Ergänzung 1.10: Strahlungsdetektoren (5/5)
Quantendetektoren (4/4)
Photomultiplier Fortsetzung von der vorherigen Seite
Es gibt eine große Zahl unterschiedlicher spekraler Empfindlichkeiten der Fotokathoden. Die für Vakuum-Fotodioden genannten Eigenschaften gelten hier in gleicher Weise. Die folgende Abbildung zeigt einige häufig genutzte Empfindlichkeiten.
Es wäre irrig davon auszugehen, eine spektral möglichst breite Charakteristik wie die der GaAs-Kathode sei immer die beste Wahl. Vielmehr ist die Art der Anwendung entscheidend. Soll etwa nur ultraviolette Strahlung auch bei Tageslicht gemessen werden, ist die Cs-Te - Kathode, eine der sogenannten solar blind-Typen, vorzuziehen. Dies ist hilfreich, weil die meisten optischen Farbglasfilter lange Wellenlängen hindurchlassen (long wave pass) und die wenigen verfügbaren short wave pass-Filter keine scharfen Absorptionsflanken aufweisen. Auch Interferenzfilter blockieren Bereiche außerhalb ihrer Durchlasswellenlänge nicht immer hinreichend effizient. Daher ist ein Photomultplier mit geeigneter Filterfunktion der Kathode oft die erste Wahl, wenn Störlicht unterdrückt werden soll. So ist die S11-Kathode von UV bis gelb/orange empfindlich und unterdrückt das Licht ab dem tiefen Rot sehr wirkungsvoll.
Die breitbandige GaAs-Kathode ist vorteilhaft, wenn vom UV bis in das nahe Infrarot hinein zu messen ist; allerdings wird dieses Material bei zu großen Helligkeiten leicht überlastet und kann erblinden; dieser Effekt ist nach Tagen, aber nicht immer reversibel.
Das Zeitverhalten von Photomultipliern entspricht etwa demjenigen der Vakuum-Fotodioden. Dies gilt auch für die parasitären Kapazitäten, weshalb niedrige Werte des Anodenwiderstands von typisch 50 Ω für hochfrequente Messungen erforderlich sind. Dies ist vergleichsweise keine Schwierigkeit, da die Verstärkung durch die Dynodern verglichen mit den Fotodioden hohe Ausgangssignale liefert. Jedoch kommt hier die Transitzeit der Elektronen von der Fotokathode über die Dynoden zur Anode hinzu. Sie sinkt mit zunehmenden Dynodenspannungen und liegt, abhängig von der Zahl der Dynoden, bei typisch 20 ns. Entscheidend für das Zeitverhalten ist die Variabilität der Transitzeit auf unterschiedlichen Wegen von der Kathode zur Anode, wodurch gepulste Signale verbreitert und Grenzfrequenzen verkleinert werden. Mit dem Ziel möglichst identischer Transitzeiten wurden Multiplier mit optimierten Dynodenformen, sogenannte compensated-design multipliers, entwickelt.
Die Größe von Photomultipliern kann, wie auf der vorherigen Seite in einem Foto gezeigt, sehr variieren; dies wird immer der konkreten Anwendung angepasst. Ebenso wichtig ist die Bauform. Ein wesentlicher Unterschied ist die Orientierung der Fotokathode zur Längsachse der Röhre. Die seitliche Orientierung (side-on) ist im unten gezeigten Beispiel des Typs 1P28 realisiert. In diesem Fall ist die Fotokathode undurchsichtig, die Fotoelektronen werden auf der bestrahlten Seite der Fotokathode ausgelöst. Bei der head-on-Bauform besteht die Fotokathode aus einer dünnen, auf die Innenseite des flachen Lichteintrittsfensters aufgedampften Schicht. Die Kathode ist in diesem Fall halbtransparent, sodass die Fotoelektronen nach hinten zu den Dynoden hin herausgelöst werden. Dies verringert jedoch die Quantenausbeute im Vergleich zur side-on-Variante.
Links: Ansicht der Kathodenseite. Die Drähte bilden eine gitterförmige Fokussierelektrode (grill), die auf einem Potenzial zwischen der Kathode und ersten Dynode liegt, sodass die Fotoelektronen zur ersten Dynode gelenkt werden.
Mitte: Ansicht der Dynodenseite.
Rechts: Anordnung der Kathode, Dynoden und Anode in der Röhre des RCA 1P28, Quelle: RCA
Der 1P28 ist seit dem Jahr 1950 verfügbar, die Entwicklung begann Anfang der 1940er Jahre und und war eine verbesserte Version des ersten am Markt erhältlichen Photomultipliers RCA 931 bzw. 931A. Er hat wie die etwa gleichzeitig entstandene Fotodiode RCA 935 eine S5-Kathode mit maximaler Empfindlichkeit bei 340 nm. Das Datenblatt finden Sie hier. Da sich der Photomultiplier sehr bewährte, ist er von anderen Herstellern mit mehreren Kathodentypen heute weiterhin erhältlich.
