Tubo fotomultiplicador

Fotomultiplier

Dynodes dentro de un tubo fotomultiplier

La combinación de alta ganancia, bajo ruido, respuesta de alta frecuencia o, de manera equivalente, respuesta ultrarrápida y una gran área de recolección ha mantenido a los fotomultiplicadores en un lugar esencial en la espectroscopia de bajo nivel de luz, microscopia confocal, espectroscopia Raman, espectroscopia de fluorescencia, física nuclear y de partículas, astronomía, diagnósticos médicos que incluyen 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 los polímeros en solución, suele utilizar un láser y un PMT para recopilar los datos de la luz dispersada.

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 de alta sensibilidad y bajo nivel de ruido que está imperfectamente colimada.

Estructura y principios de funcionamiento

Fig.1: Esquema de un tubo fotomultiplerio acoplado a un cincelado. Este arreglo es para la detección de rayos gamma.

Fig. 2: Típico circuito de divisor de tensión fotomultiplier usando tensión alta negativa.

Los fotomultiplicadores normalmente se construyen con una carcasa de vidrio al vacío (que usa 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 inciden en el material del fotocátodo, que suele ser una fina capa conductora depositada en 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 por 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, de ≈100 voltios, que el anterior. Un electrón primario sale del fotocátodo con la energía del fotón entrante, o alrededor de 3 eV para "blue" fotones, menos la función de trabajo del fotocátodo. Un pequeño grupo de electrones primarios es creado 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 golpear el primer dínodo, se emiten más electrones de baja energía y estos electrones, a su vez, se aceleran hacia el segundo dínodo. La geometría de la cadena de dínodos 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 nuevos electrones por cada electrón entrante, y si hay 12 etapas de dínodos, entonces en la última etapa uno espera para cada electrón primario alrededor de 5¹² ≈ 10⁸ 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 de 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 Fig. 2. En el ejemplo, el fotocátodo se mantiene a un alto voltaje negativo del orden de 1000 V, mientras que el ánodo se muy cerca del potencial de tierra. Los condensadores a lo largo de los pocos dínodos finales actúan como depósitos 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 mostrado es meramente ilustrativo.

Metalización interna como pantalla protectora contra fuentes de luz no deseadas

Hay dos orientaciones comunes del fotomultiplicador, el diseño de frente o de extremo (modo de transmisión), como se muestra arriba, donde la luz ingresa a la parte superior plana y circular del tubo y pasa por el fotocátodo, y el diseño side-on (modo de reflexión), donde la luz entra en un punto particular en el lado del tubo e impacta en un fotocátodo opaco. El diseño lateral se utiliza, por ejemplo, en el tipo 931, el primer PMT producido en masa. Además de los diferentes materiales del fotocátodo, el rendimiento también se ve afectado por la transmisión del material de la ventana por el que pasa la luz y por la disposición de los dínodos. Muchos modelos de fotomultiplicadores están disponibles con 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 en particular.

Historia

La invención del fotomultiplicador se basa en dos logros anteriores, los descubrimientos separados del efecto fotoeléctrico y de la emisión secundaria.

Efecto fotoeléctrico

La primera demostración del efecto fotoeléctrico fue realizada en 1887 por Heinrich Hertz utilizando luz ultravioleta. Significativo para las aplicaciones prácticas, Elster y Geitel dos años más tarde demostraron el mismo efecto utilizando metales alcalinos (potasio y sodio) que impactan con luz visible. La adición de cesio, otro metal alcalino, ha permitido ampliar el rango de longitudes de onda sensibles 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, un logro por el cual Einstein recibió el Premio Nobel de 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 por primera vez una naturaleza discreta de la luz, es decir, la existencia de quanta.

Emisión secundaria

El fenómeno de la emisión secundaria (la capacidad de los electrones en un tubo de vacío para provocar la emisión de electrones adicionales al golpear un electrodo) estaba, al principio, limitado a fenómenos y dispositivos puramente electrónicos (que carecían de fotosensibilidad). En 1899, Villard informó por primera vez del efecto. En 1902, Austin y Starke informaron que las superficies metálicas impactadas por haces de electrones emitían una mayor cantidad de electrones que los incidentes. La aplicación de la emisión secundaria recién descubierta a la amplificación de señales solo fue propuesta después de la Primera Guerra Mundial por el científico de Westinghouse Joseph Slepian en una patente de 1919.

La carrera hacia una práctica cámara de televisión electrónica

Los ingredientes para inventar el fotomultiplicador se unieron durante la década de 1920 a medida que se aceleraba el ritmo de la tecnología de tubos de vacío. El objetivo principal para muchos, si no la mayoría, de los trabajadores era la necesidad de una tecnología práctica de cámaras de televisión. La televisión se había buscado con prototipos primitivos durante décadas antes de la introducción en 1934 de la primera cámara práctica (el iconoscopio). Los primeros prototipos de cámaras de televisión carecían de sensibilidad. Se buscó la tecnología de fotomultiplicadores para permitir que los tubos de las cámaras de televisión, como el iconoscopio y (más tarde) el orthicon, fueran lo suficientemente sensibles para ser prácticos. Así que se preparó el escenario para combinar el fenómeno dual de la fotoemisión (es decir, el efecto fotoeléctrico) con la emisión secundaria, los cuales ya habían sido estudiados y comprendidos adecuadamente, para crear un fotomultiplicador práctico.

Primer fotomultiplicador de una etapa (principios de 1934)

La primera demostración documentada de fotomultiplicadores data de los logros de principios de 1934 de un grupo RCA con sede en Harrison, NJ. Harley Iams y Bernard Salzberg fueron los primeros en integrar un cátodo de efecto fotoeléctrico y una sola etapa de amplificación de emisión secundaria en una sola envoltura de vacío y los primeros en caracterizar su desempeño como un fotomultiplicador con ganancia de amplificación de electrones. Estos logros se finalizaron antes de junio de 1934, como se detalla en el manuscrito presentado a Proceedings of the Institute of Radio Engineers (Proc. IRE). El dispositivo constaba de 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 alrededor de ocho y funcionaba a frecuencias muy por encima de los 10 kHz.

Fotomultiplicadores magnéticos (mediados de 1934-1937)

Se buscaban mayores ganancias que las disponibles con los primeros fotomultiplicadores de una sola etapa. Sin embargo, es un hecho empírico que la producción de electrones secundarios está limitada en cualquier proceso de emisión secundaria dado, independientemente del voltaje de aceleración. Por lo tanto, cualquier fotomultiplicador de una sola etapa tiene una ganancia limitada. En ese momento, la ganancia máxima de la primera etapa que se podía lograr 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 podría multiplicarse sucesivamente en varias etapas, fueron un objetivo importante. El desafío consistía en hacer que los fotoelectrones incidieran en electrodos de voltaje cada vez más alto en lugar de viajar directamente al electrodo de voltaje más alto. Inicialmente, este desafío se superó mediante el uso de fuertes campos magnéticos para doblar los electrones. trayectorias. Tal esquema había sido concebido anteriormente por el inventor J. Slepian en 1919 (ver arriba). En consecuencia, las principales organizaciones internacionales de investigación centraron su atención en mejorar los fotomultiplicadores para lograr una mayor ganancia con múltiples etapas.

En la URSS, Joseph Stalin introdujo a gran escala equipos de radio fabricados por RCA para construir redes de transmisión, y el recién creado Instituto de Investigación Científica para la Televisión de toda la Unión estaba preparando un programa de investigación en tubos de vacío que estaba avanzado por 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 de los equipos de RCA e investigar las necesidades de los clientes. Durante una de estas visitas, en septiembre de 1934, a Vladimir Zworykin de RCA se le mostró el primer fotomultiplicador de múltiples dínodos, o multiplicador de fotoelectrones. Este dispositivo pionero fue propuesto por Leonid A. Kubetsky en 1930, que posteriormente construyó 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, como se enfatiza. en una publicación reciente de 2006 de la Academia Rusa de Ciencias (RAS), que lo denomina 'Tubo de Kubetsky'. El dispositivo soviético utilizó un campo magnético para confinar los electrones secundarios y se basó 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 RCA en Camden, Nueva Jersey, enviaron su manuscrito que describía el primer análisis experimental y teórico completo de un tubo de múltiples dínodos; el dispositivo más tarde se denominó fotomultiplicador — a Proc. IRA. Los fotomultiplicadores prototipo RCA también utilizaron un fotocátodo Ag-O-Cs (óxido de plata-cesio). Exhibían una eficiencia cuántica máxima del 0,4 % a 800 nm.

Fotomultiplicadores electrostáticos (1937-presente)

Mientras que estos primeros fotomultiplicadores usaban el principio del campo magnético, los fotomultiplicadores electrostáticos (sin campo magnético) fueron demostrados por Jan Rajchman de RCA Laboratories en Princeton, NJ a fines de la década de 1930 y se convirtieron en el estándar para todos los futuros fotomultiplicadores comerciales. El primer fotomultiplicador producido en masa, el Tipo 931, tenía este diseño y todavía se produce comercialmente en la actualidad.

Fotocátodos mejorados

También en 1936, P. Görlich informó sobre un fotocátodo muy mejorado, Cs₃Sb (cesio-antimonio). El fotocátodo de cesio-antimonio tuvo una eficiencia cuántica dramáticamente mejorada del 12 % a 400 nm, y se usó en los primeros fotomultiplicadores comercialmente exitosos fabricados por RCA (es decir, el tipo 931) como fotocátodo y como material emisor secundario para los dínodos. Diferentes fotocátodos proporcionaron diferentes respuestas espectrales.

Respuesta espectral de fotocátodos

A principios de la década de 1940, el JEDEC (Consejo Conjunto de Ingeniería de Dispositivos Electrónicos), un comité industrial sobre estandarización, desarrolló un sistema para designar respuestas espectrales. La filosofía incluía la idea de que el usuario del producto solo debe preocuparse por la respuesta del dispositivo en lugar de cómo se puede fabricar el dispositivo. Se asignaron "números S" a varias combinaciones de fotocátodo y materiales de ventana. (números espectrales) que van desde S-1 hasta S-40, que todavía están en uso hoy en día. Por ejemplo, S-11 usa el fotocátodo de cesio-antimonio con una ventana de vidrio de cal, S-13 usa el mismo fotocátodo con una ventana de sílice fundida y S-25 usa un llamado "multialkali" fotocátodo (Na-K-Sb-Cs, o sodio-potasio-antimonio-cesio) que proporciona una respuesta extendida en la porción roja del espectro de luz visible. Todavía no se han informado superficies fotoemisivas adecuadas para detectar longitudes de onda superiores a aproximadamente 1700 nanómetros, a las que se puede acercar un fotocátodo especial (InP/InGaAs(Cs)).

Corporación RCA

Durante décadas, RCA fue responsable de realizar el trabajo más importante en el desarrollo y perfeccionamiento de fotomultiplicadores. RCA también fue en gran parte responsable de la comercialización de fotomultiplicadores. La empresa compiló y publicó un Manual de fotomultiplicadores acreditado y ampliamente utilizado. RCA proporcionó copias impresas gratuitas a pedido. El manual, que continúa estando disponible en línea sin costo alguno por los sucesores de RCA, se considera una referencia esencial.

Luego de una ruptura corporativa a fines de la década de 1980 que involucró la adquisición de RCA por parte de General Electric y la venta de las divisiones de RCA a numerosos terceros, el negocio de fotomultiplicadores de RCA se convirtió en una empresa independiente.

Instalaciones de Lancaster, Pensilvania

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 le conoció, fue la base para el desarrollo y la producción de productos comerciales de televisión. En años posteriores se agregaron otros productos, como "rayos catódicos" tubos, tubos fotomultiplicadores, interruptores de control de luz con detección de movimiento y sistemas de televisión de circuito cerrado.

Industrias Burle

Burle Industries, como sucesora de RCA Corporation, llevó adelante el negocio de fotomultiplicadores RCA después de 1986, con sede en las instalaciones de Lancaster, Pensilvania. La adquisición de RCA por parte de General Electric en 1986 resultó en la venta de la División de Nuevos Productos de RCA Lancaster. Por lo tanto, 45 años después de haber sido fundada por la Marina de los EE. UU., su equipo directivo, encabezado 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 Photonis Group. Tras la adquisición, Photonis estaba compuesto por Photonis Netherlands, Photonis France, Photonis USA y Burle Industries. Photonis USA opera el antiguo Grupo de productos de detectores científicos de Galileo Corporation (Sturbridge, Massachusetts), que había sido comprado por Burle Industries en 1999. El grupo es conocido por los multiplicadores de electrones del detector de placa de microcanal (MCP), una versión integrada de microtubo de vacío de fotomultiplicadores.. Los MCP se utilizan para aplicaciones científicas y de imágenes, incluidos los dispositivos de visión nocturna.

El 9 de marzo de 2009, Photonis anunció que dejaría de producir fotomultiplicadores en las plantas de Lancaster, Pensilvania y Brive, Francia.

Hamamatsu

La empresa con sede en Japón Hamamatsu Photonics (también conocida como Hamamatsu) surgió 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 compañía. Hamamatsu utiliza diferentes designaciones para formulaciones de fotocátodos particulares e introduce modificaciones a estas designaciones basadas en la investigación y el desarrollo patentados de Hamamatsu.

Materiales de fotocátodo

Los fotocátodos pueden estar hechos de una variedad de materiales, con diferentes propiedades. Por lo general, los materiales tienen una función de trabajo baja y, por lo tanto, son propensos a la emisión termoiónica, lo que provoca ruido y corrientes oscuras, especialmente los materiales sensibles en el infrarrojo; enfriar el fotocátodo reduce este ruido térmico. Los materiales de fotocátodo más comunes son el modo de transmisión Ag-O-Cs (también llamado S1), sensibles de 300 a 1200 nm. Alta corriente oscura; utilizado principalmente en infrarrojo cercano, con el fotocátodo enfriado; GaAs:Cs, arseniuro de galio activado por cesio, respuesta plana de 300 a 850 nm, desvaneciéndose hacia el ultravioleta y hasta 930 nm; InGaAs:Cs, arseniuro de indio y galio activado por cesio, mayor sensibilidad infrarroja que GaAs:Cs, entre 900 y 1000 nm, una relación señal/ruido mucho más alta que Ag-O-Cs; Sb-Cs, (también llamado S11) antimonio activado por cesio, utilizado para fotocátodos de modo reflexivo; rango de respuesta de ultravioleta a visible, ampliamente utilizado; Bialkali (Sb-K-Cs, Sb-Rb-Cs), aleación de antimonio-rubidio o antimonio-potasio activada por cesio, similar a Sb:Cs, con mayor sensibilidad y menor ruido. se puede utilizar para el modo de transmisión; la respuesta favorable a los destellos de centelleo de 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 el registro de pozos, baja corriente oscura a temperatura ambiente; multiálcali (Na-K-Sb-Cs), (también llamado S20), amplia respuesta espectral desde el ultravioleta hasta el infrarrojo cercano, el procesamiento de cátodo especial puede extender el rango a 930 nm, utilizado en espectrofotómetros de banda ancha; ciego solar (Cs-Te, Cs-I), sensible al vacío-UV y ultravioleta, insensible a la luz visible e infrarroja (Cs-Te tiene un corte a 320 nm, Cs-I a 200 nm).

Materiales para ventanas

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. El vidrio con un contenido muy bajo de potasio se puede utilizar con fotocátodos bialcalinos para reducir la radiación de fondo del isótopo potasio-40. El vidrio ultravioleta transmite visible y ultravioleta hasta 185 nm. Utilizado en espectroscopia. La sílice sintética transmite hasta 160 nm, absorbe menos UV que la sílice fundida. Expansión térmica diferente a la del kovar (y al vidrio de borosilicato cuya expansión coincide con la del kovar), se necesita un sello graduado entre la ventana y el resto del tubo. El sello es vulnerable a choques mecánicos. El fluoruro de magnesio transmite ultravioleta hasta 115 nm. Higroscópico, aunque menos que otros haluros alcalinos utilizables para ventanas UV.

Consideraciones de uso

Los tubos fotomultiplicadores suelen utilizar entre 1000 y 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. Los suministros de alto voltaje negativo (con el terminal positivo conectado a tierra) a menudo se prefieren porque esta configuración permite que la fotocorriente se mida en el lado de bajo voltaje del circuito para amplificación por circuitos electrónicos subsiguientes que funcionan a bajo voltaje. Sin embargo, con el fotocátodo a alto voltaje, las corrientes de fuga a veces dan como resultado una "corriente oscura" no deseada. pulsos que puedan afectar el funcionamiento. Los voltajes se distribuyen a los dínodos mediante un divisor de voltaje resistivo, aunque son posibles variaciones tales 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 diversas aplicaciones. Algunos instrumentos que usan fotomultiplicadores tienen provisiones para variar el voltaje del ánodo para controlar la ganancia del sistema.

Mientras están encendidos (energizados), los fotomultiplicadores deben protegerse de la luz ambiental para evitar su destrucción por sobreexcitación. En algunas aplicaciones, esta protección se logra mecánicamente mediante enclavamientos eléctricos u obturadores que protegen el tubo cuando se abre el compartimiento 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 utiliza en un lugar con fuertes campos magnéticos, que pueden curvar las trayectorias de los electrones, desviar los electrones de los dínodos y causar pérdida de ganancia, los fotomultiplicadores suelen estar protegidos magnéticamente por una capa de hierro dulce o mu-metal. Este escudo magnético a menudo se mantiene en el potencial del cátodo. Cuando este es el caso, el blindaje externo también debe estar aislado eléctricamente debido al alto voltaje que hay en él. Los fotomultiplicadores con grandes distancias entre el fotocátodo y el primer dínodo son especialmente sensibles a los campos magnéticos.

Aplicaciones

Los fotomultiplicadores fueron los primeros dispositivos oculares eléctricos y se utilizaron para medir las interrupciones en los haces de luz. Los fotomultiplicadores se utilizan junto con centelleadores para detectar radiación ionizante por medio de instrumentos de protección radiológica fijos y portátiles, y radiación de partículas en experimentos de física. Los fotomultiplicadores se utilizan en laboratorios de investigación para medir la intensidad y el espectro de materiales emisores de luz, como los semiconductores compuestos y los puntos cuánticos. Los fotomultiplicadores se utilizan como detectores 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. Una matriz de fotomultiplicadores se utiliza en una cámara gamma. Los fotomultiplicadores se utilizan normalmente como detectores en los escáneres de puntos voladores.

Aplicaciones de alta sensibilidad

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 diminutas corrientes asociadas con señales de luz débiles. No hay ruido de Johnson asociado con las corrientes de señal del fotomultiplicador, a pesar de que están muy amplificadas, por ejemplo, 100 000 veces (es decir, 100 dB) o más. La fotocorriente todavía contiene ruido de disparo.

Las fotocorrientes amplificadas por fotomultiplicadores pueden amplificarse electrónicamente mediante un amplificador electrónico de alta impedancia de entrada (en la ruta de la señal posterior al fotomultiplicador), lo que produce voltajes apreciables incluso para flujos de fotones casi infinitesimalmente pequeños. Los fotomultiplicadores ofrecen la mejor oportunidad posible de superar el ruido de Johnson para muchas configuraciones. Lo anterior se refiere a la medición de flujos de luz que, aunque pequeños, equivalen a un flujo continuo de múltiples fotones.

Para flujos de fotones más pequeños, el fotomultiplicador se puede operar 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. Sin embargo, el inconveniente es que no se cuentan todos los fotones que inciden en la superficie primaria, ya sea porque la eficiencia del fotomultiplicador no es perfecta o porque un segundo fotón puede llegar al fotomultiplicador durante el "tiempo muerto".; asociado con un primer fotón y nunca ser notado.

Un fotomultiplicador producirá una pequeña corriente incluso sin fotones incidentes; esto se llama la corriente oscura. Las aplicaciones de conteo de fotones generalmente exigen fotomultiplicadores diseñados para minimizar la corriente oscura.

Sin embargo, la capacidad de detectar fotones individuales que golpean la superficie fotosensible primaria en sí misma revela el principio de cuantificación que propuso Einstein. El conteo de fotones (como se le llama) revela que la luz, no solo siendo una onda, consiste en partículas discretas (es decir, fotones).

Rango de temperatura

Se sabe que a temperaturas criogénicas, los fotomultiplicadores demuestran un aumento en la emisión de electrones (estallido) a medida que baja la temperatura. El fenómeno aún no está explicado por ninguna teoría física.