افزاینده فوتوالکتریک

یک تکثیرکننده نور.

تصویر از ساختار داخلی یک تکثیرکننده نور.

افزاینده فوتوالکتریک یا PMT از خانواده ی تیوب های خلا هستند و می توانند نور مرئی ماورا بنفش و فرکانس های نزدیک مادون قرمز را آشکار سازی کنند. این آشکار سازها می توانند نور تابشی را تا صد برابر تقویت کنند. در واقع در مسیر فوتون فرودی چندین کاتد قرار می دهند و می توانند 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 نیمرسانا از جمله دیود های نوری بهمنی در عکس برداری های پزشکی مانند تلسین و نجوم کاربرد فراوان دارند. از کاربرد ها ی دیگر PMT ها می‌توان به دوربین های دید در شب اشاره کرد.

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

تاریخچه

ترکیب دو کشف حساس اختراع PMT ها پس از دو کشف عمده حاصل شد پدیده ی 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. به طور تاریخی آلبرت انیشتین اولین کسی بود که پدیده ی فوتوالکتریک را توجیه کرد که نتیجه آن پایه گذاری قوانین مکانیک کوانتومی و دریافت جایزه نوبل ۱۹۲۱ بود. هاینریش هرتز ۱۸ سال قبل از انیشتین روی این پدیده کار می کرد و در آن زمان نمی‌دانستند که انرژی جنبشی الکترون ساطع شده با فرکانس متناسب و با شدت نور فرودی رابطه ای ندارد. این پدیده منجر به اولین دیدگاه ها 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 الکترون هایی گسیل می شوند که تعداد آن ها بیش تر از الکترون های فرودی است. که نهایتاً این پدیده بعد از جنگ جهانی در سال ۱۹۱۹ توجیه شد.

اولین PMT

تلاش ها برای ساخت یک دوربین الکترونیکی تلویزیونی سودمند یکی از عواملی بود که سرعت ساخته شدن PMT ها را شتاب بخشید اگرچه این هدف اولیه خیلی ها 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 PMT ها 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 خلا 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 صفحه ای که این گسیلنده ثانوی را می پوشاند تشکیل شده بود. این وسیله با فرکانس حدوداً ۱۰ کیلو هرتز به خوبی کار می کرد. پژوهشگران به دنبال نتایج و کارایی های بهتر از PMT ها بودند. از آزمایش های تجربی به این نتیجه رسیده بودند که الکترون تابشی دوم مستقل از ولتاژ اولیه است. بنابراین یک PMT تک شدت وسیله ای محدود بود بنابراین توانستند PMT های چند شدتی بسازند که فوتوالکترون ها در شدت های مختلف گسیل می شدند و این یک موفقیت بزرگ بود. در این وسیله فوتوالکترون ها به جای برخورد با کاتدی که بالاترین ولتاژ را دارد باتعدادی کاتدبرخوردمیکردندو این عمل تنها با اعمال یک میدان مغناطیسی قوی امکان پذیر بود. از آنجا که PMT ها از قوانین مغناطیسی پیروی می کنند جان راچمن از آزمایشگاه RCA حدس زد که در یک میدان الکترواستاتیکی هم باید به خوبی کار کنند و آینده تجاری درخشانی برای PMT ها رقم زد. این نوع PMT ها 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 جرقه گیری اولین کاتد ثانویه بیشتر الکترون‌های انرژی پایین به سمت دومین کاتدثانویه 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.