Supplement 1.12: Fotomultiplicatoren (2/3)
Er bestaat een groot aantal verschillende spectrale gevoeligheden van fotokathodes. De eigenschappen die voor vacuümfotodioden worden genoemd, gelden hier eveneens. De volgende afbeelding toont enkele veelgebruikte gevoeligheden.
Het zou onjuist zijn om aan te nemen dat een zo breed mogelijk spectraal karakteristiek, zoals die van de GaAs-kathode, altijd de beste keuze is. Het is veeleer de aard van de toepassing die doorslaggevend is. Als bijvoorbeeld alleen ultraviolette straling ook bij daglicht moet worden gemeten, verdient de Cs-Te-kathode, een van de zogenaamde solar blind-types, de voorkeur. Dit is nuttig omdat de meeste optische gekleurde glasfilters lange golflengten doorlaten (long wave pass) en de weinige beschikbare short wave pass-filters geen scherpe absorptieflanken vertonen. Ook interferentiefilters blokkeren gebieden buiten hun doorlaatgolflengte niet altijd voldoende efficiënt. Daarom is een fotomultiplicator met een geschikte filterfunctie van de kathode vaak de eerste keuze wanneer storend licht moet worden onderdrukt. Zo is de S11-kathode gevoelig van UV tot geel/oranje en onderdrukt ze het licht vanaf diep rood zeer effectief.
De breedbandige GaAs-kathode biedt voordelen bij metingen van UV tot in het nabije infrarood; dit materiaal raakt echter bij te hoge helderheden gemakkelijk overbelast en kan „blind“ worden; dit effect is na enkele dagen, maar niet altijd, omkeerbaar.
Het tijdsgedrag van fotomultiplicatoren komt ongeveer overeen met dat van vacuümfotodioden. Dit geldt ook voor de parasitaire capaciteiten, waardoor voor hoogfrequente metingen een lage anodeweerstand van doorgaansh 50 Ω vereist is. Dit levert relatief gezien geen problemen op, aangezien de versterking door de dynodes in vergelijking met fotodioden hoge uitgangssignalen oplevert. Hier komt echter de transittijd van de elektronen van de fotokathode via de dynoden naar de anode bij. Deze neemt af bij toenemende dynodenspanningen en ligt, afhankelijk van het aantal dynoden, bij typisch 20 ns. Bepalend voor het tijdsgedrag is de variabiliteit van de transittijd op verschillende routes van de kathode naar de anode, waardoor gepulseerde signalen worden verbreed en grensfrequenties worden verlaagd. Met het doel om zo identieke transittijden mogelijk te maken, zijn vermenigvuldigers met geoptimaliseerde dynodevormen ontwikkeld, zogenaamde compensated-design multipliers.
De afmetingen van fotomultiplicatoren kunnen, zoals op de vorige pagina op een foto te zien is, sterk variëren; deze worden altijd aangepast aan de specifieke toepassing. Even belangrijk is de bouwvorm. Een essentieel verschil is de oriëntatie van de fotokathode ten opzichte van de lengteas van de buis. De zijdelingse oriëntatie (side-on) is gerealiseerd in het hieronder getoonde voorbeeld van het type 1P28. In dit geval is de fotokathode ondoorzichtig; de foto-elektronen worden op de bestraalde zijde van de fotokathode geactiveerd. Bij de head-on-uitvoering bestaat de fotokathode uit een dunne laag die op de binnenkant van het vlakke lichtinvalvenster is opgedampt. De kathode is in dit geval halfdoorzichtig, zodat de foto-elektronen naar achteren, in de richting van de dynodes, worden losgemaakt. Dit vermindert echter de kwantumopbrengst in vergelijking met de side-on-variant.
Links: aanzicht van de kathodekant. De draden vormen een roostervormige focuselektrode (grill), die op een potentiaal tussen de kathode en de eerste dynode staat, zodat de foto-elektronen naar de eerste dynode worden geleid.
Midden: aanzicht van de dynodekant.
Rechts: Opstelling van de kathode, dynodes en anode in de buis van de RCA 1P28, bron: RCA
De 1P28 is sinds 1950 verkrijgbaar; de ontwikkeling begon in het begin van de jaren 1940 en het was een verbeterde versie van de eerste op de markt verkrijgbare fotomultiplicator, de RCA 931 of 931A. Net als de ongeveer tegelijkertijd ontwikkelde fotodiode RCA 935 heeft hij een S5-kathode met een maximale gevoeligheid bij 340 nm. Het gegevensblad vindt u hier. Omdat de fotomultiplicator zich zeer goed heeft bewezen, is hij vandaag de dag nog steeds verkrijgbaar bij andere fabrikanten met verschillende kathodetypes.
