Fotomultiper tüp

Fotomultiper tüpler (kısaca fotomultiperler veya PMTs), vakum tüp ailesinin bir üyesidir ve vakum tüplerden özel olarak çok daha hassas bir ışığın ultraviyole, görülebilir ve yakın kızılötesi dalga boylarındaki elektromanyetik spektrumunu kapsayan sensöre sahiptir. Bu dedektörler gelen ışıktan kaynaklanan akımı 100 milyon kat kadar katlarlar (örneğin 160 dB). Dinot katlama sürecinde fotonların tek tek gözlemlenmesi mümkün olur ve ışığın akısı çok düşüktür. Çoğu vakum tüpünün aksine modası geçmiş değillerdir ve halen kullanılmaktadır.

Yüksek verim, düşük gürültü, yüksek frekans tepkisi ya da eşdeğer olarak ultra yüksek tepkisi ve geniş toplama alanı kombinasyonunun toplamı fotomultiperleri nükleer fizik, yüksek enerji fiziği, astronomi, kan testlerini de içeren tıbbi teşhisler, tıbbi görüntüleme sistemleri, hareketli fotoğraf tarama, radar yayını bozma ve yüksek bitli tarayıcılarda kullanılmaktadır. Fotomultiper teknolojisinin çalışma prensibi farklı bir şekilde entegre edildiğinde gece görüş cihazlarına benzer.

Yarıiletken cihazlar, özellikle avalanche fotodiyotları fotomultiperler için alternatif olarak düşünülebilmektedir ancak fotomultiperlerin sağlam ve karakteristik yapısı onları düşük gürültü uygulamaları, hizalama yapmak için yüksek hassasiyette çalışan ışık dedektörleri için özel kılar.

Fotomultiperler genel olarak fotokatot, birkaç tane dinot ve bir anot içeren tahliye cam gövdesiyle kurulur. Gelen fotonlar, genellikle ince bir buhar birikmiş olan cihazın giriş penceresindeki iletken katmana yani fotokatot malzemeye çarparlar. Elektronlar fotoelektrik etkinin bir sonucu olarak yüzeyden fırlatılırlar. Bu elektronlar ikincil emisyon işleminin parçası olarak elektron katlayıcıları boyunca elektrota odaklanarak yönelirler.

Fotoelektrik etkinin ilk ispatı 1887 yılında Heinrich Hertz'in ultraviyole ışığı kullanması sayesinde kendini gösterdi. Dikkate değer pratik uygulamaları ise iki yıl sonra Elster ve Geitel tarafında aynı etkinin gözlemlenebilir dalga boyunun alkali metallere (potasyum ve sodyum) çarpması sonucunda ortaya çıktı. Bir başka alkali metal olan sezyuma ek olarak görünür dalga boyundaki kırmızı kısmın daha uzun dalga boylarına doğru uzatılabilmesi için hassas dalga boyu aralığında çalışmaya olanak sağlamıştır.

Tarihsel olarak fotoelektrik etki 1905 yılında kuantum mekaniğinin temel prensiplerini kurmak için fotoelektrik etkiye güvenen Albert Einstein ile ilişkilendirilir. Büyük bir başarı olarak görülen bu çalışma 1921 yılında Einstein'a Nobel Ödülünü kazandırmıştır. Aynı zamanda Heinrich Hertz'ün 18 yıl daha önce emisyona uğrayan elektronların kinetik enerjisinin frekansları ile ilişkili ancak optik yoğunluktan bağımsız olduğunun farkına varamamış olması düşünmeye değer. Bu durum ışığın ilk defa ayrı bir doğasının bulunduğuna dikkat çekmiştir, örneğin kuantaların varlığı.

İkincil emisyon (vakum bir tüp ortamında bulunan elektronların elektrota çarparak yeni elektronların emisyonuna sebep olma kabiliyeti) ilk başta fotohassaslıktan yoksun cihazlar ve tamamen elektronik olaylar ile sınırlıydı.1902 yılında Austin ve Starke metal yüzeylerin elektron ışınlarını gelen elektronlardan daha yüksek sayıda yayarak etkilediğini rapor etti. Yeni bir keşif olan ikincil emisyonun sinyallerin amplifikasyonunda uygulanabileceği I. Dünya Savaşından sonra Westinghouse bilim insanı Joseph Slepian tarafından 1919 alınan bir patent ile önerildi.

Fotomultiper icat etmek için gereken malzemeler 1920'li yıllarda bir araya getirildi çünkü o dönemde vakum tüpü teknolojilerinin gelişimi ivmelenmişti. Herkes için değil ama çoğu çalışan için öncelikli amaç pratik bir televizyon kamerası teknolojisine duyulan ihtiyacı kapatmaktı. Televizyon 1934 yılındaki ilk pratik kameranın (ikonoskop) kendini göstermesinin ardından yıllarca ilkel bir prototip olarak kaldı. Televizyon kamerasının ilk prototipleri oldukça başarısız ve hassaslıktan yoksundu. Fotomultiper teknolojisi ikonoskop ve sonrasında pratik olmak için yeterince hassas olan ortikon gibi televizyon kamerası tüplerini icat etmemizi sağladı. Böylece bu süreç fotoemisyon (yani fotoelektrik etki) ile ikincil emisyonun birlikte oluşturduğu bir kombinasyon haline geldi. Her iki doğal olay da pratik bir fotomultiper üretebilmek için daha önceden üzerinde çalışılmıştı ve aynı zamanda yeterince anlaşılmıştı.

Herkes tarafından kabul edilen ilk fotomultiper New Jersey’de bulunan Harrison merkezli bir RCA grubu tarafından 1934 yılının başlarında icat edilmiştir. Harley Lams ve Bernard Salzberg fotoelektrik etki katodu ve yalnız ikincil emisyon amplifikasyon sürecini yalnız bir vakum içinde birleştirmeyi ve onun performansını bir elektron amplifikasyon kazancı ile bir fotomultiper olarak karakterize etmeyi başaran ilk kişilerdi. Bu başarılar Haziran 1934’ten önce detaylı bir şekilde Radyo Mühendisleri Enstitüsü Tutanaklarına (İngilizce: Proceedings of the Institute of Radio Engineers (Proc. IRE)) el yazısı ile yazılmıştı. Cihaz yarı silindirik bir fotokatot, eksenlere monte edilen ikincil bir yayıcı ve ikincil yayıcıyı saran toplayıcı bir ızgaradan oluşuyordu. Tüpün yaklaşık sekiz kazancı vardı ve 10 kHz üzeri frekanslarda oldukça iyi bir çalışma performansı sergiliyordu.