Ein Photomultiplier ist eine spezielle Elektronenröhre, um schwache Lichtsignale (bis hin zu einzelnen Photonen) zu verstärken und in ein elektrisches Signal umzuwandeln.
Ein Photomultiplier besteht aus einer Photokathode und einem nachgeschalteten Sekundärelektronen - Vervielfacher.
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 (sog. 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 dem eingezeichneten Widerstand. Dieses Signal wird ausgekoppelt.
Der Verstärkungsfaktor wächst exponentiell mit der Anzahl der Dynoden. Typische Multiplier haben ca. 10 Dynoden. Werden an jeder Dynode 5 Elektronen pro auftreffendem Elektron ausgeschlagen, so erhält man eine Verstärkung der Elektronenzahl (also des Stromes) 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 "Querstromes" (= durch die Spannungsteilerkette fließender Strom) liegt. Damit ist auch die Höhe des ausgegebenen Spannungspulses in diesem linearen Arbeitsbereich proportional zur eingestrahlten Photonenzahl, also zur Intensität des Lichtes.
Man kann so etwa einzelne Photonen zählen (indem man Impulse zählt) oder deren Energie messen (indem man die Höhe der Pulse bestimmt).
Es ist allerdings zu erwähnen, dass die Höhe der gemessenen Impulse keineswegs linear von der Wellenlänge abhängig ist, 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.
Eine besondere Form der Photomultiplier sind sogenannte Mikrokanalplatten, wie sie auch in Bildverstärkern eingesetzt werden. Dabei werden Sekundärelektronen aus der Innenwand der Mikrokanäle herausgelöst. Eine speziell beschichtete Eingangsseite der Mikrokanalplatte kann mit einigen Einschränkungen die Photokathode ersetzen.
Lawinenphotodioden, auch Avalanche-Fotodioden genannt, z. B. eingesetzt in Laserentfernungsmessern, können als das Halbleiteräquivalent zum Photomultiplier angesehen werden.
Weblinks
- Uni Erlangen: "Teilchendetektoren - Photomultiplier" (o.D)
http://www.didaktik.physik.uni-erlangen.de/grundl_d_tph/exp_detek/exp_detek_06.html (Stand der URL: 2003-12-01)
Siehe auch: Mikrokanalplatte, Szintillationsdetektor