Bir fotomultiplier tüpü, tek bir olayın fotonun etkisini arttırmak için iki bilimsel prensip kullanır. Ultraviyole, görünür ve yakın kızılötesi frekansları çalışma aralığında yüksek bir kazanç ve düşük bir gürültü tepkisi elde etmek için ışığa duyarlı materyallerin ve olay ışık açılarının birçok farklı konfigürasyonunda yapılırlar. Aslında daha duyarlı bir televizyon kamerası olarak geliştirilen fotomultiplier tüpleri şimdi birçok uygulamada bulunuyor.
Yarı iletkenlerin icadı ile, fotomultiplier tüp hariç, vakum tüpleri elektronik endüstrisinden büyük ölçüde elimine edilmiştir. Bu cihazda, tek bir foton bir pencereden veya bir yüz plakasından geçer ve bir fotoelektrik malzemeden yapılmış bir elektrot olan bir foto katodu etkiler. Bu malzeme, ışık fotonun enerjisini belirli frekanslarda emer ve sonuçta fotoelektrik etki olarak adlandırılan elektronları yayar.
Bu salınan elektronların etkileri, ikincil emisyon ilkesi kullanılarak büyütülür. Foto katottan yayılan elektronlar, dynodes adı verilen bir dizi elektron çoğaltıcı plakadan birine odaklanır. Her dynode'da, gelen elektronlar ilave elektronların yayılmasına neden olur. Bir kademeli etki meydana gelir ve olay foton çoğaltılır veya tespit edilir. Bu nedenle, "fotomultiplier" adının temeli, tek bir fotonun çok küçük bir sinyali, fotomultiplier tüpünden akımın akışıyla kolayca tespit edilebileceği noktaya kuvvetlendirilir.
Fotomultiplier tüpün spektral tepkileri öncelikle iki tasarım elemanından kaynaklanmaktadır. Pencerenin türü, cihaza hangi fotonların geçebileceğini belirler. Foto katod materyali, fotonun cevabını belirler. Tasarımdaki diğer varyasyonlar, foton akışının foto katottan sıçradığı tüp ucuna monteli pencereler veya yan pencereleri içerir. Kazanç veya amplifikasyon ikincil emisyon işlemi ile sınırlı olduğundan ve artan ivmelenme voltajı ile artmadığından, çok aşamalı foto-çoğaltıcılar geliştirilmiştir.
Foto katot yanıtı, alınan fotonların sayısına değil, olayın foton frekansına bağlıdır. Fotonların sayısı artarsa, üretilen elektrik akımı artar, ancak yayılan elektronların frekansı herhangi bir pencere-foto katot kombinasyonu için sabittir, bunun sonucunda Albert Einstein ışığın parçacık yapısının kanıtı olarak kullanılır.
Çok kanallı bir tüpün kazancı 100 milyon kata kadar değişmektedir. Bu özellik, düşük gürültülü veya istenmeyen sinyallerle birlikte, bu vakum tüplerini çok az sayıda foton tespitinde vazgeçilmez kılar. Bu algılama kabiliyeti astronomi, gece görüşü, tıbbi görüntüleme ve diğer kullanımlarda yararlıdır. Yarı iletken versiyonları kullanımdadır, ancak vakum tüpü fotomultiplier, toplanmamış ışık fotonlarının tespiti için daha uygundur, yani ışık ışınları birbirleriyle paralel yollar kullanmaz.
Photomultipliers, ilk olarak televizyon kameraları olarak geliştirildi; bu, televizyon yayınlarının, parlak ışıklarla stüdyo çekimlerinin ötesine geçmesini, daha doğal ortamlara veya yerinde raporlamaya olanak sağladı. Bu uygulamada şarj bağlı cihazlar (CCD) ile değiştirilmiş olsalar da, fotomultiplier tüpler hala yaygın olarak belirtilmektedir. Photomultiplier tüpündeki geliştirme çalışmalarının çoğu, 20. yüzyılın ikinci yarısında Amerika Birleşik Devletleri ve eski Sovyetler Birliği'ndeki tesislerde RCA tarafından gerçekleştirildi. 21. yüzyılın açılış yıllarında, dünyanın fotomultiplier tüplerinin çoğu bir Japon firması olan Hamamatsu Fotonik tarafından üretilmektedir.
