photon

Conteo de eventos y estadística de fotones.
Práctica de laboratorio 5

Resumen
Los tubos fotomultiplicadores (PMT), los fotodiodos y los sensores de imagen CCD son
comúnmente usados para detectar bajos niveles de luz. Estos detectores, en la mayoría
de las aplicaciones, convierten luz en señales eléctricas analógicas (corriente o voltaje).
Sin embargo, cuando el nivel de iluminación sevuelve suficientemente débil, de forma
que los fotones incidentes son detectados como pulsos, el método de conteo de fotones
usando un tubo fotomultiplicador es muy efectivo, siempre y cuando el valor medio de
los intervalos temporales entre pulsos sea más largo que la resolución temporal del tubo
fotomultiplicador.
Esta práctica consiste en una serie de experimentos de conteo de fotones. Estádiseñada
para aprender técnicas de medición digitales, comprender el funcionamiento y
características de los fotomultiplicadores, y para ilustrar la naturaleza probabilística del
proceso de fotodetección, así como las fluctuaciones estadísticas de la luz. También se
espera que se comprendan las capacidades que brinda la interacción entre instrumentos
de medición de señales temporales y unacomputadora en cuanto a la sistematización y
repetición de mediciones

Objetivos de la práctica
Comprender los procesos de medición de flujos de luz extremadamente bajos,
Conocer el potencial de la combinación osciloscopio-PC y aprender a automatizar
mediciones,
Familiarizarse con equipos de detección y conteo de eventos y aprender sus
características y sus limitaciones,
Trabajar con (almenos un) método de manejo de señales digitales,
Distinguir distintos tipos de fuentes de luz según su estadística,
Acercarse al manejo y las herramientas de estudio de procesos estadísticos.

Introducción
Un tubo fotomultiplicador consiste en un fotocátodo, un multiplicador de electrones,
compuesto por varios dinodos, y un ánodo (figura 1). Cuando la luz entra al fotocátodo
de unfotomultiplicador, éste emite electrones. Estos fotoelectrones son multiplicados
por una emisión secundaria de electrones en los dinodos y finalmente colectada por el
ánodo como pulsos de salida. En aplicaciones comunes, estos pulsos de salida no son
tratados individualmente, sino como una corriente analógica creada a partir de una gran
cantidad de estos pulsos (este es el modo analógico defuncionamiento).
En el caso analógico, una gran cantidad de fotones por unidad de tiempo inciden en el
fotomultiplicador, y como resultado, los fotoelectrones son emitidos por el fotocátodo.

Conteo de fotones y estadística – Laboratorio 5

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Los fotoelectrones multiplicados por los dinodos son entonces recogidos en el ánodo
como pulsos de salida. En este punto, cuando el intervalo temporal entrepulsos es más
corto que el ancho de cada pulso, o el circuito eléctrico que porta la señal no es
suficientemente rápido, los pulsos de salida se superponen entre sí y eventualmente se
los puede ver como una corriente eléctrica con fluctuaciones de conocidas como shot
noise.
a)

Fotocátodo

b)
hν

e

D1

D2

e

D3

....

D8

D9

D10

Ánodo

Señal de
salida

Rc

-HVFigura 1: a) disposición de los distintos componentes de un tubo fotomultiplicador b)
Diagrama de conexiones eléctricas típicas para un fotomultiplicador como el 1P28 de
Hamamatsu [1], que es el que se utiliza en esta práctica.

Por el contrario, cuando la intensidad de luz es tan baja que los fotones incidentes están
bien separados temporalmente, los pulsos de salida del ánodo tambiénson discretos. El
número de pulsos de salida guarda una proporción directa con la cantidad de luz
incidente, y este método de conteo de pulsos tiene ventajas en la relación señal ruido y
estabilidad respecto del modo analógico, en el cual se realiza un promedio de todos los
pulsos. Esta técnica de conteo de pulsos se conoce como conteo de fotones. Y, ya que
los pulsos detectados se someten a...