1. OPTOELECTRÓNICA
INGENIERÍA ELECTRÓNICA
REPORTE DE INVESTIGACIÓN:“SENSORES DE
LUZ”
Equipo 1: Los Valientes
VALENTIN SARMIENTO LETICIA
TECAXCO CIELO JORGE LUIS
COSIO CASTILLO LUIS ARTURO
Fecha: 13/10/14
2. “SENSORES DE LUZ”
Tubos fotomultiplicadores.
Los fotomultiplicadores son dispositivos de detección de luz que convierten la luz
recibida en una señal eléctrica medible. El uso de los fotomultiplicadores ha
experimentado un gran auge en los últimos años debido a los progresos
conseguidos en el desarrollo de los fotocátodos y en las etapas de amplificación.
Son aparatos muy versátiles que permiten ser usados en un gran número de
aplicaciones. La gran ventaja del fotomultiplicador sobre otros detectores
luminosos es la amplificación por emisión secundaria. Se pueden conseguir
factores de multiplicación desde 103 hasta 109. Además, en fotomultiplicadores
rápidos se pueden conseguir respuestas del fotomultiplicador con tiempos de
subida menores de un nanosegundo. Desde 1902 en que Austin descubriera la
emisión secundaria se ha investigado para encontrar superficies emisoras con las
que conseguir una mayor multiplicación de electrones. En 1936 Zworykin
desarrolló el primer tubo fotomultiplicador con varias etapas de amplificación. Los
electrones viajaban por el tubo con la ayuda de un campo eléctrico y un campo
magnético. En 1939 Zworykin y Rajchman desarrollaron un sistema electrostático
de focalización cuya estructura es todavía la base de los fotomultiplicadores
actuales. En la actualidad los fotomultiplicadores son utilizados en varias
disciplinas como Biología, Medicina, Bioquímica, Medio Ambiente, Fotografía, en
Astronomía, en la Industria, etc.
Principio de funcionamiento
Dentro de un fotomultiplicador los elementos esenciales son los siguientes:
El fotocátodo, encargado de convertir el flujo luminoso en un flujo de
electrones. Estos electrones producidos por efecto fotoeléctrico se conocen
por fotoelectrones para remarcar su origen fotoeléctrico, en oposición a los
otros electrones que se originan por emisión secundaria en los dínodos.
3. El sistema de focalización, encargado de acelerar y dirigir los fotoelectrones
hacia la cadena de amplificación.
La cadena de amplificación, consistente en una serie de electrodos de
emisión secundaria que reciben el nombre de dínodos.
El ánodo, que finalmente recoge el flujo de electrones al final de la etapa de
amplificación y produce la señal eléctrica de salida.
Funcionamiento
El funcionamiento del fotomultiplicador se basa en dos mecanismos
fundamentales: el efecto fotoeléctrico, que tiene lugar en el fotocátodo del
fotomultiplicador y la emisión secundaria que tiene lugar en la cadena de dínodos.
Un fotón incidente se convierte, por efecto fotoeléctrico en el fotocátodo, en un
electrón. El electrón es focalizado mediante un campo eléctrico hacia el sistema
de amplificación formado por varios dínodos. La cadena de dínodos se encarga de
amplificar el número de electrones en sucesivas etapas mediante el mecanismo
de emisión secundaria. La amplificación que se puede conseguir depende del tipo
de fotomultiplicador y puede superar factores de 109en algunos casos. El sistema
de focalización es un sistema de electrodos que realiza el acoplamiento entre el
fotocátodo y la cadena de dínodos. Se encarga de focalizar y acelerar los
fotoelectrones hasta el sistema de amplificación. Por su parte, el ánodo recoge la
carga acumulada al final de la cadena de amplificación para extraerla del
fotomultiplicador como una señal eléctrica.
4. Conexión básica
Para operar el tubo requiere de una fuente de voltaje DC estable de 1 a 2 Kvoltios
para su normal funcionamiento, un divisor de voltaje que se distribuye entre los
dinodos y una carcasa que lo proteja de los campos magnéticos y eléctricos.
Divisor de tensión entre dinodos.
Métodos de operación de un tubo fotomultiplicador.
La salida de un tubo “photomultipler” puede ser procesado eléctricamente como
una fuente de corriente constante. Aunque, es mejor conectarlo a un circuito
óptimo, dependiendo de la luz incidente y las características de frecuenta
requeridas.
Tipos de fotomultiplicadores:
*Tipo frontal: Tiene un fotocátodo semitransparente el cual es un fotocátodo del
tipo transmisor, que permite tener mejor uniformidad que el tipo lateral. La
disposición frontal permite barrer áreas en un rango definido por el tamaño del
tubo fotomultiplicador.
5. *Tipo lateral: Los fotomultiplicadores laterales emplean un fotocátodo opaco o sea
un fotocátodo del tipo reflector y una estructura de jaula circular para los dínodos,
lo que ofrece buena sensibilidad y amplificación con un voltaje de alimentación
relativamente bajo. Usados generalmente en espectrofotometría y sistemas
fotométricos en general, reciben la luz incidente por un lado del tubo de vidrio. Las
ventajas son su relativo bajo costo.
Arreglo de los dínodos en los fotomultiplicadores:
Un dínodo 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.
*Tipo jaula circular: Usado generalmente en los fotomultiplicadores laterales, se
caracteriza por optimizar el espacio, respuesta rápida y alta ganancia obtenida con
un suministro de voltaje relativamente bajo
*Tipo caja y rejilla: Es una sucesión de cuartas partes de dínodos cilíndricos. Se
usa en fotomultiplicadores frontales debido a la eficiencia en la recolección de
electrones y a su uniformidad.
*Tipo linealmente centrado: Lo caracteriza su respuesta rápida en tiempo y la
linealidad de pulso, además de ofrecer una corriente de salida grande.
Tubos de vacío o Válvulas de vacío
Dispositivos electrónicos que consisten en una cápsula de vacío de acero o de
vidrio, con dos o más electrodos entre los cuales
pueden moverse libremente los electrones. El diodo de
tubo de vacío fue desarrollado por el físico inglésJohn
Ambrose Fleming. Contiene dos electrodos: el cátodo,
un filamento caliente o un pequeño tubo de metal
caliente que emite electrones a través de emisión
termoiónica, y el ánodo, una placa que es el elemento
colector de electrones.
6. En los diodos, los electrones emitidos por el cátodo son atraídos por la placa sólo
cuando ésta es positiva con respecto al cátodo. Cuando la placa está cargada
negativamente, no circula corriente por el tubo. Si se aplica un potencial alterno a
la placa, la corrientepasará por el tubo solamente durante la mitad positiva del
ciclo, actuando así como rectificador. Losdiodos se emplean en la rectificación
de corriente alterna. La introducción de un tercer electrodo, llamado rejilla,
interpuesto entre el cátodo y el ánodo, forma un triodo, que ha sido durante
muchos años el tubo base utilizado para la amplificación de corriente. El triodo fue
inventado por el ingeniero estadounidense Lee De Forest en 1906. La rejilla es
normalmente una red de cable fino que rodea alcátodo y su función es controlar el
flujo de corriente. Al alcanzar un potencial negativo determinado, larejilla impide el
flujo de electrones entre el cátodo y el ánodo.
Con potenciales negativos más bajos el flujo de electrones depende del potencial
de la rejilla. La capacidad de amplificación del triodo depende de los pequeños
cambios de voltaje entre la rejilla y el cátodo, que a su vez causan grandes
cambios en el número de electrones que alcanzan el ánodo. Con el paso del
tiempo se han desarrollado tubos más complejos con rejillas adicionales que
proporcionan mayor amplificación y realizan funciones específicas. Los tetrodos
disponen de una rejilla adicional, próxima al ánodo, que forma una barrera
electrostática entre el ánodo y la rejilla. De esta forma previene la realimentación
de la misma en aplicaciones de alta frecuencia. El pentodo dispone de
tres rejillas entre el cátodo y el ánodo; la tercera rejilla, la más próxima alánodo,
refleja los electrones emitidos por el ánodo calentado por los impactos electrónicos
cuando la corriente de electrones en el tubo es elevada. Los tubos con
más rejillas, denominados hexodos, heptodos y octodos, se usan como
convertidores y mezcladores de frecuencias en receptores de radio.
Prácticamente la totalidad de los tubos de vacío han sido reemplazados
por transistores, que son más baratos, económicos y fiables. Los tubos todavía
desempeñan un papel importante en determinadas aplicaciones, como las etapas
de potencia de los transmisores de radio y televisión o en equipos militares que
deben resistir el pulso de voltaje inducido por las explosiones nucleares
atmosféricas, que destruyen los transistores.
7. Pila Térmica
Baterías de sales fundidas son una clase de célula primaria y célula de la batería
eléctrica de alta temperatura secundaria que utiliza sales fundidas como un
electrolito. En la mayoría de los casos, la sal utilizada es una sal de sodio y a
continuación, se refiere como una batería de sodio líquido a menudo. Ellos ofrecen
tanto una alta densidad de energía a través de la selección adecuada de los pares
de reactivos, así como una alta densidad de potencia por medio de un electrolito
de sal fundida de alta conductividad.
Este tipo de baterías se utilizan cuando se requieren alta densidad de energía y
alta densidad de potencia. Estas características hacen que las baterías
recargables de sales fundidas de un almacenamiento de energía preferida para
equilibrar las plantas de energía con el medio ambiente a cargo. Históricamente,
baterías térmicas a menudo se han utilizado en sistemas de armas guiadas, tales
como superficie para misiles aire-. Baterías de sal fundida recargables son una
tecnología prometedora para la alimentación de los vehículos eléctricos. Con altas
temperaturas de funcionamiento de 400 C a 700 C, que tienen problemas de
gestión y de seguridad térmica, y que ponen requisitos estrictos sobre el resto de
los componentes de la batería. Algunos diseños nuevos, como la batería ZEBRA,
operan a una temperatura inferior de 245 C a 350 C.
Las células primarias
Conocida como baterías térmicas, el electrolito sólido y es inactiva a temperaturas
ambiente normales. El origen de la batería termal se remonta a la Segunda Guerra
Mundial, cuando el científico alemán Dr. Ing.. Georg Otto Erb desarrollado las
primeras células prácticos, el uso de una mezcla de sales como un electrolito. Erb
desarrolló baterías para varias aplicaciones militares, entre ellos el V-1 Bomba de
vuelo y el cohete V-2, y la artillería sistemas de detonación. Sin embargo, ninguna
de estas baterías entró uso en el campo antes del final de la Segunda Guerra
Mundial. Tras el final de la guerra, Erb fue interrogado por la inteligencia británica
y su trabajo se informó en un documento titulado "La teoría y la práctica de las
células térmicas". Esta información fue posteriormente transmitida a los Estados
División de Desarrollo Ordnance Estados de la Oficina Nacional de Normas.
Cuando la tecnología llegó a los Estados Unidos en 1946 se aplicó
inmediatamente a la sustitución de los sistemas a base de líquidos problemáticos
8. que previamente habían sido utilizados para artillería de energía fusibles de la
proximidad. Estas baterías se han utilizado para aplicaciones de artillería desde la
Segunda Guerra Mundial y, con posterioridad a que, en las armas nucleares. Ellos
son la fuente primaria de energía para muchos misiles como el AIM-9 Sidewinder,
MIM-104 Patriot, BGM-71 TOW, BGM-109 Tomahawk y otros. En estas baterías,
el electrolito está inmovilizado en estado fundido por un grado especial de óxido
de magnesio que mantiene en su lugar por la acción capilar. Esta mezcla en polvo
se comprime en gránulos para formar un separador entre el ánodo y el cátodo de
cada celda de la pila de la batería. Mientras el electrolito es sólido, la batería es
inerte y permanece inactivo. Cada célula también contiene una fuente de calor
pirotécnica que se utiliza para calentar la célula a la temperatura de
funcionamiento típica de 400-550C.
Hay dos tipos de diseño. Uno utiliza una tira de espoleta lo largo del borde de los
pellets de calor para iniciar la combustión. La tira de espoleta está típicamente
despedido por un encendedor eléctrico o detonador mediante la aplicación de
corriente eléctrica a través de él. El segundo diseño utiliza un orificio central en el
centro de la pila de la batería en la que el encendedor eléctrico de alta energía se
dispara una mezcla de gases calientes y partículas incandescentes. El diseño del
centro-agujero permite que los tiempos de activación mucho más rápido frente a
cientos de milisegundos para el diseño de borde tira. Activación de la batería
también puede llevarse a cabo por un cebador de percusión, similar a un cartucho
de escopeta. Se desea que la fuente sea sin gas pirotécnico. La fuente de calor
estándar típicamente consisten en mezclas de polvo de hierro y perclorato de
potasio en relaciones en peso de típicamente 88/12, 86/14 y 84/16 - Cuanto mayor
sea el nivel de perclorato de potasio, mayor será la salida de calor.
Esta característica de almacenamiento no activado tiene la doble ventaja de evitar
el deterioro de los materiales activos durante el almacenamiento y, al mismo
tiempo que se elimina la pérdida de capacidad debido a la auto-descarga hasta
que la batería se pone en uso. De este modo, se pueden almacenar
indefinidamente aún proporcionar plena potencia en un instante cuando es
necesario. Una vez activado, que proporcionan una alta ráfaga de energía durante
un corto periodo de más de 60 minutos o más, con potencia de salida que van
desde unos pocos vatios hasta varios kilovatios. La capacidad de alta potencia es
debido a la muy alta conductividad iónica de la sal fundida, que es tres órdenes de
magnitud o más mayor que la de ácido sulfúrico en una batería de coche de
plomo-ácido. Baterías térmicas mayores utilizan ánodos de magnesio o de calcio,
9. con cátodos de cromato de calcio o vanadio o óxidos de tungsteno, pero la
aleación de ánodos de litio-sustituidos estos en la década de 1980, con aleaciones
de litio-silicio está favorecida sobre las aleaciones de litio-aluminio mayores. El
cátodo correspondiente para el uso con los ánodos de aleación de litio es
principalmente disulfuro de hierro con disulfuro de cobalto que se utiliza para
aplicaciones de alta potencia. El electrolito es normalmente una mezcla eutéctica
de cloruro de litio y cloruro de potasio. Más recientemente, otros bajo punto de
fusión, electrolitos eutécticas basado en bromuro de litio, bromuro de potasio, y
cloruro de litio o fluoruro de litio también se han utilizado para proporcionar
tiempos de vida más largo de operación, sino que también son mejores
conductores. El llamado electrolito "todo-litio" sobre la base de cloruro de litio,
bromuro de litio, y fluoruro de litio también se utiliza para aplicaciones de alta
potencia, debido a su alta conductividad iónica.
Estas baterías se utilizan casi exclusivamente para aplicaciones militares, es decir,
armas de "one-shot", tales como misiles guiados. Sin embargo, la misma
tecnología también se estudió por Argonne National Laboratories en la década de
1980 para su posible uso en vehículos eléctricos, ya que la tecnología es
recargable.
Un generador térmico de radioisótopos, por ejemplo, pellets de 90SrTiO4, se
pueden utilizar para la entrega a largo plazo del calor de la batería después de la
activación, manteniéndolo en estado fundido.
Células secundarias
Desde mediados de la década de 1960 gran parte del trabajo de desarrollo se ha
llevado a cabo en las baterías recargables con sodio para los electrodos
negativos. El sodio es atractiva debido a su alto potencial de reducción de -2,71
voltios, su bajo peso, su naturaleza no tóxica, su abundancia relativa y
disponibilidad inmediata y su bajo costo. Con el fin de construir baterías prácticos,
el sodio debe ser utilizado en forma líquida. Desde el punto de fusión de sodio es
98 C esto significa que las baterías basadas en sodio deben funcionar a altas
temperaturas, típicamente en exceso de 270 C.
10. Aplicaciones
Vehículos
Modec eléctrico Van utiliza baterías Zebra para el modelo 2007 y el 3.5 vehículo
de entrega ton IVECO daily fue anunciado a mediados de 2010 - Th nk City ofrece
una opción de batería ZEBRA. En 2011, el Servicio Postal de los EE.UU. comenzó
a probar cinco furgonetas de reparto que se habían convertido a la energía
totalmente eléctrico, uno de los cuales utiliza una batería ZEBRA.
Cuando no está en uso, las baterías ZEBRA están típicamente pagan
continuamente para que permanezcan fundido y listo para su uso. Si se apague y
se deja solidificar, recalentamiento puede requerir hasta dos días para restablecer
la batería a la temperatura deseada y difundir una carga completa. Este tiempo de
recalentamiento varía en función del estado de carga de las baterías en el
apagado, temperatura de la batería-paquete, y la potencia disponible para el
recalentamiento. Después de apagar una batería completamente cargada se gasta
la energía suficiente para enfriar y solidificar en 3-4 días.
