Fotomultipliator (PMT): määratlus, tööpõhimõte ja kasutusalad

Fotomultipliator (PMT) — väga tundlik ja kiire fotonite muundur: tööpõhimõte, rakendused meditsiinis, teaduses ja analüüsis. Loe, kuidas PMT töötab ja kasutatakse.

Fotomultiplier-toru (PMT) on väga tundlik elektronseade, mis muundab saabuvad footonid elektrilisteks signaalideks, st elektronstrivideks, mida saab mõõta pingena või vooluna. PMTid võimaldavad tuvastada väga nõrka valgust – isegi üksiku footoni sündmust – ja neid kasutatakse laialdaselt nii teaduslikes kui ka tööstuslikes ja meditsiinilistes rakendustes.

Tööpõhimõte

Sissetulev fotoon läbib klaasist või muust materjalist akna ja tabab PMT fotokatoodi, mille pinnalt emiteeritakse fotoelektrilise efekti kaudu üks või mitu elektroni. Need algselektronid suunatakse vaakumis edasi järjestikku paiknevate elektroodide ehk dünoodide poole, mille vahel on rakendatud potentsiaalierinevus. Iga dünoodi tabades emiteerub rohkem sekundaarelektrone — see kordistamisprotsess toimub tavaliselt 8–12 astmes. Tulemuseks on võimendus ehk gain, mis võib olla tüüpiliselt umbes 10⁶ kuni 10⁷ elektroni oma algse footoni kohta. Lõpuks kogutakse elektroonid anoodil, kust signaal läheb edasi mõõteseadmesse.

Põhikomponendid

• Akna/valgustussisend: klaas või spetsiaalne aknantüüp, mis määrab ergastuva spektrivahemiku.
• Fotokatood: materjal (nt bialkali, multialkali, GaAs), mille fotoelektriline tundlikkus ehk kvantnefektiivsus (QE) sõltub lainepikkusest.
• Dünoodid: järjestikud elektroodid, mis tekitavad iga astmega sekundaarelektrone; nende arv mõjutab võimendust.
• Anood: kogub korrutatud elektronid ja annab väljundsignaali.
• Vaakumtuba või gaasimähis: võimaldab elektronidel vabalt liikuda ühe elemendist järgmisesse ilma lühistusteta.
• Hüvitus- ja toitebaasid: kõrgepingeallikas ja alaliinid (bleeder chain), mis tagavad dünoodide õiged pingeerinevused.

Tundlikkus, müra ja dünaamika

PMT-de jõudlust mõjutavad mitmed tegurid:

• Kvantnefektiivsus (QE): osa saabunud footonitest, mis põhjustavad ühe või mitu elektroni — sõltub lainepikkusest ja fotokatoodi materjalist.
• Müra (dark current): isesündinud vool, mis tekib ilma valgussisendita (termiline emitatsioon, keemilised efektid); jahutamine vähendab seda müra.
• Aegne lahutusvõime: PMT-d on väga kiired — reaktsioonikiirus jääb sageli nanosekunditesse või isegi mõnesajasse pikosekundi piirkonda, mis teeb nad sobivaks impulssiliste sündmuste mõõtmiseks.
• Lineaarne ulatus ja saturatsioon: väga tugev valgus võib PMT võimenduse saturatsiooni või kahjustada — seetõttu ei tohi neid palja valguse käes kasutada.
• Magnetiline tundlikkus: PMT töötab halvasti tugevas magnetväljas; sageli kasutatakse magnetilist varjestust.
• Pärastpulsatsioon: mõnikord tekivad hilinevad lisapulsid, mis võivad segada hägust signaali; see sõltub toru konstruktsioonist ja töötingimustest.

Kasutusalad

Fotomultiplier-torusid kasutatakse paljudes valdkondades, eelkõige seal, kus on vaja mõõta nõrka valgust või kiireid valgussündmusi. Näited:

• füüsika- ja tuumauuringud — kiirguse- ja osakestidetektorid (nt scintillation- ja Cherenkov-detektorid);
• astrofüüsika — väga nõrkade valgussähvatuste mõõtmine teleskoopides;
• meditsiinilised meetodid — scintillatsioonipõhine diagnostika ja varasemad PET-süsteemid;
• fluorestsentsspektroskoopia ja biokeemilised analüüsid (flow cytometry, ELISA-seadmed);
• LIDAR‑süsteemid (valguse kaugusmõõtmine) ja optilised kiirgusdetektorid;
• kvaliteedikontroll ja tootmise optilised sensorid kohtades, kus on vaja väga tundlikku signaalide registreerimist.

Kasutamine ja ohutusnõuanded

• Ärge avage ega eksponeerige PMT-d tugevale valgusele (näiteks otse päikesevalgusele) — intensiivne valgus võib katoodipinda kahjustada või elektrontorude võimendust häirida.
• Kasutage alati sobivat kõrgpingetoidet ja maandust ning järgige tootja soovitusi baasi ja bleeder-ahela ühendamisel.
• Kui on vaja vähendada müra, on efektiivne toru jahutamine; see vähendab termilist emissiooni ja dark currenti.
• Magnetväljade mõju vähendamiseks kasutage varjestust või hoidke toru eemal tugevatest magnetallikatest.
• Regulaarne kalibreerimine ja kontroll (nt tühistaatuspulsid, võimenduse kontroll) tagavad usaldusväärse töö ja pikaaegse stabiilsuse.

Fotomultiplier-torud on võimas vahend nõrkade valgussignaalide mõõtmisel. Õige kasutuse, kaitse ja hoolduse korral pakuvad nad kõrget tundlikkust, kiiret reageerimisaega ja usaldusväärseid tulemusi paljudes rakendustes.

Küsimused ja vastused

K: Mis on fotomultiplier-toru?

K: Milline on fotokordistustorude tundlikkus?

K: Kuidas fotokordisti muundab fotoonid elektronideks?

K: Mis juhtub, kui elektronid tabavad fotokordaja elektroode?

K: Kuidas kogutakse genereeritud elektronid fotomultiplikaatorisse?

K: Kuidas saab parandada fotokordisti tundlikkust?

K: Millised on mõned fotokordistajate tavalised rakendused?

Otsing