Co to jest fotopowielacz?
Fotopowielacz wykorzystuje dwie naukowe zasady do wzmocnienia efektu pojedynczego padającego fotonu. Wykonane są w wielu różnych konfiguracjach materiałów wrażliwych na światło i padających pod kątem, aby osiągnąć wysoki zysk i niski poziom szumów w zakresie roboczym częstotliwości ultrafioletowych, widzialnych i bliskiej podczerwieni. Pierwotnie opracowane jako bardziej responsywna kamera telewizyjna, fotopowielacze znajdują obecnie wiele zastosowań.
Dzięki wynalazkowi półprzewodników lampy próżniowe zostały w dużej mierze wyeliminowane z przemysłu elektronicznego, z wyjątkiem lampy z fotopowielaczem. W tym urządzeniu pojedynczy foton przechodzi przez okno lub płytę czołową i uderza w fotokatodę, elektrodę wykonaną z materiału fotoelektrycznego. Materiał ten absorbuje energię fotonu świetlnego o określonych częstotliwościach i emituje elektrony w wyniku zwanym efektem fotoelektrycznym.
Efekty tych emitowanych elektronów są wzmacniane przy użyciu zasady emisji wtórnej. Elektrony emitowane z fotokatody skupiają się na pierwszej z serii płytek multiplikatorów elektronów zwanych dynodami. Przy każdym dynodzie nadchodzące elektrony powodują emisję dodatkowych elektronów. Występuje efekt kaskady, a padający foton został wzmocniony lub wykryty. Stąd podstawa nazwy „fotopowielacz”, bardzo niewielki sygnał pojedynczego fotonu zostaje wzmocniony do punktu, w którym jest łatwo wykrywalny przez przepływ prądu z fotopowielacza.
Odpowiedzi spektralne fotopowielacza są spowodowane przede wszystkim dwoma elementami konstrukcyjnymi. Rodzaj okna określa, jakie fotony mogą przechodzić do urządzenia. Materiał fotokatody określa odpowiedź na foton. Inne warianty konstrukcji obejmują okna montowane na końcu rury lub okna boczne, w których strumień fotonu jest odbijany od fotokatody. Ponieważ wzmocnienie lub wzmocnienie jest ograniczone przez proces emisji wtórnej i nie wzrasta wraz ze wzrostem napięcia przyspieszenia, opracowano fotopowielacze wielostopniowe.
Reakcja na fotokatodę zależy od częstotliwości padającego fotonu, a nie od liczby odebranych fotonów. Jeśli liczba fotonów wzrośnie, generowany prąd elektryczny wzrośnie, ale częstotliwość emitowanych elektronów jest stała dla dowolnej kombinacji fotokatody okiennej, w wyniku czego Albert Einstein wykorzystał jako dowód cząstkowej natury światła.
Wzmocnienie fotopowielacza wynosi do 100 milionów razy. Ta właściwość, wraz z niskim poziomem szumów lub nieuzasadnionym sygnałem, sprawia, że te lampy próżniowe są niezbędne do wykrywania bardzo małej liczby fotonów. Ta zdolność wykrywania jest przydatna w astronomii, noktowizorze, obrazowaniu medycznym i innych zastosowaniach. Wersje półprzewodnikowe są w użyciu, ale fotopowielacz lampowy lepiej nadaje się do wykrywania fotonów świetlnych, które nie są kolimowane, co oznacza, że promienie świetlne nie przemieszczają się równolegle.
Fotopowielacze po raz pierwszy opracowano jako kamery telewizyjne, które pozwoliły nadawcom telewizyjnym wyjść poza zdjęcia studyjne z jasnym światłem do bardziej naturalnych ustawień lub raportów na miejscu. Chociaż w tym zastosowaniu zostały one zastąpione urządzeniami sprzężonymi z ładunkiem (CCD), lampy fotopowielaczy są nadal szeroko określone. Wiele prac rozwojowych nad fotopowielaczem wykonała RCA w obiektach w Stanach Zjednoczonych i byłym Związku Radzieckim w drugiej połowie XX wieku. W pierwszych dziesięcioleciach XXI wieku większość światowych fotopowielaczy produkowała japońska firma Hamamatsu Photonics.