Fotomultiplikátor (PMT) — definíció, működés és alkalmazások

A fotomultiplikátorcső (PMT) egy olyan átalakító, amely a fotonokat elektronokká alakítja, amelyek áramot és feszültséget generálnak. A fotomultiplikátorcsöveket a beeső fény alacsony szintjeinek, akár egyetlen fotonnak az érzékelésére használják.

Felépítés

A hagyományos fotomultiplikátor (PMT) üveg vagy fémházas vákuumcső, amelynek fő részei:

• Fotokatód: a beeső fényt elnyelő felület, ahol a fotoelektromos hatás révén elektronok szabadulnak fel.
• Dynódok (másodlagos kilépőelektródák): sorba kapcsolt elektródák, amelyekre az előző lépésből érkező elektronok ütközve további elektronokat keltenek (másodlagos emisszió).
• Anód: az utolsó gyűjtőelektróda, ahol a megsokszorozott elektronáram külső áramkörbe jut.
• Tápegység és bázis: a dynódok közötti feszültségosztó (bleeder) biztosítja a szükséges fokozatos potenciálkülönbségeket. A teljes működési feszültség tipikusan 500–2000 V között van.

Működés

A PMT működése a következő lépésekben történik: a foton a fotokatódra csapódik és egy vagy több fotoelektront szabadít fel. Ezeket az elektronokat a dynódok felé gyorsítják, és minden dynódra ütközve többletelektronok keletkeznek. Egy tipikus PMT-ben általában 8–14 dynód található; a megsokszorozódás hatására a teljes erősítés (gain) általában 10^5–10^8 nagyságrendű. A nyers matematikai közelítés: G ≈ δ^n, ahol δ a dynódonkénti másodlagos emissziós tényező, n pedig a dynódok száma (például δ≈4 és n=10 → G≈4^10≈10^6).

Fő jellemzők

• Kvantumhatásfok (quantum efficiency, QE): megadja, hogy a beeső fotonok hány százaléka vált ki elektront a fotokatódból. Tipikus csúcsértékek 15–30% között vannak, speciális típusoknál ennél magasabb is lehet.
• Nyereség (gain): a foton hatására keletkezett elektronok összesített száma az anódon. Jellemző értékek 10^5–10^8.
• Időbeli felbontás: gyors PMT-knek néhány tíz pikoszekundumtól néhány nanosekundumig terjedő transit idő-eloszlás (TTS) jellemző, a konkrét érték a típus és a kialakítás függvénye.
• Sávszélesség és rise time: a legtöbb PMT rise time-ja 1–10 ns közötti.
• Sötétáram / sötétráta: a csőben a fény hiányában is keletkező zajáram. Tipikusan pár Hz-től több kHz-ig terjedhet szobahőmérsékleten a típus és méret függvényében.
• Lineáris tartomány és szaturáció: alacsony jelintenzitásoknál lineáris a kimenet, nagy fényintenzitásnál a tértöltési hatások miatt csökken a linearitás és a cső telítődik.

Zaj, hűtés és környezeti hatások

A PMT zaját elsősorban a sötétáram, a termikus emisszió és a csőben lévő mikrofizikai folyamatok adják. A hűtéssel jelentősen csökkenthető a sötétáram (például néhány tíz °C-csal csökkenhet a zaj), ezért érzékeny méréseknél gyakran használnak hűtött tartókat. A PMT-k erős mágneses terekre érzékenyek — a külső mágneses mezők megváltoztatják az elektronok pályáit, ezért szükség lehet mu-fém árnyékolásra.

Üzemeltetés, védelem és biztonság

• Erős fénytől való védelem: ne tegye ki a PMT-t erős környezeti vagy közvetlen napfénynek, különösen ha a készülék feszültség alatt van — ez károsíthatja a dynódokat és a fotokatódot.
• Magasfeszültség: a PMT működtetése magasfeszültséget igényel; megfelelő elszigetelés, zárlatvédelem és földelés szükséges.
• Mechanikai óvintézkedések: az üveg vákuumcső törékeny; kerüljük az ütéseket és biztosítsunk üvegimplózió elleni védelmet, ha szükséges.
• Előmelegítés és stabilizálás: sok alkalmazásban javasolt a cső bemelegítése és stabilizálása, mivel a paraméterek (áram, zaj) a hőmérséklettől függnek.

Alkalmazások

A fotomultiplikátorokat sokféle területen használják, különösen ott, ahol nagyon alacsony fényszinteket kell mérni:

• részecskefizika és kozmikus sugárzásdetektorok (pl. scintillációs és Cherenkov-detektorok),
• asztronómia (sötét égi fotometria, gyors impulzusok mérése),
• orvosi képalkotás (gamma-kamerák, PET-rendszerek egyes alkalmazásai),
• fluoreszcencia- és spektroszkópiai mérések,
• áramlási citometria és laboratóriumi analitika,
• LIDAR és időfelbontású mérések.

Alternatívák

A hagyományos vákuum-PMT-k mellett ma egyre gyakoribbak a félvezető alapú fotodetektorok, például az APD-k (avalanche photodiode) és a SiPM-ek (silicon photomultiplier, más néven MPPC). Ezeknek előnye lehet a kisebb méret, alacsonyabb működtetési feszültség és mágneses térrel szembeni ellenállás, míg a PMT-k általában jobb zajszintet és nagyobb érzékenységet kínálnak nagyon kis fényintenzitásoknál, illetve szélesebb felületek olcsóbb lefedését teszik lehetővé.

Összefoglalás

A fotomultiplikátorcső erős, gyors és érzékeny eszköz nagyon gyenge fényjelek detektálására. Működése a fotoelektromos hatáson és a dynódokon történő másodlagos emisszión alapul, ami nagy erősítést eredményez. Az optimális használathoz figyelembe kell venni a sötétáramot, a hőmérsékletet, a mágneses tereket és a magasfeszültség-kezelésre vonatkozó biztonsági előírásokat. Számos tudományos, ipari és orvosi alkalmazásban ma is a PMT jelenti az egyik legmegfelelőbb detektortechnológiát.

Kérdések és válaszok

K: Mi az a fotomultiplier cső?

K: Mekkora a fotomultiplikátorcsövek érzékenysége?

K: Hogyan alakítja át a fotomultiplikátor a fotonokat elektronokká?

K: Mi történik, amikor az elektronok a fotomultiplikátor elektródáira csapódnak?

K: Hogyan gyűjtik össze a generált elektronokat a fotomultiplikátorban?

K: Hogyan javítható a fotomultiplikátorok érzékenysége?

K: Milyen gyakori alkalmazásai vannak a fotomultiplikátorcsöveknek?

Keresés betűvel