Supplement 1.12: Fotomultiplicatoren (1/3)
Deze detectoren combineren een vacuümfotodiode met een hoogfrequentversterker in één buis. De versterker versterkt de uit de fotokathode vrijgekomen foto-elektronen in meerdere trappen en wordt daarom een secundaire-elektronenvermenigvuldiger of SEV genoemd. De opstelling van fotodiode en versterker wordt dan ook foto-elektronenvermenigvuldiger bzw. fotovermenigvuldiger, fotomultiplier of PMT genoemd. Ze zijn verkrijgbaar in een groot aantal verschillende uitvoeringen, met afmetingen variërend van 1 cm tot buizen met een diameter van een halve meter.
De versterking via trappen komt wiskundig overeen met een eindige divergerende geometrische reeks: elke volgende term wordt vermenigvuldigd met een factor 3 tot 4. Met zes tot acht versterkertrappen wordt zo een versterking met een factor 103 tot 105 bereikt. Er zijn ook PMT's met wel 19 trappen! De trappen worden gerealiseerd met metalen plaatjes van antimoon of berylliumoxide (BeO), die dynoden worden genoemd. Met versnellingsspanningen worden de foto-elektronen of de reeds vermenigvuldigde elektronen naar de respectievelijk volgende dynoden geleid. De kinetische energie van de botsing genereert nog meer – doorgaans drie of vier – secundaire elektronen.
De volgende afbeelding toont de basisopstelling van een fotomultiplicator. De weerstanden en condensatoren worden op de aansluitingen van de voet gesoldeerd om de kabellengtes zo kort mogelijk te houden en zo storingen door externe elektromagnetische velden tot een minimum te beperken.
De fotokathode krijgt een negatieve hoogspanning (-HV) aangelegd; deze ligt tussen ongeveer -500 en -1500 V. De anode is via de belastingsweerstand RLOAD verbonden met nul. Bij gepulseerde of hoogfrequente metingen is RLOAD=50 Ω; in andere gevallen kunnen voor grotere signaalspanningen hogere waarden worden gebruikt. De dynoden krijgen hun spanningen via een weerstandsketen; in dit voorbeeld zijn de spanningen tussen de dynoden gelijk vanwege de identieke weerstandswaarden.
De potentialen van de laatste vier dynoden worden ondersteund met voor HV geschikte snelle condensatoren (bijv. keramische condensatoren), wat nodig is voor gepulseerde metingen. In elk geval mogen de dynodenstromen in het vacuüm niet in het bereik van de stroom van de weerstandsketen van -HV tot nul komen, omdat anders de potentialen van de laatste dynodetrappen instorten. Aangezien de totale spanning door de HV-bron behouden blijft, zouden de potentiaalverschillen van de eerste dynoden toenemen, met als gevolg een niet-lineaire versterking.
Een voordeel van de hoge dynodeversterking is de mogelijkheid om afzonderlijke fotonen te tellen. Een voorbeeld van het zogenaamde fotontellen is te zien in een video in het gedeelte over fotonen. De hoge pulsen worden voornamelijk veroorzaakt door fotonen die een foto-elektron uit de kathode losmaken. Pulsen met een lagere amplitude ontstaan door elektronen die thermisch uit de dynodes worden losgemaakt, waarvan de versterking kleiner blijft; dit vormt de donkere stroom die al bij de vacuümfotodioden werd genoemd. Bij het fotontellen worden de kleine pulsen elektronisch onderdrukt.
