Fotomultiplikatoriaus vamzdelis (PMT): apibrėžimas ir veikimo principas

Fotomultiplikatoriaus vamzdelis (PMT) - tai keitiklis, kuris fotonus paverčia elektronais, kurie generuoja srovę ir įtampą. Fotomultiplikatorių vamzdžiai naudojami mažiems krintančios šviesos lygiams, net ir mažiems kaip vienas fotonas, aptikti.

Konstrukcija ir pagrindiniai komponentai

PMT yra vakuuminis stiklinis arba metalinis vamzdelis, kuriame yra keli svarbūs elementai:

Fotokatodas – plonas paviršius, kuris sugeria fotonus ir išskiria fotoelektronus pagal fotoefekto principą.
Dinodai (dynodes) – keli pakopų elektrodai, kiekvienas skirtas dauginti elektronų srautą per antrinio išspinduliavimo procesą.
Anoda – surenka padaugintus elektronus ir perduoda jų srovę išėjimo grandinei.
Įtampų daliklis (base) – užtikrina reikiamus potencialų skirtumus tarp fotokatodo ir dinodų.
Vakuumas – būtinas, kad elektronai judėtų be susidūrimo su dujomis.

Veikimo principas

Veiksmas vyksta keliais etapais:

Įeinantis fotonas atsitrenkia į fotokatodo paviršių ir iš jo išsiveržia elektronas (fotoelektronas).
Šis elektronas dėl įtampų skirtumų (dažnai ~90 voltų tarp dinodų, priklausomai nuo konstrukcijos) pagreitėja link pirmojo dinodo.
Atsitrenkęs į dinodą, elektronas išlaisvina kelis kitus elektronus (antrinis išspinduliavimas). Procesas kartojamas per kelias pakopas — daugelyje komercinių PMT yra apie 5–12 dinodų; dažnai naudojami devyni dinodai, todėl signalo stiprinimas vyksta devynis kartus.
Galutinis stiprus elektronų srautas surenkamas anodoje ir paverčiamas matuojamu impulsu arba nuolatine srove.

Tokiu būdu vienam fotonui gali būti generuojama labai daug elektronų — paprastai nuo 10⁶ iki 10⁷, t. y. PMT suteikia didelį sustiprinimą (gain).

Techniniai parametrai ir charakteristikos

Jautrumas ir spektrinis atsakas: priklauso nuo fotokatodo medžiagos (pvz., bialkalinis, multialkalinis, GaAs ir kt.) — kiekvienas tipas turi savo bangos ilgio diapazoną, kuriame jis efektyviausias.
Stiprinimas (gain): tipiniai PMT sustiprinimo koeficientai yra 10⁶–10⁷, reguliuojami keičiant maitinimo įtampą.
Laiko atsakas: PMT pasižymi labai greitu atsaku (nanosekundžių ar net pikosekundžių skalėje), todėl tinka greitiems impulso matavimams ir laiko matavimams (time-of-flight, LIDAR ir kt.).
Triukšmas: tamsus srovės fonas (dark current) atsiranda dėl terminio emisijos ir kitų procesų; aušinimas gali sumažinti šį triukšmą ir pagerinti signalą nuo silpnų šaltinių.
Lineariškumas ir dinaminis diapazonas: prietaisas gali būti lineariškas tik tam tikrame srovės intervale; labai stiprios šviesos gali iškreipti arba net apgadinti.
Jautrumas magnetiniams laukams: PMT elektronų trajektorijos gali būti iškreiptos magnetiniais laukais — dažnai reikia magnetinių skydų (pvz., mu-metal), ypač astronominiuose ir branduoliniuose eksperimentuose.

Priežiūra ir sauga

Neleiskite PMT veikti intensyvioje šviesoje (pvz., tiesioginių saulės spindulių ar ryškios kambario šviesos), nes didelis fotonų srautas gali laikinai prisotinti arba nuolat pakenkti fotokatodui.
Atsargiai elkitės su vakuuminiais vamzdeliais — jie yra trapūs ir gali sprogti, jei pažeidžiami.
Jei reikia sumažinti triukšmą, naudokite aušinimą ar temperatūros stabilizavimą.
Venkite stiprių magnetinių laukų arba naudokite magnetinį ekranavimą.

Pritaikymas

Fotomultiplikatorių vamzdeliai plačiai naudojami moksle ir pramonėje, pavyzdžiui:

Branduolinė ir dalelių fizika (skaitant scintiliacijos detektorius),
Medycininė diagnostika (pvz., PET kamerose),
Astronomija ir observatorijos (žvaigždžių fotometrija, teleskopai),
Fluorescencinė spektroskopija ir gyvųjų audinių tyrimai,
LIDAR ir laiko matavimai (time-correlated single-photon counting),
Analitiniai prietaisai, kuriems reikalingas vieno fotono detektavimas.

Alternatyvos tradiciniams PMT — pavyzdžiui, mikrokanalinės plokštės (MCP) ir puslaidininkiniai fotodetektoriai (SiPM) — kai kuriais atvejais siūlo pranašumų, tokių kaip mažesnis dydis arba atsparumas magnetiniams laukams, tačiau tradiciniai PMT vis dar dažnai pasirenkami dėl aukšto sustiprinimo, plataus spektrinio atsako ir gero laiko atsako.

Klausimai ir atsakymai

Klausimas: Kas yra fotomultiplikatoriaus vamzdelis?

A: Fotopadaugintuvo vamzdelis yra keitiklis, kuris fotonus paverčia elektronais, kurie generuoja srovę ir įtampą.

K: Koks yra fotopadaugintuvų jautrumas?

A: Fotopadaugintuvų jautrumas labai didelis, jie gali aptikti mažus krintančios šviesos lygius, net ir vieną fotoną.

K: Kaip fotojutiklis fotonus paverčia elektronais?

A: Kai įeinantis fotonas patenka į PMT fotokatodo paviršių, jis išspinduliuoja elektronus, kurie dėl maždaug 90 voltų potencialų skirtumo pagreitinami link papildomų elektrodų.

K: Kas atsitinka, kai elektronai atsitrenkia į fotojutiklio elektrodus?

A: Atsitrenkus į elektrodus, išspinduliuojama daugiau elektronų, ir šis procesas kartojasi devynis kartus, kiekvieną kartą generuodamas vis daugiau elektronų. Šis procesas gali generuoti 106-107 elektronus kiekvienam atskiram fotonui.

K: Kaip generuojami elektronai surenkami fotojutiklyje?

A: Generuojami elektronai surenkami anode, kur matuojama srovė ir įtampa.

K: Kaip galima padidinti fotopadaugintuvų jautrumą?

A: Fotopadaugintuvo jautrumą galima pagerinti jį aušinant, kad sumažėtų temperatūros sukeliamas triukšmas.

K: Kokie yra įprasti fotopadaugintuvų taikymai?

A: Fotopadaugintuvai dažniausiai naudojami analizės metodams, taip pat medicinos ir mokslinių tyrimų tikslais.