PMT

Eine Photomultiplier-Röhre ist ein Vakuumgerät, das einzelne Photonen nachweist und sie in ein messbares elektrisches Signal verstärkt. In einem Glaskolben treffen Photonen auf eine Fotokathode (typischerweise aus Multialkali-Verbindungen), wobei Elektronen durch den Fotoeffekt freigesetzt werden. Diese Elektronen werden dann durch eine Reihe von Metallelektroden, sogenannte Dynode, beschleunigt, wobei jede weitere Elektronen auslöst und eine Kaskade entsteht, die das ursprüngliche Signal um das 106-fache oder mehr verstärkt. Der resultierende Elektronenschauer wird an einer Anode gesammelt und in einen Stromimpuls umgewandelt, den die Ausrüstung messen und zählen kann.

Die Röhre benötigt eine Hochspannungsversorgung, üblicherweise 500 bis 2000 Volt, um das elektrische Feld aufrechtzuerhalten, das Elektronen durch die Dynodenkette beschleunigt. Verschiedene Fotokathoden-Materialien sprechen auf unterschiedliche Wellenlängen an: Bialkali- und Multialkali-Typen sind im sichtbaren und nahinfraroten Bereich empfindlich, während spezialisierte Varianten in den Infrarot-Bereich reichen. Die Verstärkung einer PMT ist nicht fest; sie hängt unmittelbar von der Versorgungsspannung ab, deshalb ist eine stabile Spannungsregelung für reproduzierbare Messungen erforderlich.

PMTs dominieren Szintillationszählung, Fluoreszenzspektroskopie und Time-of-Flight-Anwendungen, bei denen die Empfindlichkeit für einzelne Photonen wichtig ist. Ein Natriumiodid-Kristall gekoppelt mit einer PMT bildet den Kern vieler Gammastrahlen-Detektoren. Medizinische Bildgebung, Umweltüberwachung und Hochenergiephysik verlassen sich alle darauf. Halbleiter-Alternativen wie Silizium-Photomultiplier (SiPMs) konkurrieren jetzt in einigen Bereichen, aber PMTs sind für großflächige Detektion, Zeitauflösung und den Betrieb in starken Magnetfeldern überlegen.

Die Hauptausfallmodi sind Vakuumverlust (verursacht Gasentladung), Verdunkelung der Fotokathode durch Ionenbeschuss und Anodenermüdung durch übermäßigen Strom. Die Exposition gegenüber direktem hellem Licht kann die Fotokathode dauerhaft beschädigen. Thermisches Rauschen (Dunkelstrom) nimmt oberhalb der Raumtemperatur stark zu, weshalb PMTs in empfindlichen Anwendungen oft gekühlt werden. Die Röhre ist auch zerbrechlich; mechanische Stöße können den Glaskolben brechen oder innere Komponenten verschieben.

Der Name beschreibt die Funktion des Geräts: Der Photomultiplier-Teil beschreibt, wie es Licht in Elektronen umwandelt und verstärkt. Die Röhren-Bezeichnung ist ältere Terminologie, heutzutage in der Ära der Halbleitersensoren etwas veraltet, bleibt aber in der Branche Standard. Ein vollständiger Detektor umfasst üblicherweise die PMT selbst, ein Spannungsteilernetzwerk an ihren Anschlüssen, eine Vorverstärkerstufe und Abschirmung vor Umgebungslicht und elektromagnetischem Rauschen.