Fotomultiplikatora elektronlampa (PMT) — darbības princips un pielietojums

Uzzini fotomultiplikatora elektronlampas (PMT) darbības principu, jutīgumu un pielietojumu medicīnā, pētniecībā un analīzēs — ātra, precīza fotonu detekcija.

Fotomultiplikatora elektronlampa (PMT) ir vakuuma ierīce, kas pārveido fotonus par elektriskiem signāliem — brīvpārvietojamiem elektronos — un tādējādi ļauj mērīt pat ļoti vāju gaismas plūsmu, reizēm līdz vienam fotonam vienā notikumā.

Konstrukcija un darbības princips

PMT parasti sastāv no vakuuma trauka ar fotokatodu optiskā galā, virkni starpelektrodu — dinožu (dynodes) — un anodas, kas savāc strāvu. Ienākošais fotons trāpa fotokatodā, kur tā enerģija var izraisīt elektronizlādi (fotoelektriskais efekts) un atbrīvot vienu vai vairākus elektronus. Šie elektroni tiek paātrināti starp dinozēm ar spiedienu augstu spriegumu (parasti katrā posmā tikai daži desmiti līdz pāris simti voltu), un katrā triecienā no dinozes virsmas tiek izstaroti vēl vairāk elektronu. Rezultātā signāls tiek ģenerēts ar eksponenciālu pastiprinājumu — tipiskie kopējie pastiprinājumi ir no 10⁶ līdz 10⁷, atkarībā no dinožu skaita un sprieguma sadalījuma. Dinožu skaits parasti svārstās no 6 līdz 14.

Galvenie tehniskie rādītāji

• Kopējais pastiprinājums (gain): atkarīgs no vienas dinozes emisijas faktora δ un dinožu skaita n; G ≈ δⁿ.
• Kvantu efektivitāte (QE): procentuālais attiecība starp izstarotajiem fotoniem un atbrīvotajiem elektroniem fotokatodā. Atkarībā no fotokatoda materiāla (piem., bialkalī vai multialkalī) QE maksimums var būt ~15–30% redzamajā diapazonā.
• Spektra jutība: PMT var būt jutīgi no UV (zem 200 nm) līdz tuvu infrasarkanajam (ap 800–900 nm), atkarībā no fotokatoda konstrukcijas un stikla veida.
• Laika reakcija: ļoti ātra — gandrīz momentāla impulsu ģenerēšana, ar impulsu platumu no dažiem desmitiem pikosekundēm līdz vairākiem nanosekundēm, un transit time spread (TTS) tipiski no <100 ps līdz dažiem ns.
• Trokšņi: termiskais troksnis (junckijas/thermionic emission), tumšais skaitījums (dark counts), pēcimpulsi (afterpulsing) no jonizācijas iekšpusē.
• Barošanas spriegums: kopējais augstspriegums parasti 500–2000 V, sadalīts starp dinozēm.

Jutība, trokšņi un uzlabojumi

PMT ir ļoti jutīgi instrumenti, taču to darbību ierobežo fona troksnis un nelinearitātes. Galvenie trokšņa avoti ir termiskā emisija fotokatodā un jonizācija vakuumā. Lai samazinātu tumsas skaitījumu, PMT var dzesēt, piemēram, ar termoelektriskiem atdzesētājiem; temperatūras pazemināšana parasti samazina termisko emisiju eksponenciāli.

Vēl viens traucējošs faktors ir magnētiskie lauki — pat Zemes lauks var ievērojami ietekmēt trajektoriju lēnajiem elektroniem un samazināt jutību vai izmainīt impulsu formu. Tāpēc precīziem mērījumiem PMT bieži tiek izbūvēti magnētiskās aizsardzības apvalki (piemēram, mu-metāla).

Praktiski darbības aspekti un drošība

• PMT nedrīkst pakļaut spēcīgai apgaismošanai (piem., tiešai saulei vai spēcīgām lampām) — intensīvs gaismas plūsma var pārslogot dinozes vai sabojāt fotokatodu.
• Strāvas un sprieguma apstākļi: jāizmanto pareizi uzstādīts augstsprieguma avots ar aizsardzību pret īssavienojumiem un pārspriegumu.
• Mehāniska trieciena un vakuuma noplūdes risks: PMT ir trauslas stikla kapsulas — jāizvairās no spēcīgiem triecieniem un jārūpējas par pareizu gala savienojumu izolāciju.

Lietojumi

Fotomultiplikatoru lampas tiek plaši izmantotas daudzās jomās, kur nepieciešama liela jutība un ātra laika reakcija. Tipiskie pielietojumi:

• dažādu scintilācijas detektoru darbība kodolfizikā un daļiņu fizikā;
• Cherenkov radīto staru mērījumi astronomijā un eksperimentālajā fizikā;
• fluorescences un luminescences spektroskopija laboratorijās;
• medicīniskās attēlveidošanas metodes, piemēram, PET skeneros, kā arī scintilācijas kameras;
• ķīmiskās un bioķīmiskās analīzes, ieskaitot ELISA un vienfotonu skaitīšanu;
• optiskie tālākās distances mērījumi (LIDAR), astronomiskā fotometrija un nakts redzamības ierīces;
• eksperimentālā neirozinātnē, lai mērītu apgaismojuma izmaiņas un fotonu plūsmas ar augstu laika izšķirtspēju.

Alternatīvas un ierobežojumi

PMT priekšrocības — ļoti liels pastiprinājums, zems tumsas līmenis un laba laika izšķirtspēja — padara tās piemērotas daudzām lietām, taču ir arī alternatīvas:

• Avalanche photodiodes (APD): mazāk jutīgi pret magnētiskiem laukiem, kompakti, bet plašākas tumsas strāvas un mazāks pastiprinājums nekā PMT.
• Silīcija fotomultiplikatori (SiPM) jeb mikrošūnu fotodiodes: ļoti kompakti, darbojami pie zemāka sprieguma, augsta kvantu efektivitāte un izturība pret mehāniskiem triecieniem; tomēr var būt lielāks fona troksnis un ierobežota laukuma izmērs.

Secinājums

Fotomultiplikatora elektronlampa ir ļoti jutīgs un ātrs fotonu detektors ar plašu pielietojumu spektru — no pamatpētījumiem daļiņu fizikā līdz biomedicīniskiem un rūpnieciskiem mērījumiem. Pareiza izvēle, augstsprieguma vadība, pasākumi trokšņu samazināšanai (piem., dzesēšana) un aizsardzība pret gaismas pārmērību un magnētiskajiem laukiem nodrošina PMT optimālu darbību un ilgu ekspluatācijas laiku.

Jautājumi un atbildes

J: Kas ir fotomultiplikatora elektronlampa?

J: Kāda ir fotopavairotāju lampu jutība?

J: Kā fotopavairotājs pārveido fotonus elektronos?

J: Kas notiek, kad elektroni nokļūst uz fotopavairotāja elektrodiem?

J: Kā radītos elektronus savāc fotopavairotājā?

J: Kā var uzlabot fotopavairotāju jutību?

J: Kādi ir daži izplatītākie fotopavairotāju lietojumi?

Meklēt pēc burta