افزاینده فوتوالکتریک

یک تکثیرکننده نور.

تصویر از ساختار داخلی یک تکثیرکننده نور.

افزاینده فوتوالکتریک یا PMT از خانوادهٔ لامپ‌های خلأ هستند و می‌توانند نور مرئی ماورا بنفش و فرکانس‌های نزدیک مادون قرمز را آشکارسازی کنند. این آشکارسازها می‌توانند نور تابشی را تا صد برابر تقویت کنند. در واقع در مسیر فوتون فرودی چندین کاتد قرار می‌دهند و می‌توانند این فوتون را حتی در حالتی که شار فرودی خیلی کم است آشکار کنند. به علت توانایی بالای PMT در میزان بالای تقویت و پارازیت کم کاربردهای بسیاری در فیزیک هسته ای قطعات نیمه‌رسانا از جمله دیودهای نوری بهمنی در عکس برداری‌های پزشکی مانند تلسین و نجوم کاربرد فراوان دارند. از کاربردها ی دیگر PMTها می‌توان به دوربین‌های دید در شب اشاره کرد.

فوتومولتی پلایرها در آزمایشگاه‌های پزشکی در دستگاه‌های آنالیز خون نیز استفاده می‌شوند.

تاریخچه

ترکیب دو کشف حساس اختراع PMTها پس از دو کشف عمده حاصل شد پدیدهٔ فوتوالکتریک و گسیل ثانوی.

اثر فوتو الکتریک

اولین مشاهده تجربی از فوتوالکتریک در سال ۱۸۸۷ توسط هاینریش هرتز با استفاده از نور فرابنفش انجام گرفت. به‌طور تاریخی، آلبرت انیشتین اولین کسی بود که پدیدهٔ فوتوالکتریک را توجیه کرد که نتیجه آن پایه‌گذاری قوانین مکانیک کوانتومی و دریافت جایزه نوبل ۱۹۲۱ بود. هاینریش هرتز ۱۸ سال قبل از انیشتین روی این پدیده کار می‌کرد و در آن زمان نمی‌دانستند که انرژی جنبشی الکترون ساطع شده با فرکانس متناسب و با شدت نور فرودی رابطه‌ای ندارد. این پدیده منجر به اولین دیدگاه‌ها راجع به فوتون و کوانتا شد.

گسیل ثانوی

در ابتدا گسیل ثانوی در قطعات الکترونیکی به دلیل نادیده گرفتن حساسیت به نور مشکل ساز شد. در سال ۱۹۰۲ آستین واستارک گزارش دادند که از سطح فلزات الکترون‌هایی گسیل می‌شوند که تعداد آن‌ها بیشتر از الکترون‌های فرودی است؛ که نهایتاً این پدیده بعد از جنگ جهانی در سال ۱۹۱۹ توجیه شد.

اولین PMT

تلاش‌ها برای ساخت یک دوربین الکترونیکی تلویزیونی سودمند یکی از عواملی بود که سرعت ساخته شدن PMTها را شتاب بخشید. اگرچه این هدف اولیه خیلی‌ها نبود. برنامه‌های تلویزیون‌ها تا قبل از دهه ۱۹۳۰ به وسیله همان دوربین‌های اولیه تولید و با تکنولوژی اولیه (ایکونوسکوب) پخش می‌شدند. این نوع تلویزیون‌های اولیه نیازی به حساسیت بالا هم نداشتند PMTها صنعت تلویزیون‌ها را حساس‌تر کردند و این مسئله باعث کارآمدی بهتر تلویزیون‌ها شد.

اولین PMT امتحان شده توسط گروهی در ۱۹۳۴ ساخته شد که توانستند با استفاده از یک کاتد در خلأ پدیده‌های فوتوالکتریک و گسیل ثانوی را انجام داده و الکترون تقویت شده بدست بیاورند. این وسیله از یک کاند نیمه استوانه ای، یک محور گسیل ثانوی و صفحه‌ای که این گسیلنده ثانوی را می‌پوشاند تشکیل شده بود. این وسیله با فرکانس حدوداً ۱۰ کیلو هرتز به خوبی کار می‌کرد. پژوهشگران به دنبال نتایج و کارایی‌های بهتر از PMTها بودند. از آزمایش‌های تجربی به این نتیجه رسیده بودند که الکترون تابشی دوم مستقل از ولتاژ اولیه است؛ بنابراین یک PMT تک شدت وسیله‌ای محدود بود بنابراین توانستند PMTهای چند شدتی بسازند که فوتوالکترون‌ها در شدت‌های مختلف گسیل می‌شدند و این یک موفقیت بزرگ بود. در این وسیله فوتوالکترون‌ها به جای برخورد با کاتدی که بالاترین ولتاژ را دارد با تعدادی کاتدبرخوردمی‌کردندو این عمل تنها با اعمال یک میدان مغناطیسی قوی امکان‌پذیر بود. از آنجا که PMTها از قوانین مغناطیسی پیروی می‌کنند جان راچمن از آزمایشگاه RCA حدس زد که در یک میدان الکترواستاتیکی هم باید به خوبی کار کنند و آینده تجاری درخشانی برای PMTها رقم زد. این نوع PMTها هنوز هم تولید می‌شوند

ساختار

یک تکثیرکنندهٔ نوری از یک شیشهٔ لامپ خلاء ساخته شده‌است که درون آن یک فوتوکاتد و چندین کاتد ثانویه و یک آند قرار دارد. فوتون تابشی به مادهٔ فوتوکاتد که به صورت لایهٔ نازکی در پنجرهٔ وسیله ته‌نشین شده‌است برخورد می‌کند و در نتیجهٔ تأثیرات فوتوالکتریک الکترون‌ها تولید می‌شوند. این الکترون‌ها به‌وسیلهٔ فوکوس کردن کاتدها به سمت تکثیرکنندهٔ الکترون (جایی که الکترون‌ها به‌وسیلهٔ فرایند تابش ثانویه تکثیر می‌شوند) جهت دهی می‌شوند.

فوتون (در اینجا قرمز رنگ) به سطح خاکستری رنگ فوتو کاتد برخورد می‌کند.

تکثیرکنندهٔ الکترون از تعدادی الکترود تشکیل شده‌است که کاتد ثانویه نامیده می‌شوند. تمامی این کاتدهای ثانویه در ولتاژی مثبت تر از کاتد ثانویهٔ قبلی خود قرار داده می‌شوند. الکترونی که فوتوکاتد را ترک می‌کند مقداری انرژی از فوتون‌های وارده دارد. وقتی که وارد اولین کاتد ثانویه می‌شود به‌وسیلهٔ میدان الکتریکی شتاب می‌گیرد و به انرژی بالاتر می‌رسد. در جرقه‌گیری اولین کاتد ثانویه بیشتر الکترون‌های انرژی پایین به سمت دومین کاتد ثانویه شتاب می‌گیرند و فرستاده می‌شوند. کاتد ثانویه‌ها به صورت سری به یکدیگر متصل شده‌اند و در هر صورت در هر مرحله تعداد الکترون‌های تولید شده افزایش می‌یابد و در آخر به آند می‌رسند جایی که انباشتگی بارها یک جریان تند را نتیجه می‌دهد.

لامپ‌های تکثیرکنندهٔ نور برای کارکرد درست به ۱۰۰۰ تا ۲۰۰۰ ولت احتیاج دارند. بیشترین ولتاژ منفی به کاتد متصل می‌شود و بیشترین ولتاژ مثبت به آند. ولتاژها به‌وسیلهٔ یک درایور ولتاژ مقاومتی بین کاتدهای ثانویه توزیع می‌شود که این تغییرات به‌وسیلهٔ ترانزیستورها یا دیودها تحقق می‌یابند. وقتی تکثیرکننده‌های نوری روشن می‌شوند باید نسبت به نور محیط محافظت شوند تا با ازدیاد انتشار امواج آسیب نبینند. اگر در محیط‌های دارای میدان مغناطیسی بالا استفاده شوند (که می‌توانند مسیر الکترون‌ها را منحرف کنند) معمولاً با یک لایه از آلیاژ نیکل و آهن (۷۵٪ نیکل، ۱۵٪ آهن + مس و مولیبدن) محافظت می‌شوند.