Was ist ein Photomultiplier?
Ein Photomultiplier (PMT) ist einer der empfindlichsten optischen Sensoren, die Licht (Photonen) in Elektrizität umwandeln können.
Er besteht aus einer Glasröhre im Vakuum mit einem Einfallfenster, einer Photokathode und einer Dynode. Das Prinzip beruht auf dem externen photoelektrischen Effekt, bei dem Elektronen von der Oberfläche eines Metalls emittiert werden, wenn es im Vakuum Licht ausgesetzt wird.
Da bereits ein einziges Photon mit hoher Geschwindigkeit (etwa 10-9 s) in ein großes elektrisches Signal umgewandelt werden kann, werden Photomultiplier als Photodetektoren in Elektronenmikroskopen, Geräten zur Umweltanalyse, medizinischen Instrumenten, Spektralphotometern und Geräten zur Spektralanalyse eingesetzt.
Anwendungen von Photomultipliern
Photomultiplier werden als Sekundärelektronendetektoren in Elektronenmikroskopen und in Fotoanalysegeräten wie UV-Spektralphotometern und Emissionsspektrometern verwendet. Sie werden auch in Staubzählern zur Messung von Partikeln in der Luft, im Laserradar (LiDAR) zur Erkennung von Licht, das von Schwebeteilchen in der Luft gestreut wird und in medizinischen Geräten wie der Positronen-Emissions-Tomographie (PET) und der Computertomographie (CT) für die Krebsvorsorge eingesetzt.
LiDAR ermöglicht die Erkennung der Position und Bewegung von Objekten in der Umgebung eines Fahrzeugs und wird voraussichtlich auch eine Schlüsseltechnologie für das vollautomatisierte Fahren sein. Die Super-Kamiokande, die weltweit fortschrittlichste Einrichtung für Neutrinoforschung, verwendet 13 000 Photomultiplier mit einem Durchmesser von 20 Zoll, um das Cherenkov-Licht (Licht, das entsteht, wenn Elektronen die Lichtgeschwindigkeit in Wasser überschreiten) einzufangen, das in einem 50 000 Tonnen schweren Wassertank erzeugt wird.
Photomultiplier sind sehr empfindlich und können schwaches Licht in eine ausreichende Menge elektrischer Signale umwandeln. Andererseits haben sie auch Nachteile: Sie benötigen eine hohe Spannung und neigen dazu, durch thermische Elektronen verursachtes Rauschen aufzufangen. Die Stromversorgung für Photomultiplier muss daher extrem rauscharm und sehr stabil sein.
Funktionsweise der Photomultiplier
Photomultiplier sind optische Sensoren, die das Licht eines einzelnen Photons erkennen und in ein elektrisches Signal umwandeln können.
Die Glasröhre im Vakuum ist ausgestattet mit einem Fenster, durch das Licht eintritt, einer Photokathode, die Photonen durch den externen Photostromeffekt in Elektronen umwandelt (der Effekt, dass Elektronen in ein Vakuum emittiert werden), einer Fokussierungselektrode, die die Photoelektronen sammelt, etwa 10 Dynoden, die Sekundärelektronen vervielfachen und einer Anode, die das Elektronensignal erzeugt. An das gesamte System von der Photokathode bis zur Anode wird eine Gleichspannung von etwa 1 000 V angelegt.
1. Fenstermaterial
Als Fenstermaterialien werden Borosilikatglas, Quarzglas, UV-durchlässiges Glas und MgF2-Kristalle verwendet, je nach Wellenlängenbereich des Lichts, hauptsächlich auf der kurzwelligen Seite.
2. Photokathode
Photokathoden bilden auf der Oberfläche, die mit dem Hochvakuum in Berührung kommt, eine quanteneffiziente aktive Schicht (Photoelektronen-Erzeugungseffizienz). Im sichtbaren Bereich wurden Bialkalimetall-Photokathoden, Multialkalimetall-Photokathoden aus drei oder mehr Typen mit einer Empfindlichkeit bis in den Infrarotbereich, Alkalihalogenid-Photokathoden für die UV-Detektion und III-V-Verbindungshalbleiter mit hoher Empfindlichkeit im UV- bis nahen Infrarotbereich entwickelt.
3. Dynoden
Die Photoelektronen werden durch fokussierende Elektroden beschleunigt und in Dynoden gesammelt. Die Dynode bildet eine aktive Schicht auf einem Trägermetall wie Nickel oder rostfreiem Stahl, wodurch das Verhältnis der Sekundärelektronenemission erhöht wird. Üblicherweise werden Schichten aus Alkalimetall-Antimon (z. B. SbCs), Berylliumoxid und Magnesiumoxid verwendet.
Wenn Elektronen auf die Dynode treffen, wird eine große Anzahl von Sekundärelektronen emittiert. Die emittierten Sekundärelektronen stoßen dann mit der nächsten Dynode zusammen, wo weitere Sekundärelektronen emittiert werden. Dieser Vorgang wird wiederholt, so dass sich die Anzahl der Elektronen schließlich um das Millionenfache oder mehr erhöht und eine ausreichende Menge an Elektronen als elektrisches Signal erfasst wird.
Weitere Informationen zu Photomultipliern
Aufbau des Sekundärelektronenvervielfachers
Der Sekundärelektronenvervielfacher setzt sich aus einer Dynode und anderen Bauteilen zusammen. Für den Sekundärelektronenvervielfacher wurden verschiedene Strukturen entwickelt wie z. B. kreisförmiger Käfig, Linienfokus, Box-and-Grid-Typ, feinmaschiger Typ und Metallkanal, abhängig von der Anordnung und Form der Dynoden und anderer Komponenten.
Das optimale Elektrodendesign für jede Struktur basiert auf einer Elektronenorbitalanalyse. Da sich die Elektronen in einem Hochvakuum bewegen, können schnelle Zeitcharakteristiken erzielt werden. Die hohe Empfindlichkeit und das schnelle Ansprechverhalten, die es ermöglichen, Licht als Körnchen zu zählen, sind die Gründe, warum PMTs an vorderster Front eingesetzt werden.