Fisicoquímica

Fotoquímica

El almacenamiento óptico de datos 3D es el término con el que se le denomina a cualquier forma de almacenamiento óptico de datos, donde la información puede ser almacenada o leída con resolución 3D.^1 2

Esta tecnología tiene la capacidad de almacenamiento masivo a nivel petabyte en dispositivos del tamaño de un DVD. El almacenamiento de datos y su lectura se obtienen mediante un láser a través del medio. Sin embargo, es necesario que la luz láser viaje a través de distintos puntos antes de llegar al punto de lectura o grabación deseado; esto se debe a la naturaleza volumétrica de la estructura de datos. Por consiguiente es necesario un grado de no linealidad para asegurar que los puntos de datos no interfieran con el direccionamiento del punto deseado. En la actualidad no existe ningún producto comercial en el mercado basado en almacenamiento óptico de datos 3D, sin embargo una serie de empresas están investigando y desarrollando la tecnología para que en un futuro sea utilizada.

Descripción general

Medios de almacenamiento ópticos actuales, tales como el CD y DVD, almacenan la información en forma de una serie de marcas reflectivas sobre la superficie interna del disco. Con el fin de aumentar la capacidad de almacenamiento, es posible que los discos mantengan dos o más capas de datos. Sin embargo el número de capas es limitado, debido a que el láser puede interactuar con cada una de las capas a través del medio para llegar a la capa objetivo. Estas interacciones causan ruido que limita la tecnología a aproximadamente 10 capas. El almacenamiento óptico de datos 3D soluciona este problema mediante el uso de métodos de direccionamiento, en donde únicamente el voxel (píxel volumétrico) objetivo interactúa con el haz de luz.

Esto involucra la lectura de datos no lineales así como métodos de escritura con óptica no lineal. El almacenamiento óptico de datos 3D es relacionado con el almacenamiento holográfico. Tradicionalmente los ejemplos de almacenamiento holográfico no son relacionan con almacenamiento 3D. Recientemente el almacenamiento 3D ha sido usado en el campo de los microhologramas.

Representación esquemática de la sección transversal de un disco de almacenamiento óptico 3D (en amarillo) y las pistas de datos (en anaranjado). Se observan cuatro capas de datos, con el láser apuntando a la tercera desde la parte superior. El láser pasa a través de las dos primeras capas y sólo interactúa con la tercera, ya que aquí la luz alcanza su intensidad máxima.

Un ejemplo de almacenamiento óptico de datos 3D puede ser parecido a un DVD transparente. Dicho disco contiene múltiples capas de información y múltiples capas de profundidad, las cuales consisten en espirales de pistas. Para grabar información en el disco, el láser deberá enfocarse a cierta profundidad de la media (dispositivo), la cual corresponderá a un capa específica de información. Cuando el láser es encendido provoca una reacción fotoquímica la cual induce un cambio de la media (dispositivo). La distancia entre las capas puede ser entre 5 a 100 micrómetros, permitiendo que la información almacenada en el disco sea 100 veces mayor a la de un disco actual.

Con el fin de leer los datos, se realiza un procedimiento similar excepto que esta vez, en vez de causar un cambio fotoquímico el láser produce fluorescencia. Esto se consigue mediante el uso de un láser de capacidad inferior o un láser de diferente longitud de onda. La intensidad o longitud de onda de la fluorescencia es diferente dependiendo si se ha escrito en un punto específico; los datos pueden ser leídos al medir la luz emitida.

El tamaño de las moléculas cromóforas individuales o de los centros de color fotoactivos es mucho más pequeño que el tamaño del haz del láser (está determinado por el límite de su difracción). Por consiguiente la luz se dirige a un gran número de moléculas en un momento dado, permitiendo que la masa homogénea trabaje como una matriz estructurada por la posición de los cromóforos.

Historia

En 1950, Yehuda Hirshberg desarròllo un espiropirano fotocromático, y se sugirió que se usara para el almacenamiento de datos.³ En los 1970, Valeri Barachevskii demostró⁴ que el efecto fotocromático puede ser producido por dos fotones. A finales de 1980, Peter M Rentzepis demostró que esto podría llegar a ser el almacenamiento de datos en 3D.⁵ La mayoría de los sistemas desarrollados se basan en la idea original de Peter M Rentzepis. Una amplia gama de fenómenos físicos para la lectura y grabación de datos han sido investigados. Un gran numero de sistemas químicos han sido desarrollados y evaluados. Con un extenso trabajo se ha llevado a cabo la solución de los problemas asociados en los problemas ópticos. Actualmente varios grupos se mantienen trabajando en diferentes niveles de desarrollo y en el interés de su comercialización.

Procesos para la creación de escritura de datos

La grabación de datos en un almacenamiento óptico 3D requiere un cambio en el medio tras la excitación, generalmente esta reacción fotoquímica es de algún tipo, aunque existen otras posibilidades. Las reacciones químicas que han sido investigadas incluyen las reacciones químicas fotoisomerización, fotodescomposición,fotoblanqueo y polimerización. Mas investigaciones han sido compuestos fotocromáticos en las que incluyen azobencenos, espiropiranos, estilbenos, fulgidas, diariletenos y su posible uso como interruptores moleculares. Si el cambio fotoquímico es reversible por consiguiente puede se lograr el almacenamiento regrabable de datos, al menos en principio. También seria viable un grabado multicapa donde los datos se escriben en “escalas de grises”, en lugar de señales de “encendido” y “apagado”.

Micro-holografía

En micro-holografía se utiliza los rayos de luz que son enfocados para grabar hologramas de tamaño sub-micrométrico en un material fotorefractivo, utilizando haces de luz colineales. El proceso de escritura puede utilizar los mismos tipos de dispositivos que se utilizan en otros tipos de almacenamiento de datos holográficos y se puede utilizar procesos de 2 fotones para generar los hologramas.

Grabado de datos durante la Fabricación

Los datos también pueden ser grabados en la fabricación de los dispositivos, como es el caso de la mayoría de discos ópticos para la distribución de datos comerciales. En este situación, el usuario no puede escribir en el disco-en un formato ROM. Los datos pueden ser grabados por un método óptico no línea, pero en el caso del uso de láseres de alta potencia es aceptable que la sensibilidad media. En este caso, el usuario no puede escribir en el disco - es un formato ROM. Los datos pueden ser escritos por un método óptico no lineal, pero en este caso el uso de láseres de alta potencia es aceptable por lo que la sensibilidad media se convierte en un problema menos.

Se ha demostrado la fabricación de discos que contienen datos moldeados o impresos en su estructura 3D. Por ejemplo, un disco que contiene datos en 3D puede ser construido intercalando un gran número de discos delgados, cada uno de los discos se moldea con una sola capa de información. El disco ROM resultante puede ser leído utilizando un método de lectura 3D.

Otros métodos de escritura

Se ha examinado distintas técnicas para la escritura de datos en 3D, en las que incluyen:

• Quemador espectral persistente de agujero (Persistent spectral hole burning) PSHB), permite la posibilidad de multiplexación espectral para el aumento de densidad de datos. Sin embargo, los medios actuales de comunicación PSHB requieren mantener temperaturas extremadamente bajas para evitar la perdida de datos.
• Formación de huecos: donde las burbujas microscópicas se introducen en un medio de comunicación debido a la alta densidad de irradiación láser.⁶
• Polarización de cromóforo, donde la reorientación en la estructura de los medios de comunicación a cambios legibles de los cromóforos es inducida por láser.⁷

Diseño de medios

La parte activa de los medios de almacenamiento óptico 3D es por lo general un polímero orgánico ya sea dopado con la especies fotoquímicamente activas. Se han sugerido varios factores de forma para los medios de almacenamiento óptico de datos 3D, como por ejemplo:

• Disco: la manera de utilizar el disco ofrece una progresión proveniente del CD/DVD, llevando a cabo el método giratorio para la lectura y escritura.
• Tarjeta: Como por ejemplo una tarjeta de crédito como factor de media resulta ser atractivo desde el punto de vista de portabilidad y comodidad, aun siendo su capacidad inferior a la de un disco.
• Cristal, cubo o esfera: distintos escritores de ciencia ficción han sugerido pequeños almacenes sólidos que contengan grandes cantidades de información y esto se podría lograr por medio del almacenamiento óptico de datos 3D

Diseño de dispositivo

Un dispositivo diseñado para leer y escribir un tipo de almacenamiento de datos ópticos en 3D el cual puede tener mucho en común con los dispositivos CD/DVD, particularmente si el factor forma y la estructura de datos de ese tipo de almacenamiento es similar a la del CD o al DVD. Sin embargo, existe un buen número de diferencias que se deben tomar en cuenta cuando se diseña este tipo de dispositivo, incluyendo:

• El láser. Particularmente cuando se usa una absorción de dos fotones, se puede requerir láser de alto poder los cuales pueden resultar estorbosos, difíciles de enfriar y tener problemas de seguridad. Las unidades de disco ópticas actuales utilizan láseres de diodo de ondas continuas los cuales operan a 780nm, 658nm, o 405nm, las unidades de almacenamiento óptico pueden requerir láseres en estado sólido o láseres pulsados, y existen múltiples ejemplos que usan la longitudes de onda altamente disponibles en este tipo de tecnologías, como la 532nm (verde).

• Corrección de la aberración esférica variable. Debido a que el sistema debe dirigirse a diversas profundidades en el dispositivo de almacenamiento y que a diferentes profundidades la aberración esférica inducida en el frente de la onda es diferente, se requiere de un método que explique de manera dinámica estas diferencias. Existen muchos métodos factibles que incluyen elementos ópticos que se intercambian dentro y fuera de la vía óptica, elementos en movimiento,óptica adaptativa y lentes de inmersión.

• Sistema óptico. En muchos ejemplos de sistemas de almacenamiento de datos 3D se usan diferentes tipos de longitudes de onda (colores) de luz (ej. el láser para leer, el láser para escribir, de señalización: a veces se requiere de dos láseres solo para escribir. Por consiguiente, igual que copiar con un poder láser elevado y la aberración esférica variable, el sistema óptico, debe combinar y separar estos colores diferentes de luz en el momento en que se requiera.

• Detección. En las unidades de DVD la señal que produce el disco es un reflejo del rayo láser, y por lo mismo es muy intensa. Sin embargo, para el almacenamiento óptico 3D, la señal debe generarse dentro del pequeñísimo volumen al que se dirige el rayo y por consiguiente es mucho más débil que la luz de un láser. En resumen, la fluorescencia se radia en todas direcciones desde el punto al que se dirige la luz y es por esta razón que se deben de usar series ópticas de luz especial para maximizar la señal.

• Rastreo de datos. Una vez que estos se identifican en el eje z, se puede acceder a capas individuales de datos como las del DVD y rastrearlas de formas similares en el DVD. Se ha demostrado también la posibilidad de usar objetivos paralelos o basados en páginas. Esto permite una transferencia de datos mucho más rápida, pero requiere de una complejidad adicional de modulaciones de luz espacial, imagen de señalización y un manejo de datos más complejo.

Desarrollo comercial

Además de la investigación científica, algunas empresas empezaron a comercializar bases de datos de almacenamiento óptico 3D y algunas grandes corporaciones también han mostrado un interés en la tecnología.

Sin embargo, todavía no es seguro que la tecnología vaya a tener éxito en este mercado en comparación de otros productos como el disco duro, memoria flash y lamemoria holográfica.

• Call/recall ⁸ fue creado en 1987 con la base de investigación de Peter Rentzepis. Usando grabación de 2 fotones (a 25Mbit/s con 6.5 ps, 7nJ, 532 nm pulsos), 1 lectura de fotón (con 635mm) y un lente de inmersión con NA elevado (1.0), han almacenado 1TB en 200 capas de un disco duro de 1.2 mm⁹ El objetivo es mejorar la capacidad hasta >5 TB y dentro de un año se espera que los índices de información mejoren hasta un nivel superior a 250Mbit/s conforme al desarrollo de nuevos materiales, además de pulsos de energía elevados por medio de diodos de láser azul.
• Mempile ¹⁰ esta desarrollando un sistema comercial de nombre TeraDisk. En Marzo 2007, demostraron la grabación y la lectura de 100 capas de informacione en un disco duro de 0.6 mm, además de baja replica, sensibilidad elevada y estabilidad termodinámica.¹¹ Intentaron de sacar un producto al consumidor, láser rojo 0.6-1.0 TB, en 2010 y un roadmap hacia un producto de 5 TB de láser azul.¹²
• Constellation 3D han desarrollado el disco fluorescente multicapa, al fin de la década de los 90, era un disco ROM, manufacturado capa por capa. La empresa quebró en 2002, pero la Propiedad Intelectual 8IP9 fue adquirida por D-Data Inc.,¹³ quien intento introducirlo como Disco digital multicapa (DMD).
• Storex Technologies ¹⁴ ha estado desarrollado dispositivos 3D basados en lentes fluorescentes foto-sensibles y materiales cerámicos. La tecnología deriva del patente del científico rumano Eugen Pavel, quien también es el fundador y jefe de la empresa. Durante la conferencia ODS2010 fueron presentados los resultados relativos a la lectura por dos métodos no-fluorescentes de un disco óptico petabyte.
• Landauer Inc. ¹⁵ está desarrollando un dispositivo basado en la absorción resonante de 2 fotones en un sustrato de zafiro monocristalino. En Mayo 2007, mostraron el grabado de 20 capas de información usando 2 nJ de energía láser (405nm) por cada marca. La tasa de lectura está limitada a 10 Mbit/s
• Colossal Storage:¹⁶ aspira a desarrollar un tecnología de almacenamiento óptico holográfico 3D basado en la inducción por fotones de polarización del campo eléctrico, usando un láser UV lejano para obtener grandes mejoras por encima de la capacidad de datos actuales y la tasa de transferencia, pero hasta ahora no han presentado ninguna investigación experimental o análisis viable.¹⁷
• Microholas ¹⁸ de la Universidad de Berlín, debajo de la directiva del profesor Susanna Orlic, y ha logrado la grabación de más de 75 capas de datos micro-holográficos, separados por 4.5 micrómetros, y sugiriendo una densidad de datos de 10 GB por capa.
• 3DCD Technology Pty. Ltd. ¹⁹ es una universidad creada para desarrollar tecnología de almacenamiento óptica 3D basado en materiales identificados por Daniel Day y Min Gu.
• Algunas grandes empresas de tecnología como Fuji, Ricoh y Matsushita han invertido en una patente de materiales receptivos a 2 fotones para aplicaciones, incluyendo almacenamiento de datos ópticos 3D. Sin embargo, no han obtenido soluciones sobre este desarrollando.

Un centelleador es un material que centellea, o sea, exhibe luminiscencia¹ cuando por él pasa radiación ionizante (electrones, positrones u otras partículas o iones más pesados). Esto se produce porque el material absorbe parte de la energía de la partícula incidente y la reemite en forma de un corto destello de luz, típicamente en el rango de la luz visible. Si esta reemisión es rápida (en menos de unos 10^–8 s), el fenómeno se conoce como fluorescencia. De lo contrario, si la excitación es metaestable y dura demicrosegundos a horas, nos referimos al fenómeno como fosforescencia.

Hablamos de un detector de centelleo o detector centelleador cuando unimos un material centelleador a un sensor de luz, como por ejemplo un PMT (photomultiplier tube: tubo fotomultiplicador) o un fotodiodo. El fotomultiplicador absorbe la luz emitida por el centelleador y la reemite como electrones por efecto fotoeléctrico, y a continuación hace que los electrones se multipliquen en una cascada de dinodos a mayor y mayor potencial eléctrico y acaban por producir una corriente eléctrica. Los fotodiodos generan la corriente en un fragmento de silicio.

DETECTORES CENTELLEADORES

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 Una desventaja de los contadores gaseosos es su baja eficiencia para muchas radiaciones de interés en física nuclear: el rango de un rayo gamma de 1 MeV en aire es del orden de 100 m. Los detectores sólidos tienen densidades más altas que dan probabilidades de absorción razonables para un tamaño normal del detector.

  Para crear un detector sólido se debe adquirir un compromiso entre dos criterios enfrentados:

1.   El material debe ser capaz de soportar un campo eléctrico grande, de manera que los electrones y los iones puedan ser recogidos para formar un pulso electrónico. Además en ausencia de radiación el flujo de corriente debe ser mínimo o nulo para que el ruido de fondo sea bajo.
2.   Los electrones deben ser fácilmente extraídos de los átomos y en gran número por la radiación, y los electrones e iones deben ser capaces de viajar fácilmente en el material.

 La primera condición parece exigir un material aislante, mientras que la segunda sugiere usar un conductor. El compromiso obvio es un semiconductor, tal como veremos. Materiales semiconductores de tamaño suficientemente grande para construir detectores de radiación útiles (decenas de cm3) no llegaron a estar disponibles hasta finales de la década de los 60 y para cubrir la necesidad de dispositivos espectroscópicos nucleares de alta eficiencia y una resolución razonable, los contadores centelleadores fueron desarrollados durante los años 1950.

 Los contadores centelleadores solucionan el dilema de la elección del material del siguiente modo: los electrones que se forman en el proceso de ionización no son los mismos que los del pulso electrónico. El intermediario entre ambos es la luz ordinaria.

 El proceso completo es como sigue:
1) - La radiación incidente interacciona con los átomos y moléculas del material excitándolos.
2) - Los estados excitados se desexcitan emitiendo luz visible (o próxima al visible) de fluorescencia.
3) - La luz llega a una superficie fotosensible arrancando fotoelectrones.
4) - Los electrones se aceleran y se multiplican para formar un pulso eléctrico en el tubo fotomultiplicador.

Esquema del funcionamiento de un centelleador

 Existe una amplia variedad de centelleadores y tubos fotomultiplicadores disponibles, dependiendo de la aplicación en la que se va a usar. Las propiedades que hay que considerar en la elección del material incluyen la fracción de la energía incidente que aparece como luz, la eficiencia (la probabilidad de que la radiación sea absorbida), el tiempo de respuesta y la resolución en energía.

 Para entender como funciona un centelleador, debemos considerar el mecanismo por el cual la energía puede ser absorbida excitando electrones atómicos. Hay dos tipos básicos de detectores, aquellos compuestos de materiales orgánicos y aquellos de materiales inorgánicos.

 En los centelleadores orgánicos (que pueden ser líquidos o sólidos), la interacción entre las moléculas son relativamente débiles, y podemos ver sus propiedades en términos de los estados excitados discretos de las moléculas. Hay dos modos en los que las moléculas absorber la energía: los electrones pueden ser excitados a estados electrónicos superiores (saltos entre niveles electrónicos), o bien los átomos de la molécula pueden empezar a vibrar (saltos entre niveles vibracionales). Las energías típicas vibracionales son del orden de 0.1 eV, mientras que las energías de excitación electrónicas son del orden de unos pocos eV. La siguiente figura, esquematiza bien todo esto:

Esquema de los niveles electrónicos y vibracionales de una molécula

 Los electrones excitados son generalmente aquellos que no están muy implicados en la ligadura de la molécula. En los hidrocarburos aromáticos, tales como los que presentan la estructura de anillo del benceno, tres de los cuatro electrones de valencia del carbono están en orbitales híbridos s que están localizados entre cada carbono, sus dos carbonos vecinos y un hidrógeno. El cuarto electrón, que está en un orbital p, no está tan localizado y no participa tanto en el proceso de ligadura entre los átomos como los electrones s. Es este electrón p el que es responsable principalmente del proceso de centelleo.

 La radiación incidente interacciona con muchas moléculas, perdiendo unos pocos eV en cada interacción al excitarlas. Muchos posibles estados vibracionales pueden ser excitados (y también muchos posibles estados electrónicos). Los estados vibracionales excitados decaen rápidamente (~ 1 ps) al estado vibracional fundamental, el cual entonces decae (en un tiempo del orden de 10 ns) a uno de los estados vibracionales del estado electrónico fundamental que a su vez decae rápidamente a su estado vibracional fundamental correspondiente.

 En circunstancias normales, a temperatura ambiente todas las moléculas de un centelleador están en el estado más bajo vibracional del estado electrónico fundamental: A la energía térmica k.T = 0.025 eV le corresponde una población siguiendo una distribución de Boltzmann:exp(-E/kT), de modo que es muy improbable que haya estados vibracionales excitados a esa temperatura. Esto hace que sólo uno de los fotones que se emiten en las muchas posibles transiciones tenga probabilidad de ser absorbido por el propio centelleador. Esto representa una importante propiedad: un centelleador deber ser transparente a su propia radiación.

 De los centelleadores inorgánicos, el más común está formado por un único cristal de una sal alcalina como el NaI. Se necesita que sea un monocristal para obtener transparencia: la reflexiones y absorciones en las caras del cristal harían inservible al centelleador. Las interacciones entre los átomos en un cristal hacen que los niveles discretos de energías se ensanchen formando una serie de bandas de energía. Las dos bandas superiores son la banda de valencia y la banda de conducción. (Ver Figura). En un material aislante como el NaI, la banda de balencia está generalmnete llenay la banda de conducción vacía. Una radiación incidente puede excitar un electrón, hacerle saltar el gap de energía (de unos 4 eV) y llevarlo a la banda de conducción. En un momento dado, este electrón, perderá esta energía, emitiendo un fotón y cayendo de nuevo a la banda de valencia.

Bandas de energía en un cristal. A la izquierda se muestran los procesos característicos de un cristal puro como el NaI. A la derecha, los procesos de un cristal con impurezas: NaI(Tl).

 Para aumentar la probabilidad de emisión de fotones y reducir la auto-absorción de luz, pequeñas cantidades de impurezas llamadasactivadores se añaden al cristal. Un activador que se usa comunmente es el thalio, formando detectores como el NaI(Tl). El activador proporciona estados discretos de energía en el gap y la emisión de luz tiene lugar entre los estados del activador. En el caso del NaI, la longitud de onda máxima de emisión cambia de los 303 nm del cristal puro a los 410 nm del cristal con impurezas. La absorción a esta energía no se puede dar en el NaI(Tl) dado que los niveles fundamentales del activador no estan poblados y el cambio de longitud de onda del ultravioleta al visible permite aprovechar la región de máxima sensibilidad de la mayoría de los tubos fotomultiplicadores.

 En la siguiente tabla, se muestran algunas propiedades de algunos detectores centelleadores que se emplean normalmente.

NOMBRE	TIPO	l (nm)	t (ns)	Efic.Relat
Anthracene	Sol. orgánico	447	30	0.43
Pilot B	Sol. orgánico	408	1.8	0.30
NE 213	Liq. orgánico	425	3.7	0.34
NaI(Tl)	Cristal inorg.	410	230	1.00
CsF	Cristal inorg.	390	5	0.05

 En la tabla, el tiempo hace referencia al tiempo de respuesta del detector (que es bastante rápido, del orden de los ns) y la eficiencia relativa se calcula respecto al NaI(Tl) (que es el que mayor eficiencia presenta) e incluye la eficiencia de absorción del fotón y de laemisión de la luz de salida.

 La elección de uno u otro centelleador, dependerá principalmente del tipo de experimento que se va a realizar. Porejemplo, si se busca una alta eficiencia para rayos gamma se usa normalmente el NaI(Tl), dado que la alta Z (53) del Yodo da una alta probabilidad para la absorciónde fotones. Sin embargo, si se busca un corto tiempo de respuesta, el NaI(Tl) no es muy bueno, y los relativamente poco eficientes centelleadores plásticos pueden ser una mejor elección.

 El acoplo de un centelleador a un fotomultiplicador puede hacerse de varias formas. Algunas combinaciones detectores-tubo se venden ya como una unidad sellada. Los detectores NaI(Tl) pueden ser colocados en contacto directo con el cristal del tubo fotomultiplicador usando una sustancia transparente que minimiza las reflexiones internas. Algunas veces la geometría de los fotomultiplicadores es muy distinta de la de los centelladores, o deben ser colocados lejos de los centelleadores (para eliminar los efectos de los campos magnéticos, por ejemplo). En estos casos se emplea una guía de luz entre ambos.

Izquierda: Selección de centelleadores de NaI, algunos con fotomultiplicadores acoplados. Derecha: Centelleador grande de NaI unido a siete fotomultiplicadores.

 Un esquema del funcionamiento de un fotomultiplicador aparece en la siguiente figura. Un pequeño número de electrones (menor que el número de fotones incidentes) son liberados en el fotocátodo, multiplicados y focalizados por una serie de electrodos llamados dínodos.

Esquema de un fotomultiplicador. Los electrones liberados del cátodo son atraidos al primer dínodo y multiplicados. Cada sucesivo dínodo a un potencial mayor que el anterior. Un tubo típico tiene de 10 a 14 dínodos. a cada paso, el número de electrones es aumentado en un factor del orden de 5.

 Los dínodos están conectados a una fuente de alto voltaje y a una serie de divisores de voltaje. Así se logra una diferencia de potencial típica entre los dínodos adyacentes es de unos 100 V, y por tanto, los electrones impactan los dínodos de unos 100 eV de energía. Los dínodos estan construidos de materiales con una alta probabilidad de emitir electrones secundarios. Puede llevar 2-3 eV para liberar un electrón y por tanto una ganancia den el número de electrones de 30-50 es posible. Sin embargo, los electrones son liberados en direcciones aleatorias en el material, y relativamente pocos serán realmente liberados en la superficie, y una ganancia de 5 en cada dínodo es más común. Incluso así, con un tubo de 10 dínodos, la ganancia total será de 510 (~107).

 En los espectrómetros de energía, dos importantes características son la linealidad y la estabilidad. La linealidad implica que la amplitud de un pulso de salida debe ser directamente proporcional al numero de eventos originales en el centelleador, y por tanto a la energía depositada en el detector por la radiación. Debido a que la ganancia de cada dínodo depende de la diferencia de potencial, cualquier cambio en el alto voltaje, producirá una variación en el pulso de salida. Por ello suele ser necesario estabilizar la fuente de alto voltaje.

 Existe una amplia variedad de tubos, y su elección puede venir determinada por parámetros como el tamaño, la respuesta del fotocátodo a las diferentes longitudes de onda, su sensibilidad, la ganancia, el nivel de ruido y su tiempo de respuesta.