Che cos'è un tubo fotomoltiplicatore?
Un tubo fotomoltiplicatore utilizza due principi scientifici per amplificare l'effetto di un singolo fotone incidente. Sono realizzati in diverse configurazioni di materiali sensibili alla luce e angoli di luce incidente per ottenere un elevato guadagno e una bassa risposta al rumore nella loro gamma operativa di frequenze ultraviolette, visibili e nel vicino infrarosso. Sviluppato originariamente come una telecamera televisiva più reattiva, i tubi fotomoltiplicatori ora si trovano in molte applicazioni.
Con l'invenzione dei semiconduttori, i tubi a vuoto sono stati ampiamente eliminati dall'industria elettronica, ad eccezione del tubo fotomoltiplicatore. In questo dispositivo, un singolo fotone passa attraverso una finestra o una piastra frontale e colpisce un fotocatodo, un elettrodo realizzato in materiale fotoelettrico. Questo materiale assorbe l'energia del fotone luminoso a frequenze specifiche ed emette elettroni in un risultato chiamato effetto fotoelettrico.
Gli effetti di questi elettroni emessi sono amplificati dall'uso del principio di emissione secondaria. Gli elettroni emessi dal fotocatodo sono focalizzati sulla prima di una serie di piastre moltiplicatrici di elettroni chiamate dinodi. Ad ogni sinodo, gli elettroni in arrivo provocano l'emissione di elettroni aggiuntivi. Si verifica un effetto a cascata e il fotone incidente è stato amplificato o rilevato. Quindi, la base per il nome "fotomoltiplicatore", il segnale molto piccolo di un singolo fotone viene rafforzato al punto in cui è facilmente rilevabile dal flusso di corrente dal tubo fotomoltiplicatore.
Le risposte spettrali del tubo fotomoltiplicatore sono dovute principalmente a due elementi di progettazione. Il tipo di finestra determina quali fotoni possono passare nel dispositivo. Il materiale fotocatodo determina la risposta al fotone. Altre varianti del design includono finestre montate sull'estremità del tubo o finestre laterali in cui il flusso di fotoni viene rimbalzato dal fotocatodo. Poiché il guadagno o l'amplificazione sono limitati dal processo di emissione secondario e non aumentano con l'aumento della tensione di accelerazione, sono stati sviluppati fotomoltiplicatori a più stadi.
La risposta del fotocatodo dipende dalla frequenza del fotone incidente, 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 finestra-fotocatodo, un risultato che Albert Einstein ha usato come prova della natura delle particelle di luce.
Il guadagno di un tubo fotomoltiplicatore varia fino a 100 milioni di volte. Questa proprietà, insieme al basso rumore o al segnale ingiustificato, rende questi tubi a vuoto indispensabili per rilevare un numero molto piccolo di fotoni. Questa capacità di rilevamento è utile in astronomia, visione notturna, imaging medico e altri usi. Sono in uso le versioni a semiconduttore, ma il fotomoltiplicatore a tubo a vuoto è più adatto per il rilevamento di fotoni di luce che non sono collimati, il che significa che i raggi di luce non percorrono percorsi paralleli tra loro.
I fotomoltiplicatori sono stati inizialmente sviluppati come telecamere, il che ha permesso alle trasmissioni televisive di andare oltre le riprese in studio con luci intense verso impostazioni più naturali o report in loco. Sebbene siano stati sostituiti con dispositivi accoppiati a carica (CCD) in quell'applicazione, i tubi fotomoltiplicatori sono ancora ampiamente specificati. Gran parte del lavoro di sviluppo sul tubo fotomoltiplicatore è stato eseguito da RCA in 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 fotomoltiplicatori del mondo sono prodotti da un'azienda giapponese, Hamamatsu Photonics.