Fotovervielfacher

schematische Skizze eines Photomultipliers

Photomultiplier, Länge ca. 80 mm; rechts das Eintrittsfenster mit Fotokathode, in der Mitte die an Isolierkörpern befestigten Dynoden

Ein Photomultiplier (dt. auch Photovervielfacher), kurz PMT (für „Photomultiplier Tube“), ist eine spezielle Elektronenröhre, um schwache Lichtsignale (bis hin zu einzelnen Photonen) zu detektieren und in ein elektrisches Signal umzuwandeln bzw. dieses zu verstärken.
Ein Photomultiplier besteht aus einer Photokathode und einem nachgeschalteten Sekundärelektronenvervielfacher.

Funktionsweise

Die Photonen treffen auf die Photokathode und schießen so Elektronen aus deren Oberfläche (s. a. Photoemission bzw. äußerer Photoeffekt). Die freigesetzten Photoelektronen werden in einem elektrischen Feld beschleunigt und treffen auf weitere Elektroden (sogenannte Dynoden), aus deren Oberfläche jedes auftreffende Elektron mehrere Sekundärelektronen herausschlägt (n=3..10). Somit nimmt die Anzahl der Elektronen von Dynode zu Dynode kaskadenartig zu. Damit das funktioniert, müssen die Dynoden auf zunehmend (im Schema von links nach rechts) positivem Potential liegen. Meist wird das realisiert, indem die ursprüngliche Hochspannung über eine Spannungsteilerkette heruntergeteilt wird. Zum Schluss treffen die Elektronen auf eine Anode und fließen zur Masse ab. Dabei erzeugen sie einen Spannungsabfall über einen Widerstand (in der Zeichnung R a). Diese Spannung ist das Ausgangssignal.

Der Verstärkungsfaktor wächst exponentiell mit der Anzahl der Dynoden. Typische Multiplier haben ca. 10 Dynoden. Werden an jeder Dynode 5 Elektronen pro auftreffendes Elektron herausgeschlagen, so erhält man eine Verstärkung der Elektronenzahl (also des Stroms) um einen Faktor 5¹⁰, was etwa 10 Mio. entspricht. Die Anzahl der erzeugten Sekundärelektronen ist proportional zur Anzahl der eingestrahlten Photonen, solange eine Sättigungsschwelle nicht überschritten wird, die bei etwa 10 % des sogenannten Querstromes (der durch die Spannungsteilerkette fließende Strom) liegt. Damit ist auch die Höhe des ausgegebenen Spannungspulses in diesem linearen Arbeitsbereich proportional zur eingestrahlten Photonenzahl, also zur Intensität des Lichts.

Man kann bei genügend geringem Dunkelstrom (Hauptursache: thermisch emittierte Elektronen) sogar einzelne Photonen zählen und mit gewissen Einschränkungen deren Energie messen, indem man die Höhe der Pulse bestimmt.
Die Höhe der gemessenen Impulse bzw. des Stromes ist jedoch nicht linear von der Wellenlänge abhängig, da die Wahrscheinlichkeit, ein Elektron aus der Photokathode zu schlagen, keine lineare Abhängigkeit von der Wellenlänge aufweist. Will man also ein elektromagnetisches Spektrum bestimmen, so ist eine Kalibrierkurve nötig, aus der sich diese Abhängigkeit ablesen lässt.

Anwendung

Anwendungen sind beispielsweise Detektoren für Elementarteilchen (z. B. Gamma-Spektrometer). Häufig werden sie in Verbindung mit Szintillationszählern in Großdetektoren eingesetzt. In anderen Fällen geht es darum, die schwachen Lichtblitze, welche durch hochenergetische kosmische Strahlung in der Hochatmosphäre entstehen, nachzuweisen (Tscherenkow-Licht) und auf diese Weise Informationen über kosmische Strahlungsquellen zu gewinnen. Auch zur Messung schwacher Lichtsignale werden Photomultiplier eingesetzt. In der optischen Spektrometrie verwendet man Photomultiplier als Empfänger, wenn es um den ultravioletten Wellenlängenbereich geht.

Bei der Elektronenmikroskopie werden Photomultiplier dem Detektor nachgeschaltet. Die Sekundär(SE)- bzw. Rückstreuelektronen(BSE vom englischen "back scattered electrons") werden am Detektor (Szintillator) in Photonen umgewandelt, welche über einen Lichtleiter dem Photomultiplier zugeführt und somit verstärkt werden.

Andere Bauformen

Eine besondere Form der Photomultiplier sind sogenannte Mikrokanalplatten (MCP, von engl. micro channel plate), mit vorgesetzter Photokathoden-Platte. Sie werden u. a. in Bildverstärkern eingesetzt. In der Mikrokanalplatte werden Sekundärelektronen aus der Innenwand mikroskopisch dünner Kanäle herausgelöst, entlang derer ein beschleunigendes elektrisches Feld herrscht. Sie stellen somit eine homogene Kombination aus Dynoden und Spannungsteilerkette dar.
Eine speziell beschichtete Eingangsseite der Mikrokanalplatte kann mit einigen Einschränkungen die Photokathode ersetzen.

Es werden auch Sekundärelektronenvervielfacher mit nur einem größeren solchen Kanal hergestellt.

Alternativen

Lawinenphotodioden, auch Avalanche-Fotodioden genannt, z. B. eingesetzt in Laserentfernungsmessern, nutzen den bei hohen Feldstärken auftretenden Lawineneffekt (Avalanche-Effekt) in Halbleiterkristallen zur Ladungsträgervermehrung aus und können als das Halbleiteräquivalent zum Photomultiplier angesehen werden.

Sehr empfindliche Fotoempfänger sind auch die Fotowiderstände. Mit ihnen gelingen jedoch keine Einzelphotonennachweise, sie rauschen stark und sind sehr träge (Bereich Sekunden).

Siehe auch

• Kamiokande, Super-Kamiokande
• Mikrokanalplatte, Szintillationsdetektor

Weblinks

• Applications from the PMT Handbook

• Uni Erlangen: "Teilchendetektoren - Photomultiplier"