Tubo Fotomultiplicador

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Tubo Fotomultiplicador Eduardo C. Martínez. 1 1 Departamento de Física, ESFM-IPN, México D.F., México. (Entrega 22 octubre de 2015) La detección de emisiones de luz de muy baja intensidad empleada espectroscopia sería relativamente imposible sin el diseño de instrumentos y dispositivos que permiten convertir la salida de un haz de luz débil proveniente de un pulso, en una señal eléctrica medible. En este contexto los tubos fotomultiplicadores cumplen con esta tarea, convirtiendo señales de luz conformadas típicamente por no más que unos cientos de fotones en un pulso de corriente utilizable sin añadir ruido aleatorio a la señal. El objetivo general del reporte experimental está centrado en el análisis de la respuesta espectral de un tubo fotomultiplicador; factor dependiente de la longitud de onda de la fuente emisora de luz. Por otro lado es sustancial exhibir la importancia que tiene la señal de salida del fotomultiplicador; para ello nos dimos a la tarea de medir la señal de salida al variar el voltaje acelerador dentro de los dinodos que componen el fotomultiplicador en un intervalo de −210 ≤ ≤ −1100. I. INTRODUCCIÓN Comenzaremos este estudio, en primera instancia dando respuesta a los siguientes cuestionamientos: ¿Qué es un tubo fotomultiplicador?, ¿Cuáles son sus alcances y aplicaciones?; en este contexto podemos establecer que: Llamamos fotomultiplicador o tubo fotomultiplicador a un tipo especial de detector óptico de vacío, el cual aprovecha el efecto de emisión secundaria de electrones respondiendo así a niveles muy bajos de emisión de luz. (Knoll, Third Edition) A. COMPONENETES DEL FOTOMULTIPLICADOR El tubo fotomultiplicador consta de los siguientes elementos: Un fotocátodo 1 emisor de electrones, el cual reacciona a la incidencia de fotones sobre su superficie, un campo eléctrico acelerador de electrones 1 Un Fotocátodo es un dispositivo sensible a la emisión de luz, formado por una capa metálica (Na, Cs o Sb) sobre una base de cuarzo o vidrio, el cual descarga electrones cuando se ve expuesto a cierta intensidad de luminosidad. Los electrones libres de la capa metálica absorben la energía de los fotones emitidos por alguna fuente de luz desprendiéndose del metal; a este proceso le denominamos fotoemisión. El número de electrones emitidos por el fotocátodo es directamente proporcional a la cantidad de luz que incide en él. Por lo tanto, el número de electrones es directamente proporcional a la cantidad de fotones incidentes. cuya función es dirigir hacia el ánodo 2 los electrones emitidos en el cátodo; es importante señalar que el campo eléctrico al que se hace referencia, es generado por medio de una fuente de voltaje. La energía de los electrones incidentes provoca la emisión un número mayor de electrones secundarios que son dirigidos hacia un segundo dinodo. El número de dinodos y su disposición varía de acuerdo al modelo del fotomultiplicador. Fig. 1. B. OPERACIÓN DEL TUBO FOTOMULTIPLICADOR Cuando un fotón emitido por una fuente de luz incide sobre el fotocátodo, este provoca la emisión de un electrón por efecto fotoeléctrico. Dicho electrón es focalizado por una serie de electrodos y acelerado por una diferencia de potencial originada mediante una fuente de voltaje, hasta chocar contra el primer dinodo. 2 Se denomina dinodo a cada uno de los electrodos que componen un tubo fotomultiplicador. La carga que soporta cada dinodo comparada con su predecesor es aproximadamente de 100 voltios de tal forma, que cuando el fotocátodo del tubo recibe un fotón, este consecuentemente emite un electrón; en este sentido el electrón es dirigido al primer dinodo, el cual recibe el impacto del electrón en su superficie, emitiendo un electrón más en un proceso secundario, a su vez más electrones emitidos serán dirigidos al siguiente dinodo. Así sucesivamente hasta llegar al ánodo receptor. De esta forma, son capaces de aumentar hasta un millón de veces la pequeña corriente emitida por el fotocátodo, produciéndose de 10 5 a 10 7 electrones por cada fotón incidente. (Antonio)

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Page 1: Tubo Fotomultiplicador

Tubo Fotomultiplicador

Eduardo C. Martínez.1

1Departamento de Física, ESFM-IPN, México D.F., México.

(Entrega 22 octubre de 2015)

La detección de emisiones de luz de muy baja intensidad empleada espectroscopia sería relativamente

imposible sin el diseño de instrumentos y dispositivos que permiten convertir la salida de un haz de luz

débil proveniente de un pulso, en una señal eléctrica medible. En este contexto los tubos fotomultiplicadores

cumplen con esta tarea, convirtiendo señales de luz conformadas típicamente por no más que unos cientos

de fotones en un pulso de corriente utilizable sin añadir ruido aleatorio a la señal.

El objetivo general del reporte experimental está centrado en el análisis de la respuesta espectral de un tubo

fotomultiplicador; factor dependiente de la longitud de onda de la fuente emisora de luz. Por otro lado es

sustancial exhibir la importancia que tiene la señal de salida del fotomultiplicador; para ello nos dimos a la

tarea de medir la señal de salida al variar el voltaje acelerador dentro de los dinodos que componen el

fotomultiplicador en un intervalo de −210 ≤ 𝑉 ≤ −1100.

I. INTRODUCCIÓN

Comenzaremos este estudio, en primera instancia

dando respuesta a los siguientes cuestionamientos: ¿Qué es

un tubo fotomultiplicador?, ¿Cuáles son sus alcances y

aplicaciones?; en este contexto podemos establecer que:

Llamamos fotomultiplicador o tubo fotomultiplicador a

un tipo especial de detector óptico de vacío, el cual

aprovecha el efecto de emisión secundaria de

electrones respondiendo así a niveles muy bajos de emisión

de luz. (Knoll, Third Edition)

A. COMPONENETES DEL FOTOMULTIPLICADOR

El tubo fotomultiplicador consta de los siguientes

elementos: Un fotocátodo1 emisor de electrones, el cual

reacciona a la incidencia de fotones sobre su

superficie, un campo eléctrico acelerador de electrones

1 Un Fotocátodo es un dispositivo sensible a la emisión de luz, formado

por una capa metálica (Na, Cs o Sb) sobre una base de cuarzo o vidrio, el

cual descarga electrones cuando se ve expuesto a cierta intensidad

de luminosidad.

Los electrones libres de la capa metálica absorben la energía de

los fotones emitidos por alguna fuente de luz desprendiéndose del metal;

a este proceso le denominamos fotoemisión. El número de electrones emitidos por el fotocátodo es directamente proporcional a la cantidad de

luz que incide en él. Por lo tanto, el número de electrones es directamente

proporcional a la cantidad de fotones incidentes.

cuya función es dirigir hacia el ánodo2 los electrones

emitidos en el cátodo; es importante señalar que el campo

eléctrico al que se hace referencia, es generado por medio

de una fuente de voltaje. La energía de los electrones

incidentes provoca la emisión un número mayor de

electrones secundarios que son dirigidos hacia un segundo

dinodo. El número de dinodos y su disposición varía de

acuerdo al modelo del fotomultiplicador. Fig. 1.

B. OPERACIÓN DEL TUBO FOTOMULTIPLICADOR

Cuando un fotón emitido por una fuente de luz incide

sobre el fotocátodo, este provoca la emisión de un electrón

por efecto fotoeléctrico. Dicho electrón es focalizado por

una serie de electrodos y acelerado por una diferencia de

potencial originada mediante una fuente de voltaje, hasta

chocar contra el primer dinodo.

2 Se denomina dinodo a cada uno de los electrodos que componen un tubo

fotomultiplicador. La carga que soporta cada dinodo comparada con su predecesor es aproximadamente de 100 voltios de tal forma, que cuando

el fotocátodo del tubo recibe un fotón, este consecuentemente emite

un electrón; en este sentido el electrón es dirigido al primer dinodo, el cual recibe el impacto del electrón en su superficie, emitiendo un electrón más

en un proceso secundario, a su vez más electrones emitidos serán dirigidos

al siguiente dinodo. Así sucesivamente hasta llegar al ánodo receptor. De esta forma, son capaces de aumentar hasta un millón de veces la pequeña

corriente emitida por el fotocátodo, produciéndose de 105 a 107 electrones

por cada fotón incidente. (Antonio)

Page 2: Tubo Fotomultiplicador

Este fenómeno provoca la emisión de más electrones,

que nuevamente son acelerados hasta chocar contra el

siguiente dinodo.

El fenómeno descrito se repite varias veces,

aumentando el número de electrones participantes. En este

sentido, al final del proceso la corriente se recolecta en el

ánodo. Fig. 2.

Para que el proceso se lleve a cabo adecuadamente debe

hacerse en un espacio vacío ya que de otra manera los

electrones podrían perderse en el camino; además de

requerir el empleo de una fuente de alta tensión que

establezca la diferencia de potencial necesaria para

transportar los electrones desprendidos de los dinodos a su

destino final en el ánodo colector. Para distribuir el voltaje

proporcionado por la fuente de alta tensión a los diferentes

dinodos es necesario emplear un circuito divisor de tensión

contenido en la base, acoplada al tubo fotomultiplicador.

(Anadón, 2011)

II. DESARROLLO TEÓRICO

La conversión de fotones de luz incidente en electrones

puede plantearse en tres etapas secuenciales principales:

3 Una propiedad sumamente importante de los fotocátodos, es la

denominada barrera de potencial superficial, cuya influencia se ve

inducida en el ruido termiónico.

La conducción normal de electrones adentro del material del fotocátodo siempre tendrá un mínimo energía cinética térmica la cual a

1. Absorción de un fotón incidente y transferencia

de energía a un electrón dentro del material

fotoemisivo. Fig. 3.

2. Migración del electrón a la superficie.

3. Escape del electrón de la superficie del

fotocátodo3.

A. LA EFICIENCIA CUÁNTICA Y LA EMISIÓN

SECUNDARIA DE ELECTRONES

La respuesta de los fotocátodos se mide comúnmente y

con un relevante significado en términos de la eficiencia

cuántica (EC) del fotocátodo. En este sentido, podemos

establecer que la eficiencia cuántica se define simplemente

como:

𝐸𝑄 =𝑁𝑜. 𝑑𝑒 𝑓𝑜𝑡𝑜𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡𝑟𝑜𝑛𝑒𝑠 𝑒𝑚𝑖𝑡𝑖𝑑𝑜𝑠

𝑁𝑜. 𝑑𝑒 𝑓𝑜𝑡𝑜𝑛𝑒𝑠 𝑖𝑛𝑐𝑖𝑑𝑒𝑛𝑡𝑒𝑠

Si consideramos un fotocátodo ideal, la eficiencia cuántica

sería de 100%. Comúnmente los fotocátodos de uso

comercial tienen una eficiencia cuántica máxima entre un

20 y 30%. (Vázquez, 2015)

Por tanto la eficiencia cuántica de cualquier fotocátodo

será fuertemente una función de la longitud de onda o la

energía cuántica de la luz incidente.

temperatura ambiente, tendrá un valor aproximado a 0.025 eV. Si un electrón se encuentra cerca de la superficie del metal, este puede escapar

dando lugar a una señal inducida térmicamente espontánea.

En los metales, la tasa de emisión térmica es relativamente baja, del

orden de (≈ 100 𝑚2 ∗ 𝑠), esto se debe a que posee un potencial de

barrera alto.

Fig. 1. Los fototubos multiplicadores de electrones, o tubos fotomultiplicadores, son una combinación de un cátodo fotoemisor y

una cadena interna de dinodos multiplicadores de electrones. La

radiación incidente expulsa fotoelectrones del cátodo que son enfocados por un campo electrostático y acelerados hacia un electrodo curvo, que

corresponde al primer dinodo, el cual está recubierto por un material que

expulsa varios electrones como resultado del impacto de un electrón de alta energía. La forma redondeada que tienen los dinodos hace

converger a los electrones sobre el siguiente dinodo.

Fig. 2. Un dinodo conforma el sistema de multiplicación de electrones. La gran sensibilidad de los tubos fotomultiplicadores (consiste en

amplificación de corriente y relación señal ruido altas) es debida al uso

de tal sistema, que permite el proceso de emisión secundaria.

Page 3: Tubo Fotomultiplicador

Cuando un grupo de electrones son acelerados desde el

fotocátodo y llevados a chocar la superficie de un dinodo,

si consideramos un material lo suficiente mente eficiente

para la fabricación del dinodo, entonces la energía

depositada por el electrón incidente puede resultar en la

reemisión de más de un electrón desde la superficie. El

proceso de emisión secundaria de electrones es similar al

proceso descrito anteriormente; en este caso los electrones

dentro del material del dinodo son excitados por el paso de

un electrón energético en vez de un fotón óptico. Los

electrones desprendidos del fotocátodo tienen una energía

aproximada de ∼ 1 eV. Por lo tanto, si el primer dinodo

tiene unos cuantos cientos de voltios positivos, la energía

cinética de los electrones al llegar al dinodo está

determinada por el voltaje de aceleración. Fig. 4.

B. APLICACIONES DE FOTOMULTIPLICADORES

Medicina Nuclear

Sin lugar a dudas la radiactividad es uno de los

fenómenos físicos que presenta mayor aplicación en

materia de medicina moderna; a este campo de estudio se

conoce como medicina nuclear. Muestra de ello se presenta

al incorporar una serie de detectores de centelleo Fig. 5;

usado con frecuencia en medicina nuclear. El componente

principal del detector es un cristal de Nal:T1 relativamente

sensible a cualquier emisión de fotones, por lo que debe ser

protegido de la radiación ambiental o radiación de fondo;

4 La velocidad de la luz depende del medio, y alcanza su valor máximo

en el vacío. El valor de la velocidad de la luz en el vacío no puede

superarse, pero sí en un medio en el que ésta es forzosamente inferior.

en este sentido el dispositivo está dotado de una cubierta o

armadura de plomo de 5 cm de espesor en algunos casos.

A la estructura únicamente se deja una abertura la cual

servirá para recolectar información. La intensidad de

centelleo producida en el cristal es proporcional a la

energía de la radiación gamma detectada. Los electrones

emitidos en el fotocátodo producen un pulso eléctrico de

salida, que es amplificado mediante el tubo

fotomultiplicador, a fin de ser medido de donde se

determina la energía del rayo gamma que lo causó.

(Escobar, 2004)

Radiación Cherenkov

Otra aplicación directa relacionada con el uso de

detectores a partir de fotomultiplicadores es en lo que hoy

en día se conoce como radiación de Cherenkov. La cual es

una radiación de tipo electromagnético producida por el

paso de partículas cargadas eléctricamente en un

determinado medio a velocidades superiores a las de la luz

en ese medio4.

Fig. 3. La energía que puede ser transferida del fotón al electrón en el

primer paso está dada por la energía cuántica del fotón 𝐸 = ℎ𝜈. Misma que se perderá debido a las colisiones de electrón-electrón, en

el segundo paso.

Fig. 4. Configuraciones para algunos tipos comunes de

fotomultiplicadores. (a) Estructura lineal enfocada. (b) Red circular. (c)

Persiana veneciana. (d) Caja y red. La sección multiplicadora de electrones en un fotomultiplicador proviene de una geometría de

colección eficiente para los fotoelectrones, y sirve como un amplificador

casi ideal para incrementar en altas cantidades su número.

Fig. 5. Lo que puede ser detectado, depende del tipo de material

radiactivo que se use. Para huesos deben usarse iones que puedan introducirse y queden atrapados en ellos. Si el problema es en riñones o

cerebro, deben utilizarse los iones radiactivos adecuados para cada caso.

Page 4: Tubo Fotomultiplicador

A partir de la Radiación de Cherenkov, los rayos

cósmicos provenientes del Universo compuestos por

partículas cargadas principalmente, inciden sobre los

átomos y moléculas de la atmósfera del planeta,

produciendo así una cascada compuesta a su vez de una

gran variedad de muchas más partículas generalmente

cargadas eléctricamente. En este sentido, las partículas

producidas inciden directamente en las moléculas de los

principales componentes de la atmosfera terrestre

(nitrógeno y oxígeno), con lo que se genera un fenómeno

de ionización entre los átomos y moléculas de los gases que

se encuentran a su paso, las cuales, al regresar a su estado

base o estado de equilibrio, emiten radiación Cherenkov.

Lo que significa que la radiación Cherenkov se origina a

partir de las moléculas de la atmósfera quienes funcionan

como dieléctrico emitiendo radiación, no las partículas

incidentes, provenientes del espacio.

El efecto Cherenkov tiene grandes aplicaciones, sobre

todo en detectores de partículas donde el efecto es utilizado

como traza particularmente en la detección

de neutrinos en agua pesada por ejemplo el Super-

Kamiokande5 en Japón. Fig. 6. o el observatorio de rayos

gamma HAWC en México.

5 El Super-Kamiokande, o Super-K, es un observatorio de

neutrinos localizado en Japón. El observatorio fue diseñado para estudiar los neutrinos solares y atmosféricos, y para detectar el decaimiento de

protones y neutrinos provenientes de supernovas en cualquier parte de

nuestra galaxia.

Mismos que usan como base este principio; detectan la

luz Cherenkov producida en la atmósfera terrestre

generada por la llegada de rayos gamma de muy alta

energía procedentes del espacio. Los rayos gamma no

tienen carga eléctrica, pero al incidir con los átomos de la

atmósfera terrestre se produce una cascada de partículas

cargada eléctricamente.

III. MÉTODO EXPERIMENTAL

Para realizar el experimento, utilizamos el siguiente

equipo: Lámpara incandescente de Tungsteno (W) para

baja potencia, filtro colimador, lente colimador

convergente, riel de alienación, monocromador

Instruments S.A., tubo fotomultiplicador Hamamatsu

Photomultiplier tube 1P28, fuente de voltaje variable,

Electrómetro Keithley Instruments 610C Solid State,

Graficadora Servogor 780 Gperz ABB Metrawatt. Fig. 7.

El experimento se llevó a cabo básicamente en tres

etapas; las dos primeras corresponden a los objetivos

planteados al principio del trabajo, donde se hace

referencia a la respuesta espectral del fotomultiplicador así

como a la señal de salida. La etapa final consistió en un

arreglo para el cual se incorporó la graficadora con objeto

de obtener una representación gráfica de las señales

medidas en los dos primeros casos.

i. Respuesta Espectral: En esta fase experimental, así

como en las etapas siguientes, procuramos calibrar

adecuadamente el instrumental de medición. En

primera instancia, se procedió a verificar los ceros del

electrómetro, es importante señalar que previo al

desarrollo experimental el electrómetro tiene una

respuesta efectiva 15 minutos después de haberse

encendido. Con ayuda del filtro y la lente colimadora,

se alineo el haz de emisión de la lámpara de tungsteno

de forma tal que se observara la mayor intensidad e

incidencia de luz en la rendija del monocromador; para

ello tomamos como base una longitud de onda de 530

nm, observable a la salida del monocromador.

El Super-K está localizado a 1.000 m bajo tierra en la mina de Mozumi, propiedad de la compañía Kamioka Mining and Smelting Co. en la ciudad

de Hida antiguamente conocida como Kamioka,

en Gifu, Japón. (Observatory, 2015)

Fig. 6. El Súper-K es un tanque de agua repleto de tubos

fotomultiplicadores (photo-multiplier-tubes, o PMTs), cuya misión es

detectar astropartículas basándose en la emisión de luz Cherenkov en el

agua. Está ubicado en Japón, a 15 minutos en coche del Instituto de

Investigación de Rayos Cósmicos (Isla de Honshuu).

Page 5: Tubo Fotomultiplicador

Consola

Filtro colimador

Lente colimador

convergente

Monocromador

Tubo

Fotomultiplicador

Fuente de voltaje

Electrómetro

Fig. 7. Arreglo experimental. Respuesta espectral, señal de salida y respuesta gráfica.

Una vez calibrado el equipo se colocó el tubo

fotomultiplicador a la salida del monocromador. Para

evitar la incidencia de luz externa, el arreglo se cubrió con

una tela obscura, a fin de evitar el paso de luz de fuentes

externas. Antes de iniciar el experimento, realizamos

algunas pruebas de respuesta del fotomultiplicador a

diferentes longitudes de onda, comenzando con la de

menor longitud (150 nm) hasta la de mayor dimensión (750

nm).

Utilizando el monocromador en modo manual,

aplicamos una variación gradual de la longitud de onda en

un intervalo de 150 𝑛𝑚 ≤ 𝜆 ≤ 750𝑛𝑚, manteniendo un

voltaje fijo 900 V en el fotomultiplicador. En este sentido

de observo la variación de la corriente en el ánodo colector;

obteniendo así la información que se muestra en la Tabla I.

ii. Verificación de la señal de salida del fotomultiplicador:

Para desarrollar el segundo objetivo, se mantuvo fija

ahora, la longitud de onda 𝜆 = 530 𝑛𝑚; la cual

corresponde a la longitud máxima de respuesta del

fotomultiplicador. De acuerdo al planteamiento anterior

aplicamos una variación de voltaje, en un intervalo de

−250 𝑉𝑜𝑙𝑡𝑠 ≤ 𝑉 ≤ −1100 𝑉𝑜𝑙𝑡𝑠.

Centramos nuestra atención en registrar la respuesta

del fotomultiplicador respecto a la intensidad de corriente,

particularmente del ánodo colector de electrones a el

aumento gradual de voltaje administrado al arreglo dinodal

del dispositivo. La información medida se encuentra en la

Tabla II del reporte.

iii. Arreglo experimental, incorporando una graficadora:

Apoyando nuestro trabajo experimental mediante un

graficador electrónico; repetimos los procedimientos

descritos en los puntos anteriores.

TABLA II. Datos correspondientes a la segunda fase

experimental (variación de voltaje contra corriente de

respuesta observada).

V [V] i [A] V [V] i [A] V [V] i [A]

-250 1,10 -540 1,90 -830 4,70

-260 1,30 -550 2,20 -840 5,10

-270 1,60 -560 2,50 -850 5,50

-280 1,90 -570 2,80 -860 6,00

-290 2,30 -580 3,10 -870 6,60

-300 2,80 -590 3,60 -880 7,00

-310 3,30 -600 4,00 -890 7,70

-320 4,20 -610 4,60 -900 8,20

-330 5,00 -620 5,30 -910 8,90

-340 6,00 -630 5,90 -920 9,50

-350 7,40 -640 6,60 -930 1,10

-360 8,90 -650 7,30 -940 1,20

-370 1,10 -660 8,30 -950 1,30

-380 1,35 -670 9,40 -960 1,38

-390 1,60 -680 1,10 -970 1,48

-400 2,00 -690 1,25 -980 1,53

-410 2,35 -700 1,40 -990 1,62

-420 2,70 -710 1,50 -1000 1,75

-430 3,20 -720 1,70 -1010 1,90

-440 3,80 -730 1,90 -1020 2,00

-450 4,50 -740 2,00 -1030 2,12

-460 5,30 -750 2,30 -1040 2,30

-470 6,20 -760 2,50 -1050 2,40

-480 7,40 -770 2,70 -1060 2,50

-490 8,60 -780 3,00 -1070 2,70

-500 1,10 -790 3,30 -1080 2,90

-510 1,20 -800 3,60 -1090 3,10

-520 1,40 -810 3,90 -1100 3,30

-530 1,60 -820 4,30

Page 6: Tubo Fotomultiplicador

TABLA I. Datos obtenidos de la primera fase experimental

(Longitud de onda contra corriente de respuesta

observada).

Longitud de

onda [λ] i [x106] [3x102]

Longitud

de onda [λ] i [x106] [3x102]

150 0,50 450 2,70

160 0,50 460 3,10

170 0,50 470 3,50

180 0,50 480 3,90

190 0,50 490 4,20

200 0,50 500 4,50

210 0,50 510 4,90

220 0,50 520 5,30

230 0,50 530 5,30

240 0,50 540 5,20

250 0,50 550 4,90

260 0,50 560 4,60

270 0,50 570 4,20

280 0,50 580 3,60

290 0,50 590 2,80

300 0,50 600 2,00

310 0,50 610 1,60

320 0,50 620 1,30

330 0,50 630 1,10

340 0,50 640 0,90

350 0,60 650 0,80

360 0,80 660 0,70

370 0,90 670 0,60

380 1,00 680 0,55

390 1,00 690 0,50

395 1,00 700 0,50

400 1,10 710 0,50

410 1,40 720 0,50

420 1,70 730 0,50

430 2,00 740 0,50

440 2,30 750 0,50

El objetivo final será realizar un análisis de la

información obtenida en ambos experimentos (i y ii); al

elaborar las gráficas correspondientes a cada caso, realizar

una comparación de los resultados, contra el material

impreso obtenido directamente al graficar la señal de

respuesta para cada experimento, donde se varió longitud

de onda y se registró corriente, y donde se aplicó variación

de voltaje, para determinar corriente de respuesta.

IV. ANÁLISIS DE RESULTADOS

A. ANALISIS DE LA RESPUESTA ESPECTRAL

Abordaremos nuestro análisis de datos antes de dar pie

al inicio de la tercera etapa experimental. En este sentido

la incorporación de la graficadora y la reproducción de los

experimentos servirán de guía para verificar las mediciones

realizadas.

Por tanto, exhibiremos como primer paso los datos

graficados de acuerdo a la información registrada en el

primer experimento.

De acuerdo a la información mostrada en la Gráfica I,

se observa, un máximo en la respuesta del tubo

fotomultiplicador para una longitud de onda de 𝜆 =

530 𝑛𝑚 la cual en dentro del espectro electromagnético

está asociada al color verde.

Por otro lado, la respuesta gráfica obtenida en la

primera fase experimental correspondiente a la etapa (iii)

se muestra en el siguiente apartado. Gráfica II.

Grafica I. La información gráfica revela la mayor sensibilidad de respuesta

para una longitud de onda 𝜆 = 530 𝑛𝑚

Page 7: Tubo Fotomultiplicador

Una vez obtenidos ambos resultados, se procedió a

montar ambos gráficos para estudiar su relación; en este

sentido, se obtuvo el resultado mostrado en la Gráfica III.

Existe gran similitud entre ambos resultados; es claro

que la señal directa registra todos los puntos del intervalo

tomado para todo el rango de longitudes de onda

150 𝑛𝑚 ≤ 𝜆 ≤ 750𝑛𝑚, contrario al que se registra

únicamente al establecer longitudes de onda específicas

para realizar las mediciones. De ahí las ligeras variaciones

presentes en ambos resultados.

B. ANALISIS DE LA SENAL DE SALIDA DEL

FOTOMULTIPLICADOR

Un procedimiento similar al señalado en el punto

anterior, se utilizó para la construcción gráfica de la señal

de salida del fotomultiplicador. Tomando como base la

información registrada en la Tabla II, se ha elaborado la

gráfica correspondiente, donde ahora centraremos nuestra

atención al análisis. Gráfica IV.

Para voltajes muy bajos, la respuesta registrada en la

señal de salida del fotomultiplicador es muy cercana a la

energía mínima (1𝑒𝑉) necesaria para desprender un

electrón de un metal, pero alrededor de los 600 V es donde

se observa un ligero cambio en la respuesta, ya que es en

este intervalo donde comienza a crecer la señal muy

semejante a una función exponencial. Gráfica IV.

Por otro lado, la señal obtenida directamente del

experimento, apoyándonos en el graficador electrónico

incorporado al arreglo se exhibe a continuación:

Grafica II. Señal obtenida directamente, reproducida a partir de la

etapa (i) del desarrollo experimental.

Grafica III. La gráfica en color claro se construyó a partir de los datos

experimentales mostrados en la Tabla I. La grafica en color obscuro

se elaboró directamente con ayuda del graficador electrónico.

Grafica IV. Correspondiente a la segunda fase experimental

variación de voltaje contra corriente de respuesta observada.

Grafica V. Señal obtenida directamente, reproducida a partir de la

etapa (ii) del desarrollo experimental.

Page 8: Tubo Fotomultiplicador

Nuevamente después de trabajar con la información

correspondiente a la segunda y tercer etapa experimental,

montamos ambas gráficas, obteniendo así el resultado

presentado en la Gráfica VI.

Es interesante la evidente similitud con muy buena

aproximación de los datos medidos y posteriormente

graficados en comparación con los obtenidos de forma

directa a la par mediante el graficador incorporado.

V. CONCLUSIONES

Después de estudiar la gran variedad de aplicaciones

que tienen los tubos fotomultiplicadores, podemos señalar

la importancia que tiene la incorporación de materiales

adecuados para los distintos componentes que conforman

el dispositivo. Tal es el caso de la elección adecuada de los

metales con los que se fabricarán los electrodos de emisión

y respuesta, así como los materiales que serán usados en

los dinodos.

A lo largo del desarrollo experimental nos dimos a la

tarea de comprender el significado de la información

obtenida en cada una de las etapas descritas; en este

sentido, podemos concluir que la longitud de onda a la que

responde el ánodo colector, depende únicamente del

material con el que este fabricado el ánodo receptor de

energía, sin que esta dependa directamente de los

materiales con los que sean fabricados los dinodos. Ya que

la función de los mismos únicamente es amplificar la señal

de entrada, generando una cascada de electrones, así como

transportar a los mismos hasta el ánodo colector.

Es decir, dependiendo del uso que se pretenda dar al

detector, serán los materiales que se emplearán en su

fabricación. En una investigación con mayor extensión se

podría plantear la respuesta a las etapas i y ii, incorporando

un análisis con mayor profundidad enfocado a los distintos

materiales con los que se han fabrican los

fotomultiplicadores, sin dejar a un lado la respuesta, y la

eficiencia de los mismos.

VI. REFERENCIAS

[1] Anadón, J. I. (2011). Estudio de la emisión de luz en

los tubos fotomultiplicadores del experimento Double

Chooz. Máster Interuniversitario en Física Nuclear , 20-

21.

[2] Antonio, J. (s.f.). Multiplicadores de electrones.

Chromatography Network.

[3] Escobar, P. P. (2004). Medicina Nuclear.

Electromedicina.

[4] Knoll, G. F. (Third Edition). Radiation Detection and

Measurement. New York: John Wiley & Sons, Inc.

[5] Observatory, K. (21 de Octubre de 2015). Kamioka

Observatory, Institute for Cosmic Ray Research,

University of Tokyo. Obtenido de http://www-sk.icrr.u-

tokyo.ac.jp/index-e.html#

[6] Vázquez, F. (2015). Tubos fotomultiplicadores (FM) y

fotodiodos. Instituto de Ciencias Nucleares - UNAM.

Grafica VI. Señal obtenida directamente, reproducida a partir de la

etapa (ii) del desarrollo experimental.