Apresentando um Detector
Imagine que você está em uma sala de concertos. Como você detecta a música? Você pode sentir as vibrações dos instrumentos, mas provavelmente ouvirá a música com seus ouvidos. As orelhas são detectores de som. Seus ouvidos captam as ondas sonoras e seu cérebro dá sentido às informações que você recebe.
Infelizmente, você está muito longe no corredor e mal consegue detectar a música. O que você poderia fazer para ouvir melhor a música? Você pode se aproximar ou virar a cabeça na direção da música; isso vai ajudar um pouco. Boa! A amplificação do som também ajudaria seus ouvidos a detectar a música.
Agora as pessoas ao seu redor estão começando a falar. Isso está interferindo em você ouvir a música. Isso está atrapalhando; o barulho está incomodando você. Novamente, você tentaria se afastar do ruído ou pelo menos filtrá-lo para que ficasse em segundo plano. A coisa mais importante que você quer fazer é melhorar o quão bem seus ouvidos podem detectar a música. E é sobre isso que aprenderemos nesta lição. Não como melhorar sua audição, mas como melhorar a detecção de sinais em técnicas espectroscópicas.
Detectores em espectroscopia
Você deve se lembrar que a espectroscopia é o estudo de como a luz interage com a matéria. Ele nos permite descobrir a estrutura de materiais desconhecidos e é comumente usado em laboratórios de química em todo o mundo. Para fazermos isso, devemos ser capazes de detectar a luz.
Um detector espectroscópico é um dispositivo que produz um sinal elétrico quando é atingido por fótons. E um fóton é uma partícula de luz que contém uma quantidade finita de energia, dependendo de sua frequência. Essa capacidade de converter fótons em um sinal mensurável é muito importante. A maneira como os fótons são convertidos varia, mas os detectores podem ser divididos em dois tipos principais. O primeiro tipo explora o efeito fotoelétrico e o segundo tipo é baseado nas propriedades dos semicondutores.
O efeito fotoelétrico pode ser simplesmente descrito como a observação de que muitos metais emitem elétrons quando uma luz de alta energia os atinge. Esses elétrons ejetados, ou fotoelétrons, são coletados e medidos como uma corrente elétrica.
Um semicondutor , simplesmente, é um material que pode conduzir eletricidade de forma controlada. Os detectores baseados em semicondutores não ejetam fotoelétrons da superfície de um metal. Em vez disso, os fótons absorvidos excitam e promovem os elétrons da banda de valência para a banda de condução. Essa excitação resulta em buracos deixados pelos elétrons. Isso permite que a corrente flua através do material, que é coletado e medido.
Agora, um detector perfeito seria capaz de converter os fótons de energia em um sinal elétrico com 100% de eficiência. Em outras palavras, o tamanho da corrente produzida é diretamente proporcional ao número de fótons que atingem o detector. Infelizmente, esse não é o caso. As limitações incluem a faixa de detecção, tempo de resposta do detector e ruído. Assim como nós ouvimos música, o ruído externo é um problema real. Todos os detectores geram pequenos sinais que não correspondem à absorção de um fóton. O ruído não contém nenhuma informação útil e, assim como nossos colegas de concerto que falam, pode atrapalhar seriamente o que queremos detectar. É importante saber que os detectores podem ser modificados para reduzir o ruído ao mínimo.
Agora que entendemos basicamente como os detectores funcionam, vamos dar uma olhada em duas maneiras pelas quais os detectores podem ser adaptados para melhorar o desempenho.
Melhorando a detecção – tubos fotomultiplicadores
O primeiro tipo de detector que consideraremos é o detector fotocátodo. Ele usa o efeito fotoelétrico para gerar um sinal e funciona acelerando os fótons ejetados em direção a um ânodo. Os fotocátodos são detectores eficazes, mas sua sensibilidade pode ser limitada. Para aumentar a sensibilidade, um dispositivo chamado tubo fotomultiplicador (ou PMT) é usado.
A principal vantagem de um tubo fotomultiplicador é que os fotoelétrons são amplificados usando uma cadeia de dinodos. Um dínodo pode ser visto como uma superfície de metal que facilmente libera vários elétrons cada vez que é atingido por um elétron acelerado. Elétrons acelerados atingem um dínodo positivo, que remove vários elétrons do dínodo. Esses novos elétrons são acelerados em direção ao próximo dínodo e ainda mais elétrons são eliminados. Este processo é repetido várias vezes e mais de 1.000.000 de elétrons são coletados para cada elétron que atinge a primeira superfície.
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Você pode pensar nisso como uma bola de neve rolando montanha abaixo. Aqui temos uma pequena bola de neve no topo da montanha e então ela começa a rolar morro abaixo. À medida que avança, ele ganha impulso e massa até que você tenha uma enorme bola de neve no fundo!
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Os PMTs aumentam drasticamente a sensibilidade sem aumentar o ruído indesejado. Intensidades extremamente baixas de luz podem ser detectadas e medidas. PMTs funcionam bem com uma ampla variedade de espectrômetros. Curiosamente, por mais sensível que seja o fotomultiplicador, o olho humano é 10 vezes mais sensível!
Melhorando a detecção – Matriz de fotodiodo
Os detectores contendo PMTs varrem lentamente um espectro de um comprimento de onda de cada vez. Mas em uma matriz de fotodiodo , todos os comprimentos de onda podem ser medidos rapidamente de uma vez. Uma matriz de fotodiodo é encontrada em detectores que usam semicondutores para coletar um sinal. Bem, não vou entrar em muitos detalhes aqui, porque semicondutores podem ser muito complicados. Mas precisamos saber o básico para ver como esses arrays funcionam.
Um semicondutor consiste em duas regiões: tipo n, que tem excesso de elétrons carregados negativamente, e tipo p, que tem buracos carregados positivamente em excesso. Um diodo é a junção entre as duas regiões chamada junção pn. Os elétrons próximos ao diodo derivam para a região do tipo p e os buracos desviam para o outro lado. Essa deriva resulta em uma zona de depleção que possui um campo elétrico, permitindo que a corrente flua em apenas uma direção.
É possível manipular a deriva dos elétrons e lacunas aplicando um potencial externo, ou polarização, ao diodo. Também podemos controlar o tamanho e a direção da barreira potencial. Se algo chamado polarização reversa for aplicada, os buracos serão direcionados para a carga negativa e os elétrons serão direcionados para a carga positiva. Isso tem o efeito de alargar a zona de depleção, aumentando a barreira de potencial e evitando que as correntes fluam. Em vez disso, a carga é armazenada em ambos os lados da junção.
Podemos usar isso a nosso favor. Quando a luz atinge o semicondutor, elétrons livres e buracos são feitos e eles migram para sua carga oposta. À medida que esses pares elétron-lacuna são separados e acelerados em direções opostas pelo campo elétrico, uma corrente é produzida; é essa corrente que medimos.
Vários detectores de fotodiodo podem ser dispostos em uma matriz, conhecida como uma matriz de fotodiodo (ou PDA). Esses arrays funcionam em paralelo, permitindo a coleta de muito mais dados com o mesmo tempo de resposta. Os PDAs podem ser ajustados para diferentes comprimentos de onda e são úteis em uma ampla variedade de aplicações. Uma grande desvantagem dos PDAs é que eles não são tão eficazes na detecção de números muito pequenos de fótons em comparação com tubos fotomultiplicadores.
Resumo da lição
Nesta lição, você aprendeu que, na espectroscopia, um detector produz sinais elétricos quando a luz incide sobre ele.
Os detectores podem ser divididos em dois tipos principais. Usa-se o efeito fotoelétrico , que é a observação de que muitos metais emitem elétrons quando uma luz de alta energia os atinge. E o segundo tipo usa um semicondutor , um material que pode conduzir eletricidade de forma controlada.
É importante maximizar o sinal detectado e discutimos duas maneiras diferentes de fazer isso. A primeira é usar um tubo fotomultiplicador , onde os fotoelétrons são amplificados usando uma cadeia de dinodos. Os PMTs aumentam drasticamente a sensibilidade sem aumentar o ruído indesejado. Eles funcionam bem em intensidades de baixa luminosidade e têm uma ampla variedade de usos.
A segunda forma discutida foi a matriz de fotodiodos , encontrada em espectrômetros de semicondutores. Os PDAs medem todos os comprimentos de onda de uma só vez, proporcionando tempos de aquisição mais rápidos e uma boa relação sinal-ruído. Uma desvantagem é que eles não são tão eficazes na detecção de números muito pequenos de fótons em comparação com os tubos fotomultiplicadores.
Resultados de Aprendizagem
Você deve ser capaz de fazer o seguinte após esta lição:
- Lembre-se do propósito de um detector em espectroscopia
- Descreva os dois tipos principais de detectores
- Explique duas maneiras de maximizar o sinal detectado