Principios de análisis instrumental

280 Capítulo 12 Espectrometría atómica de rayos X «< los iones litio reemplazan a los huecos perdidos por conducción. Cuando el cristal se enfría, la capa central tiene una elevada resis– tencia relativa respecto a las otras capas porque los iones litio en este medio son menos móviles que los huecos desplazados. Las funciones de la capa intrínseca en un detector de silicio son análogas a las del argón en un detector de gas. Al principio, la absorción de un fotón da lugar a la formación de un fotoelectrón muy energético, el cual pierde su energía cinética al pasar varios miles de electrones del silicio a la banda de conducción; lo que da como resultado un marcado aumento de la conductividad. Cuando se aplica un potencial en el cristal, la absorción de cada fotón produce un pulso de corriente. Al igual que en los detec– tores proporcionales, el tamaño del pulso es directamente pro– porcional a la energía de los fotones absorbidos. Sin embargo, a diferencia de los detectores proporcionales, no hay amplificación secundaria del pulso. Tal como se muestra en la figura 12.12, el detector y el preamplificador de un detector dopado con litio deben estar tér– micamente estabilizados a la temperatura del nitrógeno líquido (77 K) para reducir el ruido electrónico a un nivel tolerable. Los detectores originales de Si(Li) tenían que ser enfriados en forma continua porque a temperatura ambiente los átomos de litio se pueden difundir en el silicio, con lo que se degradaría el funciona– miento del detector. Los detectores de Si(Li) modernos sólo nece– sitan enfriamiento durante su uso. El germanio se utiliza en lugar del silicio en detectores dopa– dos con litio que son útiles sobre todo para percibir radiación de longitud de onda inferior a 0.3 Á; deben tener enfriamiento en todo momento. Los detectores de germanio que no requieren ser dopados con litio están fabricados con germanio muy puro. Éstos reciben el nombre de detectores de germanio intrínseco y necesitan enfriamiento sólo durante su uso. El fotodiodo de pin se discutió en la sección 7E.2 como un transductor para la radiación ultravioleta-visible. Este fotodiodo también es un transductor de rayos X. Los fotones de rayos X que golpean el fotodiodo ionizan los átomos de silicio y produ– cen pares electrón-hueco que son llevados a través del dispositivo para producir una corriente. Cada fotón de rayos X da origen a un pulso de corriente transitorio, que puede ser detectado y medido por un preamplificador sensible a la carga, conectado al cátodo y a un sistema electrónico de procesamiento de pulsos. La amplitud del pulso de corriente está relacionada directamente con la ener– gía del fotón incidente. El detector de deriva de silicio es muy similar al fotodiodo de pin, pero utili za un ánodo muy pequeño rodeado de electrodos de deriva en forma de anillo. Los electrones forman un campo de deriva que se configura para guiar los electrones a través del dis– positivo hacia el ánodo que usualmente se localiza en el centro del dispositivo. El área pequeña del ánodo proporciona un SDD con una capacitancia mucho menor que un fotodiodo de pin nor– mal o un detector Si(Li) . La pequeña capacitancia permite que se produzca menos ruido y que exista una resolución energética más alta que con los diodos de pin ordinarios, particularmente cuando hay tasas altas de conteo. Los diodos de deriva de silicio son más caros que Jos fotodiodos de pin debido a los electrodos anulares. Los dispositivos acoplados a carga (CCD, por su sigla en inglés) también se utilizan como detectores de rayos X. Estos dis– positivos de dos dimensiones están reemplazando rápidamente a los detectores de imágenes tradicionales (por ejemplo, la película fotográfica) en técnicas como la microscopía de rayos X, la cap– tura de imágenes de rayos X, la captura de imágenes micro-XRF, la litografía de rayos X, y las pruebas de rayos X no destructivas. Muchas cámaras CCD de rayos X absorben directamente los fotones de rayos X incidentes. Diferentes tipos de cámaras CCD, incluyendo las que tienen iluminación trasera e iluminación fron– tal, se utilizan dependiendo del rango de energía de rayos X que se está explorando. Las cámaras para la detección indirecta que utili– zan entradas de fibra óptica hacia la CCD también se encuentran disponibles en el mercado. Distribución de las alturas de los pulsos en los transductores de radiación X Para entender las propiedades de los espectrómetros que dis– persan la energía, es importante darse cuenta de que, aunque el transductor absorbe fotones sucesivos de rayos X de idéntica energía, el tamafí.o de los pulsos de corriente que resultan no es exactamente el mismo. Las variaciones producto de la expulsión de los fotoelectrones y la posterior generación de electrones de conducción son procesos aleatorios que siguen las leyes de la pro– babilidad. Por consiguiente, hay una distribución gaussiana de las alturas de los pulsos alrededor de un valor medio. La anchura de esta distribución varía de un tipo de transductor a otro, y los detec– tores semiconductores son los que proporcionan bandas de pulsos notablemente más angostas. Esta propiedad es la que ha hecho que los detectores dopados con litio sean tan importantes en la espectroscopia de rayos X con dispersión de energía. 128.5 Procesadores de señal La señal que proviene del preamplificador de un espectrómetro de rayos X se alimenta a un amplificador lineal de respuesta rápida cuya ganancia puede variar por un factor de hasta 10 000. Como resultado se obtienen unos pulsos de voltaje del orden de los 10 V. Selectores de alturas de pulsos La mayor parte de los espectrómetros de rayos X más moder– nos (tanto los que dispersan longitudes de onda como energía) están equipados con discriminadores que eliminan los pulsos de alrededor de 0.5 V (después de la amplificación). De esta manera, se reduce de manera significativa el ruido del amplificador y del transductor. Algunos instrumentos poseen selectores de altura de pulso o discriminadores de ventana, que son circuitos electrónicos que rechazan no solo los pulsos con alturas inferiores a un nivel mí– nimo predeterminado, sino también los superiores a un nivel máximo preestablecido. Es decir, eliminan todos los pulsos excepto los qu e quedan dentro de un canal o ventana limitada de alturas de pulso. 8 Los instrumentos de dispersión cuentan con un equipo de selectores de altura de pulsos para rechazar el ruido, y suplir al monocromador en la función de separar la línea del analito de la radiación más energética y de orden superior que se difracta a los mismos parámetros del cristal. 8 Para una discusión acerca de la forma de la señal, vea la sección 4C. J