Hva er en fotomultiplikatorrør?

Et fotomultiplikatorrør bruker to vitenskapelige prinsipper for å forsterke effekten av et enkelt hendelsesfoton. De er laget i mange forskjellige konfigurasjoner av lysfølsomme materialer og innfallende lysvinkler for å oppnå høy forsterkning og lav støyrespons i deres arbeidsområde for ultrafiolette, synlige og nærinfrarøde frekvenser. Opprinnelig utviklet som et mer responsivt fjernsynskamera, finnes nå fotomultiplikatorrør i mange applikasjoner.

Med oppfinnelsen av halvledere er vakuumrør i stor grad eliminert fra elektronikkindustrien, med unntak av fotomultiplikatorrøret. I denne innretningen passerer et enkelt foton gjennom et vindu eller ansiktsplate og støter en fotokatode, en elektrode laget av et fotoelektrisk materiale. Dette materialet tar opp energien til lysfotonet ved spesifikke frekvenser og avgir elektroner i et resultat som kalles den fotoelektriske effekten.

Effektene av disse utsendte elektronene forsterkes ved bruk av prinsippet om sekundær emisjon. Elektronene som sendes ut fra fotokatoden er fokusert på den første av en serie elektronmultiplikatorplater kalt dynoder. Ved hver dynode fører de innkommende elektronene til at ytterligere elektroner sendes ut. En kaskadeeffekt oppstår, og hendelsesfotonet er blitt forsterket eller oppdaget. Derfor blir grunnlaget for navnet "fotomultiplikator", det veldig lille signalet til et enkelt foton, styrket til det punktet hvor det lett kan oppdages av strømmen fra strømmen fra fotomultiplikatoren.

Spektrale responser fra fotomultiplikatorrøret skyldes først og fremst to designelementer. Type vindu bestemmer hvilke fotoner som kan passere inn i enheten. Fotokatodematerialet bestemmer responsen til fotonet. Andre varianter av designet inkluderer vinduer på rørenden eller sidevinduer der fotonstrømmen sprettes fra fotokatoden. Ettersom forsterkningen eller forsterkningen er begrenset av den sekundære emisjonsprosessen og ikke øker med økt akselerasjonsspenning, ble flere trinns fotomultiplikatorer utviklet.

Fotokatodesvaret avhenger av den innfallende fotonfrekvensen, ikke antall mottatte fotoner. Hvis antallet fotoner øker, øker den genererte elektriske strømmen, men frekvensen av de utsendte elektronene er konstant for enhver kombinasjon av vindu-fotokatodekombinasjoner, et resultat som Albert Einstein brukte som bevis på lysets partikkelkarakter.

Gevinsten av et fotomultiplikatorrør varierer opptil 100 millioner ganger. Denne egenskapen, sammen med den lave støyen eller det uberettigede signalet, gjør disse vakuumrørene uunnværlige for å oppdage veldig små antall fotoner. Denne deteksjonsevnen er nyttig innen astronomi, nattsyn, medisinsk avbildning og annen bruk. Halvlederversjoner er i bruk, men vakuumrørets fotomultiplikator er bedre egnet for påvisning av lysfotoner som ikke er kollimert, noe som betyr at lysstrålene ikke går parallelle baner med hverandre.

Fotomultiplikatorer ble først utviklet som TV-kameraer, noe som gjorde det mulig for TV-sendinger å bevege seg utover studiobilder med sterkt lys til mer naturlige innstillinger eller rapportering på stedet. Mens de er erstattet med ladekoblede enheter (CCD) i den applikasjonen, er fotomultiplikatorrør fremdeles vidt spesifisert. Mye av utviklingsarbeidet på fotomultiplikatorrøret ble utført av RCA i anlegg i USA og det tidligere Sovjetunionen i siste halvdel av 1900-tallet. I de første tiårene av det 21. århundre er de fleste av verdens fotomultiplikatorrør produsert av et japansk firma, Hamamatsu Photonics.