Wat is een fotomultiplicatorbuis?
Een fotomultiplicatorbuis gebruikt twee wetenschappelijke principes om het effect van een enkel invallend foton te versterken. Ze zijn gemaakt in veel verschillende configuraties van lichtgevoelige materialen en invallende lichthoeken om een hoge versterking en een lage ruisrespons te bereiken in hun werkbereik van ultraviolette, zichtbare en bijna-infrarood frequenties. Oorspronkelijk ontwikkeld als een responsievere televisiecamera, zijn fotomultiplicatorbuizen nu in veel toepassingen te vinden.
Met de uitvinding van halfgeleiders zijn vacuümbuizen grotendeels geëlimineerd uit de elektronica-industrie, met uitzondering van de fotomultiplicatorbuis. In dit apparaat passeert een enkel foton door een raam of een frontplaat en beinvloedt een fotokathode, een elektrode gemaakt van een foto-elektrisch materiaal. Dit materiaal absorbeert de energie van het lichtfoton bij specifieke frequenties en zendt elektronen uit in een resultaat dat het foto-elektrisch effect wordt genoemd.
De effecten van deze uitgezonden elektronen worden versterkt door het principe van secundaire emissie. De elektronen die worden uitgezonden door de fotokathode worden gefocust op de eerste van een reeks elektronenvermenigvuldigerplaten die dynodes worden genoemd. Bij elke dynode zorgen de binnenkomende elektronen ervoor dat extra elektronen worden uitgezonden. Er treedt een cascade-effect op en het invallende foton is versterkt of gedetecteerd. Vandaar dat de basis voor de naam "fotomultiplicator" het zeer kleine signaal van een enkel foton wordt versterkt tot het punt waar het gemakkelijk detecteerbaar is door de stroom van de fotomultiplicatorbuis.
Spectrale responsen van de fotomultiplicatorbuis zijn hoofdzakelijk te wijten aan twee ontwerpelementen. Het type venster bepaalt welke fotonen het apparaat kunnen passeren. Het fotokathodemateriaal bepaalt de reactie op het foton. Andere variaties op het ontwerp omvatten aan het einde van de buis gemonteerde vensters of zijvensters waar de fotonenstroom van de fotokathode wordt teruggekaatst. Omdat de versterking of versterking wordt beperkt door het secundaire emissieproces en niet toeneemt met een verhoogde versnellingsspanning, werden meerfasige fotovermenigvuldigers ontwikkeld.
De reactie van de fotokathode hangt af van de frequentie van het invallende foton, niet van het aantal ontvangen fotonen. Als het aantal fotonen toeneemt, neemt de gegenereerde elektrische stroom toe, maar de frequentie van de uitgezonden elektronen is constant voor elke combinatie van venster en fotokathode, een resultaat dat Albert Einstein gebruikte als bewijs van de deeltjesaard van licht.
De winst van een fotomultiplicatorbuis varieert tot 100 miljoen keer. Deze eigenschap, samen met het lage ruis- of ongegronde signaal, maakt deze vacuümbuizen onmisbaar bij het detecteren van zeer kleine aantallen fotonen. Deze detectiemogelijkheid is nuttig in astronomie, nachtzicht, medische beeldvorming en ander gebruik. Halfgeleiderversies zijn in gebruik, maar de vacuümbuisfotovermenigvuldiger is beter geschikt voor het detecteren van lichtfotonen die niet gecollimeerd zijn, wat betekent dat de lichtstralen geen parallelle paden met elkaar doorlopen.
Fotomultiplicators werden voor het eerst ontwikkeld als televisiecamera's, waardoor televisie-uitzendingen verder gingen dan studio-opnamen met fel licht naar meer natuurlijke instellingen of on-site rapportage. Hoewel ze in die toepassing zijn vervangen door ladingsgekoppelde apparaten (CCD's), worden fotomultiplicatorbuizen nog steeds op grote schaal gespecificeerd. Veel van het ontwikkelingswerk aan de fotomultiplicatorbuis werd uitgevoerd door RCA in fabrieken in de Verenigde Staten en de voormalige Sovjetunie in de tweede helft van de 20e eeuw. In de eerste decennia van de 21e eeuw worden de meeste fotomultiplicatorbuizen ter wereld vervaardigd door een Japans bedrijf, Hamamatsu Photonics.