Ergänzung 1.10: Strahlungsdetektoren      (4/5)

Quantendetektoren    (3/4)

Photomultiplier

Diese Detektoren vereinigen eine Vakuum-Fotodiode mit einem Hoch­frequenz­verstärker in einer gemeinsamen Röhre. Der Verstärker vervielfacht die aus der Foto­kathode freigesetzten Fotoelektronen in mehreren Stufen und wird daher als Sekundärelektronenvervielfacher oder SEV bezeichnet. Die Anordnung aus Fotodiode und Verstärker wird entsprechend auch Foto­elektronen­vervielfacher bzw. Fotovervielfacher, Photom­ulti­plier oder PMT genannt. Es gibt sie in einer großen Zahl verschiedener Ausführungen, mit Abmessungen von 1 cm bis zu Röhren mit einem halben Meter Durchmesser.

Photomultiplier des früheren Herstellers BURLE Indu­stries, USA, ein Nachfolger von RCA.

Die Verstärkung über Stufen entspricht mathematisch einer endlichen diver­genten geometrischen Reihe: jeder Folgeterm wird mit dem Faktor 3 bis 4 multipliziert. Mit sechs bis acht Verstärkerstufen wird so eine Verstärkung um den Fakter 10³ bis 10⁵ erreicht. Es gibt auch PMT mit bis zu 19 Stufen! Die Realisierung der Stufen geschieht mit Metallblechen aus Antimon oder Berylliumoxid (BeO), die als Dynoden bezeichneten werden. Mit Beschleu­nigungs­spannungen werden die Fotoelektronen bzw. die bereits verviel­fach­ten Elektronen zu den jeweils folgenden Dynoden gelenkt. Die kinetische Energie des Aufpralls erzeugt weitere - typisch drei oder vier - Sekundär­elektronen.

Die folgende Grafik zeigt die grundlegende Beschaltung eines Photo­multipliers. Die Widerstände und Kondensatoren werden an den Sockel­anschlüssen verlötet, um die Leitungslängen möglichst kurz und somit Störungen durch äußere elektromagnetische Felder klein zu halten.

Grundlegende Beschaltung eines Photomultipliers. Quelle: Wikimedia Commons.

Die Fotokathode erhält eine negative Hochspannung (-HV); sie liegt bei etwa -500 bis -1500 V. Die Anode ist über den Lastwiderstand R_LOAD mit Null verbunden. Bei gepulsten oder hochfrequenten Messungen ist R_LOAD=50 Ω; andernfalls können für größere Sgnalspannungen höhere Werte genutzt werden. Die Dynoden erhalten ihre Spannungen durch eine Widerstands­kette; in diesem Beispiel sind die Spannungen zwischen den Dynoden wegen der identischen Widerstandswerte gleich.

Die Potenziale der letzten vier Dynoden werden mit HV-geeigneten schnellen Kondensatoren (z.B. Keramikkondensatoren) gestützt, was für gepulste Messungen erforderlich ist. In jedem Fall dürfen die Dynodenströme in das Vakuum nicht in den Bereich des Stroms der Widerstandskette von -HV zu Null kommen, da andernfalls die Potenziale der letzten Dynodenstufen einbrechen. Da die Gesamtspannung durch die HV-Quelle erhalten bleibt, würden die Potenzialdifferenzen der ersten Dynoden ansteigen, mit der Folge einer nichtlinearen Verstärkung.

Ein Vorteil der hohen Dynodenverstärkung ist die Möglichkeit der Zählung einzelner Photonen. Ein Beispiel des sog. photon counting findet sich in einem Video im Abschnitt über Photonen, Die hohen Pulse werden überwiegend von Photonen verursacht, die ein Fotoelektron aus der Kathode auslösen. Pulse geringerer Höhe entstehen durch thermisch aus den Dynoden ausgelöste Elektronen, deren Verstärkung kleiner bleibt; dies bildet den bereits bei den Vakuum-Fotodioden erwähnten Dunkelstrom. Bei der Photonenzählung werden die kleinen Pulse elektronisch unterdrückt.