Que detector pode ser usado em conjunto com um sistema VUV?

Os princípios dos detectores VUV são os mesmos utilizados para as detecções no visível e infravermelho – fotoemissão superficial e criação de pares elétron-lacuna em materiais semicondutores. No entanto, na maioria das vezes, os detectores VUV devem operar em ambiente evacuado, especialmente quando se trata de detectar radiações EUV ou raios X duros.

Um fotodiodo é uma junção pn ou junção pin. Ele converte luz em corrente ou tensão usando o efeito fotoelétrico interno. O uso de fotodiodos de silício em comprimentos de onda VUV tem sido tradicionalmente limitado pela forte absorção de fótons VUV na camada externa de passivação de _SiO₂ que cobre a junção pn desses dispositivos.

A redução da espessura da região de passivação de _SiO₂ para cerca de 5 a 10 nm melhora significativamente sua sensibilidade. Materiais comuns para fotocátodos no ultravioleta extremo (VUV) são CsTe, CsI e KBr. Esses materiais combinam alta eficiência quântica no VUV com uma resposta insensível à luz solar (à luz visível). São robustos e de baixo custo.

Um tubo fotomultiplicador (PMT) é construído dentro de um tubo de vácuo equipado com uma janela de entrada em frente a um fotocátodo, eletrodos de focalização, múltiplos estágios de dinodos e um ânodo. Os dinodos atuam como multiplicadores de elétrons, permitindo a detecção de baixos fluxos incidentes. Materiais úteis para janelas de PMT incluem sílica fundida, _MgF₂, LiF e safira na faixa de 105-200 nm.

Para faixas espectrais abaixo de 105 nm até alguns nanômetros, um revestimento fluorescente pode ser depositado na janela do fotomultiplicador (PMT) para converter a luz VUV em comprimentos de onda mais longos. Revestimentos como o salicilato de sódio são comumente usados para converter a radiação VUV em luz visível. Sua eficiência é relativamente constante para luz VUV de 30 a 200 nm, com emissão de pico em torno de 430 nm. Nessas condições, um PMT clássico selado, operando atrás de uma janela de _MgF₂ revestida com salicilato de sódio, pode funcionar em uma câmara de pressão atmosférica. Lumogen, terfenil e coroneno são outras alternativas ao salicilato de sódio.

Alguns fotomultiplicadores (PMTs) podem operar diretamente evacuados, sem janela ou fotocátodo. Nesse caso, o primeiro dinodo é diretamente sensível à radiação ultravioleta extrema (VUV). O óxido de berílio é o material mais utilizado, mas outros materiais, como CsI, CuI, KCl e MgF₂_, podem ser evaporados sobre o dinodo para otimizar a resposta do detector. A resposta típica desses detectores varia de 30 a 140 nm. Embora o princípio do fotomultiplicador seja bastante simples, esses detectores devem ser armazenados e manuseados com cuidado devido à deliquescência do material.

Um MCP-PMT consiste em uma matriz 2D de capilares que funcionam como multiplicadores de elétrons individuais e um ânodo. Os MCPs são diretamente sensíveis à radiação EUV e raios X (150 nm a 1 keV) e não requerem um fotocátodo como aqueles que operam na faixa UV/Visível. Com sua capacidade de detecção de fótons VUV e um tempo de resposta de centenas de picossegundos, esses detectores são a melhor escolha para investigações espectrais em EUV e domínios na escala de nanossegundos, como o tempo de vida da fluorescência (técnica TCSPC). Eles têm um custo acessível em comparação com a maioria dos detectores CCD.

Um MCP montado com uma tela de fósforo pode equipar um detector de matriz 2D. Nesse caso, ele combina a sensibilidade de contagem de fótons individuais de um PMT com a capacidade de imagem de alta resolução de um detector CCD.

Detectores CCD para VUV são câmeras clássicas de nível científico. Podem ser usados para imageamento ou espectroscopia. Somente os detectores retroiluminados (BI) sem janela são compatíveis com toda a faixa do VUV, devido à maior facilidade de penetração dos fótons UV em sua estrutura de silício mais fina. São totalmente compatíveis com vácuo (detector posicionado dentro da câmara de vácuo) ou com um acessório externo (apenas evacuação interna). Detectores EMCCD ou sCMOS começam a ser empregados em experimentos com VUV. Detectores de eletrodo aberto com iluminação frontal podem apresentar sensibilidade de até 120 nm quando revestidos com Lumogen.

Em conclusão, os CCDs de quadro completo com iluminação traseira são a melhor escolha para espectroscopia VUV.

A teoria do CCD é explicada na seção OSD deste livro. Recomendamos que você consulte este capítulo para obter uma explicação mais detalhada.

Um espectrógrafo é um instrumento que dispersa a luz incidente em um espectro, enquanto um monocromador seleciona uma faixa estreita de radiação a partir do amplo espectro de radiação. Uma configuração monocromática permite que o instrumento opere tanto no modo monocromático quanto no modo espectrográfico.

A dispersão linear de uma grade de difração varia com o comprimento de onda. Quanto menor o comprimento de onda, maior será a dispersão. Consequentemente, a dispersão de um espectrógrafo é, na maioria das vezes, inferior a 1 nm/mm para uma cobertura total de cerca de 25 nm com uma eficiência razoável em EUV. Portanto, a cobertura de 100 nm requer mais de uma grade de difração.

A refletância de todos os materiais cai drasticamente abaixo de cerca de 100 nm em incidência normal. Como a refletância aumenta com o ângulo de incidência, os instrumentos VUV são melhor otimizados para EUV quando suas ópticas operam com uma configuração de incidência rasante.

Neste arranjo óptico VUV, utiliza-se um grande ângulo de desvio. A Figura 17 mostra a refletância do alumínio com revestimento de fluoreto de magnésio (_AlMgF₂), a partir da qual podemos observar a melhoria da eficiência abaixo de 100 nm com um desvio de 160°. Esse grande ângulo entre o feixe e a superfície é denominado "ângulo rasante".