Что такое фотоумножитель?

Фотоумножитель использует два научных принципа для усиления эффекта одиночного падающего фотона. Они изготавливаются во многих различных конфигурациях из светочувствительных материалов и углов падающего света для достижения высокого коэффициента усиления и низкого уровня шума в рабочем диапазоне ультрафиолетовых, видимых и ближних инфракрасных частот. Изначально разработанные как более чувствительные телевизионные камеры, фотоумножители теперь используются во многих приложениях.

С изобретением полупроводников вакуумные трубки были в значительной степени исключены из электронной промышленности, за исключением трубки с фотоумножителем. В этом устройстве одиночный фотон проходит через окно или лицевую пластину и воздействует на фотокатод, электрод из фотоэлектрического материала. Этот материал поглощает энергию светового фотона на определенных частотах и ​​испускает электроны в результате, называемом фотоэлектрическим эффектом.

Эффекты этих испускаемых электронов усиливаются при использовании принципа вторичной эмиссии. Электроны, испускаемые из фотокатода, фокусируются на первую из серии пластин электронных умножителей, называемых динодами. На каждом диноде поступающие электроны вызывают эмиссию дополнительных электронов. Происходит каскадный эффект, и падающий фотон был усилен или обнаружен. Следовательно, в основе названия «фотоумножитель» очень слабый сигнал одиночного фотона усиливается до такой степени, что он легко обнаруживается потоком тока из трубки фотоумножителя.

Спектральные характеристики фотоумножителя обусловлены, прежде всего, двумя элементами конструкции. Тип окна определяет, какие фотоны могут проходить в устройство. Материал фотокатода определяет реакцию на фотон. Другие варианты конструкции включают в себя установленные на трубке окна или боковые окна, в которых поток фотонов отражается от фотокатода. Поскольку усиление или усиление ограничено процессом вторичной эмиссии и не увеличивается при увеличении ускоряющего напряжения, были разработаны многоступенчатые фотоумножители.

Отклик фотокатода зависит от частоты падающих фотонов, а не от числа полученных фотонов. Если число фотонов увеличивается, генерируемый электрический ток увеличивается, но частота испускаемых электронов постоянна для любой комбинации окна и фотокатода, результат, который Альберт Эйнштейн использовал в качестве доказательства природы частиц света.

Коэффициент усиления фотоумножителя составляет до 100 миллионов раз. Это свойство, наряду с низким уровнем шума или необоснованным сигналом, делает эти вакуумные трубки незаменимыми при обнаружении очень небольшого количества фотонов. Эта возможность обнаружения полезна в астрономии, ночном видении, медицинской визуализации и других применениях. Используются полупроводниковые версии, но фотоумножитель с вакуумной трубкой лучше подходит для обнаружения не коллимированных световых фотонов, что означает, что световые лучи не проходят параллельные пути друг с другом.

Фотоумножители были впервые разработаны в качестве телевизионных камер, которые позволяли телевизионному вещанию выходить за рамки студийных снимков с ярким светом и переходить к более естественным настройкам или отчетности на месте. В то время как они были заменены устройствами с зарядовой связью (ПЗС) в этом приложении, фотоумножители все еще широко используются. Большая часть работ по разработке фотоэлектронного умножителя была выполнена RCA на объектах в США и бывшем Советском Союзе во второй половине 20-го века. В первые десятилетия XXI века большинство фотоумножителей в мире производятся японской фирмой Hamamatsu Photonics.