Vad är ett fotomultiplikatorrör?
Ett fotomultiplikatorrör använder två vetenskapliga principer för att förstärka effekten av en enda incidentfoton. De är tillverkade i många olika konfigurationer av ljuskänsliga material och infallande ljusvinklar för att uppnå en hög förstärkning och ett lågt brusrespons i deras arbetsområde av ultravioletta, synliga och nära infraröda frekvenser. Ursprungligen utvecklad som en mer lyhörd tv-kamera, finns fotomultiplikatorrör nu i många applikationer.
Med uppfinningen av halvledare har vakuumrör i stort sett eliminerats från elektronikindustrin, med undantag för fotomultiplikatorröret. I denna anordning passerar en enda foton genom ett fönster eller en ansiktsplatta och stöter på en fotokatod, en elektrod tillverkad av ett fotoelektriskt material. Detta material absorberar ljusfotonens energi vid specifika frekvenser och avger elektroner i ett resultat som kallas den fotoelektriska effekten.
Effekterna av dessa emitterade elektroner förstärks med hjälp av principen om sekundär emission. Elektronerna som släpps ut från fotokatoden fokuseras på den första av en serie elektronmultiplikatorplattor som kallas dynoder. Vid varje dynode orsakar de inkommande elektronerna ytterligare elektroner som sänds ut. En kaskadeffekt inträffar och den infallande fotonen har förstärkts eller upptäckts. Därför stärks grunden för namnet "fotomultiplikator", den mycket lilla signalen för en enda foton till den punkt där den lätt kan detekteras av strömmen från strömmen från fotomultiplikatorn.
Spektrala svar på fotomultiplikatorröret beror främst på två designelement. Fönstret bestämmer vilka fotoner som kan passera in i enheten. Fotokatodmaterialet bestämmer svaret på fotonen. Andra variationer på konstruktionen inkluderar rörmonterade fönster eller sidofönster där fotonströmmen studsas från fotokatoden. Eftersom förstärkningen eller förstärkningen begränsas av den sekundära emissionsprocessen och inte ökar med ökad accelerationsspänning, utvecklades flera stegs fotomultiplikatorer.
Fotokatodesvaret beror på den infallande fotonfrekvensen, inte antalet mottagna fotoner. Om antalet fotoner ökar ökar den genererade elektriska strömmen, men frekvensen för de utsända elektronerna är konstant för alla fönster-fotokatodkombinationer, ett resultat som Albert Einstein använde som bevis på ljusets partikelkaraktär.
Vinsten med ett fotomultiplikatorrör varierar upp till 100 miljoner gånger. Denna egenskap, tillsammans med den låga ljudnivån eller den oberättigade signalen, gör dessa vakuumrör oundgängliga för att upptäcka mycket litet antal fotoner. Denna detektionsförmåga är användbar inom astronomi, nattvision, medicinsk avbildning och andra användningar. Halvledarversioner används, men vakuumrörets fotomultiplikator är bättre lämpad för detektering av ljusfotoner som inte kollimeras, vilket innebär att ljusstrålarna inte går parallella vägar med varandra.
Fotomultiplikatorer utvecklades först som tv-kameror, vilket gjorde det möjligt för tv-sändningar att flytta bortom studiobilder med starkt ljus till mer naturliga inställningar eller rapportering på plats. Medan de har ersatts med laddningskopplade enheter (CCD) i den applikationen är fotomultiplikatorrör fortfarande allmänt specificerade. Mycket av utvecklingsarbetet på fotomultiplikatorröret utfördes av RCA i anläggningar i USA och före detta Sovjetunionen under senare hälften av 1900-talet. Under de första decennierna av 2000-talet tillverkas de flesta av världens fotomultiplikatorrör av ett japanskt företag, Hamamatsu Photonics.