Principios de análisis instrumental

arreglos están disponibles comercialmente y se denominan foto– multiplicadores de silicio (SiFM). Estos dispositivos tienen ganan– cias que son comparables con un tubo fotomultiplicador estándar ("'10 6 ) con voltajes entre 20 y 100 V, mucho más bajos que los de un tubo fotomultiplicador. Los SiFM tienen eficiencias de detec– ción en el rango del20 a 50% así como respuestas muy rápidas. Los SiFM pueden tener rangos espectrales desde la región UV hasta la UR y son mucho más compactos que los tubos fotomultiplica– dores. Los dispositivos son sensibles a fotones individuales y pue– den utilizarse para aplicaciones basadas en el conteo de fotones. Muchas de las aplicaciones de los SiFM son dispositivos médicos de imagenología como la tomografía por emisión de positrones (PET, por sus siglas en inglés) y la tomografía computarizada de emisión de fotón único (SPECT, por sus siglas en inglés). 7E.3 Transductores de fotones multicanales El primer detector de varios canales que se usó en la espectrosco– pia fue una placa fotográfica o una tira de película que se colocó a lo largo de la longitud del plano focal de un espectrómetro de tal modo que todas las líneas del espectro podían ser registradas a la vez. La detección fotográfica es relativamente sensible, algunas emulsiones responden a tan sólo 10 a 100 fotones. La principal limitación de este tipo de detector es el tiempo que se requiere para revelar la imagen del espectro y convertir el ennegrecimiento de la emulsión en intensidades radiantes. Los transductores de varios canales modernos 24 están com– puestos de pequeños elementos fotosensibles acomodados en forma lineal o que siguen un patrón bidimensional sobre un solo chip semiconductor. Éste, que casi siempre es de silicio y sus dimensiones son de unos cuantos milímetros por lado, contiene también circuitos electrónicos para dar una señal de salida desde cada uno de los elementos en forma sucesiva o simultánea. En estudios espectroscópicos, se suele colocar un transductor de varios canales en el plano focal de un espectrómetro, de modo que varios elementos del espectro dispersado pasen por el trans– ductor y se midan al mismo tiempo. En los instrumentos espectroscópicos comerciales se usan tres tipos de dispositivos de varios canales: fotodiodos en serie, dispositivos de inyección de carga y dispositivos de acoplamiento de carga. Los fotodiodos en serie son transductores de una dimen– sión en los que los elementos fotosensibles se acomodan en forma lineal en la cara del transductor. En cambio, los elementos foto– sensibles individuales de los dispositivos de inyección de carga y de los de acoplamiento de carga están formados como sistemas bidimensionales. Tanto los transductores de inyección de carga como los de acoplamiento de carga funcionan recolectando car– gas fotogeneradas en varias áreas de la superficie del transductor y luego midiendo la cantidad de ellas que se ha acumulado en un breve periodo. En ambos dispositivos, la medición se logra trans– firiendo la carga desde un área de recolección hasta una de detec- 24 Si desea consultar un trabajo sobre los detectores de varios canales de fotones, refiérase a D.}. Brady, Optical Imaging and Spectroscopy, cap. 5, Hoboken, N}: Wiley, 2009; }. M. Harnly y R. E. Fields, Appl. Spectros., 1997, 51 , 334A, DO!: 10.1366/0003702971941971; }. V. Sweedler, K. L. Ratzlaff, y M. B. Denton, eds., Charge-Transfer Devices in Spectroscopy, New York: YCH, 1994; }. Y. Sweedler, Crit. Rev. Anal. Chem., 1993, 24,59, DO!: 10.1080/10408349308048819. })) 7E Transductores de radiación 177 Ventana de Si0 2 F=r==r==r=frrr=r==r==r=:r~-- Si tipo-p Si tipo-n a) \p 11 p 11 p 11 p /! p 1! ( 1 1 ~ 4--- 1 1 1 1 0.025 mm b) ) r Capa de agotamiento 0.50-2.5 mm j_ FIGURA 7.31 Detector con una serie lineal de diodos en polarización inversa: a) corte transversal y b) vista desde arriba. ción. Por esta razón, los dos tipos de transductores a veces reciben el nombre de dispositivos de transferencia de carga. Estos instru– mentos se utilizan ampliamente como transductores de imagen en equipos de televisión y en astronomía. Fotodiodos en serie En estos dispositivos, los elementos fotosensibles individuales son fotodiodos pequeños de silicio, cada uno de los cuales consta de una unión pn con polarización inversa (véase la sección anterior). Los fotodiodos individuales forman parte de un circuito inte– grado de gran escala colocado sobre un solo chip de silicio. En la figura 7.31 se ilustra la forma de la región superficial de algu– nos de los elementos transductores. Cada uno se compone de una barra tipo p difundida en un sustrato de silicio tipo n para dar ori– gen a una región superficial que consta de una serie de elementos adyacentes o pixeles. Los pixeles suelen estar separados entre sí 25 ¡..Lm y tienen alturas que van de los 0.5 a los 2.5 mm (figura 7.31b). Pixeles cuadrados con dimensiones tan pequeñas de hasta 14 por 14 ¡.Lm se encuentran ya disponibles. La radiación que incide sobre estos elementos crea cargas tanto en la región p como en la n. Las cargas positivas se recolectan y almacenan en barras tipo p para la integración posterior (las cargas formadas en las regiones n se dividen a sí mismas proporcionalmente entre las dos regiones p adyacentes). La cantidad de elementos transductores en un chip varía de 64 a 4096, pero 1024 es la más común. El circuito integrado que conforma el sistema de diodos con– tiene también un capacitar de almacenamiento y un interruptor para cada diodo, así como un circuito para explorar en forma sucesiva los circuitos individuales diodo-capacitar. La figura 7.32 muestra un diagrama simplificado en el que se manifiesta la dis-