Cos'è un tubo fotomultiplicatore?

Un tubo fotomultiplicatore utilizza due principi scientifici per amplificare l'effetto di un singolo fotone incidente. Sono realizzati in molte diverse configurazioni di materiali sensibili alla luce e angoli di luce incidente per ottenere un elevato guadagno e una risposta a basso rumore nella loro gamma di lavoro di frequenze ultraviolette, visibili e vicino a infrarossi. Originariamente sviluppato come televisione più reattiva, i tubi fotomoltiplici ora si trovano in molte applicazioni.

Con l'invenzione di semiconduttori, i tubi a vuoto sono stati in gran parte eliminati dall'industria elettronica, ad eccezione del tubo fotomultiplicatore. In questo dispositivo, un singolo fotone passa attraverso una finestra o una piastra facciale e influisce su un fotocathode, un elettrodo realizzato con materiale fotoelettrico. Questo materiale assorbe l'energia del fotone leggero a frequenze specifiche ed emette elettroni in un risultato chiamato effetto fotoelettrico.

Gli effetti di questi elettroni emessi sono amplificati mediante l'uso del principio di SECEmissione di ondarie. Gli elettroni emessi dal fotocathode sono focalizzati sulla prima di una serie di piastre di moltiplicatore di elettroni chiamate Dynodes. Ad ogni dynode, gli elettroni in arrivo causano emessi ulteriori elettroni. Si verifica un effetto a cascata e il fotone incidente è stato amplificato o rilevato. Pertanto, la base per il nome "fotomultiplicatore", il segnale molto piccolo di un singolo fotone è rafforzato nel punto in cui è facilmente rilevabile dal flusso di corrente dal tubo fotomultiplicatore.

Le risposte spettrali del tubo fotomultiplicatore sono dovute principalmente a due elementi di progettazione. Il tipo di finestra determina cosa possono passare i fotoni nel dispositivo. Il materiale del fotocathode determina la risposta al fotone. Altre variazioni del design includono finestre montate a tubo o finestre laterali in cui il flusso di fotoni viene rimbalzato sul fotocatodo. Come il guadagno o l'amplificazioneLimitato dal processo di emissione secondaria e non aumenta con l'aumento della tensione di accelerazione, sono stati sviluppati fotomoltiplicatori a più stadi.

La risposta del fotocathode dipende dalla frequenza dei fotoni incidenti, non dal numero di fotoni ricevuti. Se il numero di fotoni aumenta, la corrente elettrica generata aumenta, ma la frequenza degli elettroni emessi è costante per qualsiasi combinazione di fotocatodi finestre, un risultato che Albert Einstein ha usato come prova della natura delle particelle della luce.

Il guadagno di un tubo fotomultiplicatore varia fino a 100 milioni di volte. Questa proprietà, insieme al segnale a basso rumore o ingiustificata, rende indispensabili questi tubi a vuoto nel rilevare un numero molto piccolo di fotoni. Questa capacità di rilevamento è utile in astronomia, visione notturna, imaging medico e altri usi. Le versioni a semiconduttore sono in uso, ma il fotomultiplicatore del tubo a vuoto è meglio adatto per il rilevamento di fotoni di luce che non sono collimati, il che significa che la luce rAys non percorre percorsi paralleli tra loro.

I fotomultatori

​​sono stati sviluppati per la prima volta come telecamere, che ha permesso alla trasmissione televisiva di andare oltre gli scatti in studio con luci intense a impostazioni più naturali o report in loco. Mentre sono stati sostituiti con dispositivi accoppiati a carica (CCD) in quell'applicazione, i tubi fotomultiplici sono ancora ampiamente specificati. Gran parte del lavoro di sviluppo sul tubo fotomultiplicatore è stato eseguito da RCA nelle strutture negli Stati Uniti e nell'ex Unione Sovietica nella seconda metà del 20 ° secolo. Nei decenni di apertura del 21 ° secolo, la maggior parte dei tubi fotomoltiplici del mondo sono fabbricati da una società giapponese, Hamamatsu Fotonics.