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Universidad de San Carlos de Guatemala Facultad de Ciencias Químicas y Farmacia Escuela de Química Departamento de Fisicoquímica

17:24

Detectores Térmicos Yancy Minnette Juan 201080037

Guatemala, 12 de septiembre de 2013

Índice Tema

Pp.

Detectores Térmicos

1

Termopares

3

Bolómetros

5

Celda de Golay

6

Referencias Bibliográficas

7

Detectores Térmicos Existen dos tipos generales de detectores de radiación; uno responde a los fotones y el otro al calor. Los detectores fotoeléctricos difieren de los detectores de calor en que la señal eléctrica de los primeros es consecuencia de una serie de sucesos individuales, cuya probabilidad se puede describir estadísticamente. Por el contrario, los detectores térmicos, que se emplean mucho en la detección de radiación infrarroja, responden a la potencia promedio de la radiación incidente.

Imagen No. 1: Detectores para instrumentos espectroscópicos

Se observa que la sensibilidad relativa de los detectores térmicos es independiente de la longutud de onda, pero bastante menos que la sensibilidad de los detectores fotoeléctricos.

ImagenNo. 2: Respuesta relativa de varios tipos de detectores fotoelectricos (A-G) y detectores de calor (H-I); H: Termopar; I: Celula de Golay

Los fotodetectores en general no son adecuados para la región infrarrojo, ya que los fotones de esta región no tienen la suficiente energía para causar la fotoemisión de electrones. Por ello, se deben utilizar los detectores térmicos o los detectores de fotoconductividad. En los detectores térmicos, la radiación incide sobre un pequeño cuerpo negro y es absorbida por él; se mide el aumento de temperatura resultante. El problema de la medida de la radiación infrarroja por medios térmicos se complica por el ruido térmico del medio circundante. Por este motivo, los detectores térmicos se mantienen a vacio y se protegen cuidadosamente de la radiación térmica emitida por otros objetos cercanos. Para minimizar aun más los efectos de fuentes caloríficas extrañas, el haz de la fuente se hace incidir habitualmente de modo intermitente. De este modo, la señal del analíto, después de la detección, tiene la frecuencia del cortador y se puede separar electrónicamente de una forma fácil de las señales extrañas las cuales varían solo lentamente con el tiempo.

Termopares Un termopar consiste en un par de uniones que forman soldando los extremos de dos piezas de un metal, como cobre, a otro metal distinto como constantán. Entre las dos uniones se genera un potencial que varia con la diferencia de temperatura de las uniones.

Imagen No. 3: Termopar de hierro y constantán El detector de unión para radiación infrarroja se forma con filamentos muy finos de bismuto y antimonio o evaporando los metales sobre un soporte no conductor. En cada caso, la unión se suele ennegrecer para mejorar su capacidad de absorber calor y se cierra herméticamente en una cámara a vacio con una ventana que es transparente a la radiación infrarroja. Un detector termopar bien diseñado es capas de responder a diferencias de temperatura de 10 6 K. Esta diferencia corresponde a una diferencia de potencial de 6 a 8 µV/µW aproximadamente. El termopar de un detector de infrarrojo es un dispositivo de baja impedancia que generalmente se conecta a un preamplificador diferencial de alta impedancia, como el circuito con transistor de efecto de campo (ver imagen no 4). Un seguidor de tensión, también se utiliza como un acondicionador de señal en los circuitos del detector de termopar.

Imagen No 4: Termopar y preamplificador

Imagen No. 5: Amplificador operacional seguidor de tensión

Bolómetro Un bolómetro es un instrumento que mide la cantidad total de radiación electromagnética que viene de un objeto en todas las longitudes de onda. La medida se realiza por medio de una medida de la temperatura de un detector iluminado por la fuente a estudiar. Un bolómetro consiste de un cuerpo absorbente de calor conectado a un sumidero de calor (un objeto mantenido a temperatura constante) a través de un material aislante. El resultado es que cualquier radiación absorbida por el detector aumenta su temperatura por encima del sumidero de calor que actúa de referencia. La radiación absorbida se mide por lo tanto a partir del contraste de temperatura entre el detector y la referencia. En algunos bolómetros el termómetro actúa también como absorbente mientras que en otros el termómetro y el detector son dispositivos diferentes. Este tipo de bolómetros se denominan de diseño compuesto. En bolómetros del primer tipo la temperatura se mide por medio de la variación de la resistencia del absorbente (metálico) en función de su temperatura. Los bolómetros no se utilizan tanto como los detectores de infrarrojo en la región del infrarrojo medio. Sin embargo, un bolómetro de germanio, que funciona a 1,5K, es casi un detector ideal para la radiación comprendida entre 5-400 cm-1 (2.000-25µm)

a. b. Imagen No. 6: Ejemplos de bolómetros (a.) Bolómetro Centelleador (b.) Bolómetro MEMS

Celda de Golay Una celda Golay es un detector de luz de alta eficiencia que principalmente se usa para detectar la luz infrarroja. Las celdas Golay son cilindros pequeños de metal con una lámina de metal oscurecida en una punta y una membrana flexible en la otra. Las celdas contienen gas xenón que se calienta cuando la luz infrarroja golpea en la lámina de metal. Conforme se expande el gas calentado, la presión en el cilindro causa que la membrana cambie de forma. Después, una lámpara brilla en la membrana y separa la fotocelda usada para medir la salida de la celda Golay. Esto ayuda a medir la cantidad de radiación infrarroja que se haya producido. El concepto de una celda de Golay fue descrito por primera vez por Marcel J. E. Golay. La celda de Golay presenta alta sensibilidad, y tiene un tiempo de respuesta de aproximadamente 10ms. El rendimiento del detector se degrada en la presencia de vibraciones mecánicas.

Imagen No. 7: Esquema de una Celda de Golay

Referencias Bibliográficas

1. Sin Autor. Deteccion de partículas con Bolometro y Centelleadores. Encontrado en: http://www.unizar.es/lfnae/rosebud/paginas/p0300.html Consultado el 8 de septiembre de 2013.

2. Sin Autor. Los Detectores. Encontrado en: http://www.coloryapariencia.com.ar/detector.htm Consultado el 9 de septiembre de 2013.

3. Sin Autor. Termopar. Encontrado en: http://www.uam.es/docencia/labvfmat/labvfmat/Anexo/termopar.htm Consultado el 9 de septiembre de 2013.

4. Skoog A. Leary J. Analisis Instrumental. Madrid. Editorial McGraw Hill, 1994. 5. TYDEX. Golay Cell. Encontrado en: http://www.tydexoptics.com/products/thz_optics/golay_cell/. Consultado el 8 de septiembre de 2013.