teoría física . [24]
