Was ist eine Fotovervielfacherröhre?
Eine Photovervielfacherröhre verwendet zwei wissenschaftliche Prinzipien, um die Wirkung eines einzelnen einfallenden Photons zu verstärken. Sie werden in vielen verschiedenen Konfigurationen aus lichtempfindlichen Materialien und Einfallswinkeln hergestellt, um eine hohe Verstärkung und eine niedrige Rauschempfindlichkeit in ihrem Arbeitsbereich für ultraviolette, sichtbare und nahe Infrarotfrequenzen zu erzielen. Ursprünglich als reaktionsschnelle Fernsehkamera entwickelt, sind Fotovervielfacherröhren heute in vielen Anwendungen zu finden.
Mit der Erfindung der Halbleiter wurden Vakuumröhren mit Ausnahme der Photovervielfacherröhre weitgehend aus der Elektronikindustrie eliminiert. In dieser Vorrichtung tritt ein einzelnes Photon durch ein Fenster oder eine Frontplatte und trifft auf eine Photokathode, eine Elektrode aus einem photoelektrischen Material. Dieses Material absorbiert die Energie des Lichtphotons bei bestimmten Frequenzen und emittiert Elektronen, was als photoelektrischer Effekt bezeichnet wird.
Die Wirkungen dieser emittierten Elektronen werden durch das Prinzip der Sekundäremission verstärkt. Die von der Fotokathode emittierten Elektronen werden auf die erste einer Reihe von Elektronenvervielfacherplatten fokussiert, die als Dynoden bezeichnet werden. Bei jeder Dynode verursachen die ankommenden Elektronen, dass zusätzliche Elektronen emittiert werden. Ein Kaskadeneffekt tritt auf und das einfallende Photon wurde verstärkt oder nachgewiesen. Daher wird als Grundlage für den Namen "Photomultiplier" das sehr kleine Signal eines einzelnen Photons bis zu einem Punkt verstärkt, an dem es durch den Stromfluß aus der Photomultiplierröhre leicht erkennbar ist.
Die spektralen Reaktionen der Fotovervielfacherröhre beruhen hauptsächlich auf zwei Designelementen. Die Art des Fensters bestimmt, welche Photonen in das Gerät gelangen können. Das Photokathodenmaterial bestimmt die Reaktion auf das Photon. Andere Variationen des Designs umfassen röhrenendmontierte Fenster oder Seitenfenster, bei denen der Photonenstrom von der Photokathode zurückgeworfen wird. Da die Verstärkung durch den Sekundäremissionsprozess begrenzt wird und mit zunehmender Beschleunigungsspannung nicht zunimmt, wurden mehrstufige Photovervielfacher entwickelt.
Die Photokathodenantwort hängt von der einfallenden Photonenfrequenz ab, nicht von der Anzahl der empfangenen Photonen. Wenn die Anzahl der Photonen zunimmt, nimmt der erzeugte elektrische Strom zu, aber die Frequenz der emittierten Elektronen ist für jede Kombination aus Fenster und Photokathode konstant, ein Ergebnis, das Albert Einstein als Beweis für die Teilchenbeschaffenheit des Lichts verwendete.
Der Gewinn einer Fotovervielfacherröhre beträgt bis zu 100 Millionen Mal. Diese Eigenschaft, zusammen mit dem geringen Rauschen oder dem ungerechtfertigten Signal, macht diese Vakuumröhren zum Nachweis einer sehr geringen Anzahl von Photonen unverzichtbar. Diese Erkennungsfunktion ist nützlich für Astronomie, Nachtsicht, medizinische Bildgebung und andere Zwecke. Halbleiterversionen werden verwendet, aber der Vakuumröhren-Fotovervielfacher ist besser für die Detektion von Lichtphotonen geeignet, die nicht kollimiert sind, dh die Lichtstrahlen laufen nicht parallel zueinander.
Photovervielfacher wurden zuerst als Fernsehkameras entwickelt, mit denen Fernsehübertragungen über Studioaufnahmen mit hellem Licht hinaus zu natürlicheren Umgebungen oder zur Berichterstattung vor Ort geführt werden konnten. Während sie in dieser Anwendung durch ladungsgekoppelte Bauelemente (CCDs) ersetzt wurden, sind Photovervielfacherröhren immer noch weit verbreitet. Ein Großteil der Entwicklungsarbeiten an der Fotovervielfacherröhre wurde von RCA in Einrichtungen in den USA und der ehemaligen Sowjetunion in der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts durchgeführt. In den ersten Jahrzehnten des 21. Jahrhunderts werden die meisten Fotovervielfacherröhren der Welt von der japanischen Firma Hamamatsu Photonics hergestellt.