Fotovervielfacher
Englisch: photomultiplier tube
Eine Vakuumröhre, die elektromagnetische Strahlung im ultravioletten bis infraroten Bereich einschließlich des sichtbaren Spektrums erfasst und den induzierten Detektionsstrom zu einem Ausgangssignal verstärkt.
PMT: Vakuumröhre, die Licht in starke elektrische Impulse umwandelt
Eine Photomultiplier-Röhre ist eine Vakuumröhre, die einzelne Photonen in messbaren elektrischen Strom umwandelt und dieses Signal intern verstärkt, bevor es das Gerät verlässt. Die Röhre enthält eine Photokathode (üblicherweise eine Beschichtung aus Alkalimetall oder Alkalimetallverbindung), die beim Auftreffen von Photonen Elektronen freisetzt; diese Photoelektronen werden dann durch eine Reihe von Elektroden, sogenannte Dynoden, beschleunigt, wobei jede Sekundäremission und eine Vervielfachung der Elektronenlawine verursacht. Ein einzelnes Photon kann letztlich einen Impuls mit Millionen von Elektronen erzeugen, was der PMT außergewöhnliche Empfindlichkeit für die Detektion bei schwachem Licht verleiht.
Das Material der Photokathode bestimmt die spektrale Empfindlichkeit. Gängige Typen sind Bialkali-Photokathoden (maximale Empfindlichkeit um 400 nm), Multialkali-Ausführungen (Reaktion bis ins Infrarot bis etwa 900 nm) und spezialisierte Beschichtungen für die Ultraviolett-Arbeit. Die über die Dynodenkette angelegte Spannung, typischerweise 800 bis 2000 Volt, steuert die Vervielfachungsverstärkung; höhere Spannung erzeugt stärkere Ausgänge, erhöht aber auch den Dunkelstrom und das Rauschen. Die Anode sammelt den endgültigen Elektronenstrahl und liefert das Ausgangssignal.
PMTs sind Standard in der analytischen Chemie für Spektrophotometrie, Fluorimetrie und Flüssigszintillationszählung, wo sie die schwache Lichtemission von biologischen oder radioaktiven Proben messen. Sie kommen auch in medizinischen Bildgebungsverfahren vor (einige ältere PET-Scanner-Designs), in Kernphysik-Experimenten und in optischen Überwachungssystemen, wo die Einzelphotonendetektierung entscheidend ist. Die Geschwindigkeit der Röhre ist ausgezeichnet und reagiert in Nanosekunden, was sie für zeitaufgelöste Messungen und Photonenzählungsanwendungen geeignet macht.
Praktische Einschränkungen und Ausfallmechanismen
PMTs sind empfindlich gegen Magnetfelder, die die Elektronenbahnen ablenken und das Signal verschlechtern; sie werden oft mit Mu-Metall-Gehäusen geschirmt. Die Photokathode verschlechtert sich mit der Zeit und bei Lichtbelastung, besonders bei hohem Lichtniveau; längere Nutzung ohne angemessene Kühlung kann die Röhrenlebensdauer erheblich verkürzen. Der Dunkelstrom, das Ausgangssignal, das in Abwesenheit von Licht erzeugt wird, nimmt mit der Temperatur und der Dynodenspannung zu; eine Kühlung auf 0 bis 10 Grad Celsius ist in Präzisionsinstrumenten üblich, um dieses Hintergrundrauschen zu minimieren.
Die Röhre erfordert eine stabile Hochspannungsversorgung und sorgfältige Erdung des Anodenausgangs, um Oszillation und Rauschaufnahme zu verhindern. Moderne Halbleiter-Photodetektoren (Lawinenfotodioden und Silizium-Photomultiplier) verdrängen PMTs in tragbaren und kompakten Instrumenten aufgrund niedrigerer Spannungsanforderungen und kleinerer Abmessungen, aber PMTs bleiben der Referenzstandard für die Laborspektroskopie, wo höchste Empfindlichkeit und niedriges Rauschen unverzichtbar sind.