Was ist Photomultiplier Tube – PMT – Definition?

Photomultiplier Tubes (PMTs) sind Photonendetektionsgeräte, die den photoelektrischen Effekt in Kombination mit Sekundäremission nutzen, um Licht in ein elektrisches Signal umzuwandeln. Ein Photovervielfacher absorbiert das vom Szintillator emittierte Licht und gibt es über den photoelektrischen Effekt in Form von Elektronen wieder ab . Das PMT ist seit jeher die erste Wahl für die Photonendetektion, da es eine hohe Quantenausbeute und eine hohe Verstärkung aufweist.

Die Photovervielfacherröhre ist ein Schlüsselelement eines Szintillationsdetektors. Im Allgemeinen besteht ein Szintillationsdetektor aus:

• Szintillator . Ein Szintillator erzeugt Photonen als Reaktion auf einfallende Strahlung.
• Fotodetektor . Ein empfindlicher Fotodetektor (normalerweise eine Fotovervielfacherröhre (PMT), eine Kamera mit ladungsgekoppelten Bauelementen (CCD) oder eine Fotodiode), der das Licht in ein elektrisches Signal umwandelt, und eine Elektronik, um dieses Signal zu verarbeiten.

Komponenten der Fotovervielfacherröhre

Das Gerät besteht aus mehreren Komponenten, die in der Abbildung dargestellt sind.

• Fotokathode . Gleich nach einem dünnen Eintrittsfenster befindet sich eine Fotokathode, die aus einem Material besteht, in dem die Valenzelektronen schwach gebunden sind und einen hohen Querschnitt aufweisen, um Photonen über den fotoelektrischen Effekt in Elektronen umzuwandeln. Beispielsweise kann Cs ₃ Sb (Cäsium-Antimon) verwendet werden. Infolgedessen trifft das im Szintillator erzeugte Licht auf die Photokathode einer Photovervielfacherröhre und setzt höchstens ein Photoelektron pro Photon frei.
• Dynoden . Mit einem Spannungspotential wird diese Gruppe von Primärelektronen elektrostatisch beschleunigt und fokussiert, so dass sie mit genug Energie auf die erste Dynode auftreffen, um zusätzliche Elektronen freizusetzen. Es gibt eine Reihe („Stufen“) von Dynoden aus Material mit relativ geringer Austrittsarbeit. Diese Elektroden werden mit immer größerem Potential betrieben (zB ~ 100-200 V zwischen Dynoden). An der Dynode werden die Elektronen mit der Sekundäremission multipliziert. Die nächste Dynode hat eine höhere Spannung, wodurch die Elektronen, die von der ersten abgegeben werden, auf sie zu beschleunigen beginnen. Bei jeder Dynode werden 3-4 Elektronen für jedes einfallende Elektron freigesetzt, und bei 6 bis 14 Dynoden liegt die Gesamtverstärkung oder der Elektronenverstärkungsfaktor im Bereich von ~ 10 ⁴ -10^7, wenn sie die Anode erreichen. Typische Betriebsspannungen liegen im Bereich von 500 bis 3000 V. In der Enddynode stehen genügend Elektronen zur Verfügung, um einen Impuls von ausreichender Größe für die weitere Verstärkung zu erzeugen. Dieser Impuls gibt Auskunft über die Energie der ursprünglich einfallenden Strahlung. Die Anzahl solcher Impulse pro Zeiteinheit gibt auch Auskunft über die Intensität der Strahlung.

Photovervielfacherröhre – Funktionsprinzip

Der Betrieb von Szintillationszählern und Photovervielfacherröhren ist in folgenden Punkten zusammengefasst:

• 

  Ionisierende Strahlung tritt in den Szintillator ein und interagiert mit dem Szintillatormaterial. Dies führt dazu, dass Elektronen in einen angeregten Zustand gebracht werden .

  • Für geladene Teilchen ist die Spur der Weg des Teilchens selbst.
  • Bei Gammastrahlen (ungeladen) wird ihre Energie entweder über den photoelektrischen Effekt , die Compton-Streuung oder die Paarbildung in ein energetisches Elektron umgewandelt .
• Die angeregten Atome des Szintillatormaterials regen an und emittieren schnell ein Photon im sichtbaren (oder nahezu sichtbaren) Lichtbereich. Die Menge ist proportional zur vom ionisierenden Teilchen abgelagerten Energie. Das Material soll fluoreszieren.
• Es werden drei Klassen von Leuchtstoffen verwendet:
  • anorganische Kristalle,
  • organische Kristalle,
  • Kunststoffleuchtstoffe.
• Das im Szintillator erzeugte Licht trifft auf die Fotokathode einer Photovervielfacherröhre und setzt höchstens ein Photoelektron pro Photon frei.
• Unter Verwendung eines Spannungspotentials wird diese Gruppe von Primärelektronen elektrostatisch beschleunigt und fokussiert, so dass sie mit genügend Energie auf die erste Dynode treffen , um zusätzliche Elektronen freizusetzen .
• Diese Sekundärelektronen werden angezogen und treffen auf eine zweite Dynode, wobei mehr Elektronen freigesetzt werden. Dieser Vorgang findet in der Photovervielfacherröhre statt.
• Jeder nachfolgende Dynodenaufprall setzt weitere Elektronen frei, so dass in jeder Dynodenstufe ein Stromverstärkungseffekt auftritt. Jede Stufe hat ein höheres Potential als die vorherige, um das Beschleunigungsfeld bereitzustellen.
• Das Primärsignal wird multipliziert und diese Verstärkung wird über 10 bis 12 Stufen fortgesetzt.
• An der endgültigen Dynode stehen ausreichend Elektronen zur Verfügung, um einen Impuls von ausreichender Größe für die weitere Verstärkung zu erzeugen . Dieser Impuls enthält Informationen über die Energie der ursprünglich einfallenden Strahlung. Die Anzahl solcher Impulse pro Zeiteinheit gibt auch Auskunft über die Intensität der Strahlung.

Quanteneffizienz

Die Empfindlichkeit einer Fotokathode wird üblicherweise als Quanteneffizienz angegeben . Im Allgemeinen kann der Begriff Quanteneffizienz (QE) für das Verhältnis von einfallendem Photon zu umgewandeltem Elektron ( IPCE ) einer lichtempfindlichen Vorrichtung gelten. Die Quanteneffizienz der Fotokathode ist definiert als die Wahrscheinlichkeit für die Umwandlung einfallender Photonen in ein elektrisches Signal und definiert als:

Die Quanteneffizienz einer lichtempfindlichen Vorrichtung ist eine starke Funktion der Wellenlänge des einfallenden Lichts, und es wird versucht, die spektrale Antwort der Fotokathode an das Emissionsspektrum des verwendeten Szintillators anzupassen. In der Photovervielfacherröhre ist die Quanteneffizienz auf 20 bis 30% begrenzt , aber eine durchschnittliche Quanteneffizienz über das Emissionsspektrum eines typischen Szintillators beträgt etwa 15 bis 20% .

Der Standard für die Angabe ist die Anzahl der Photoelektronen pro keV Energieverlust durch schnelle Elektronen in einem NaI (Tl) -Szintillator . Für die maximale Quanteneffizienz werden pro keV-Energieverlust etwa 8 bis 10 Photoelektronen erzeugt. Daher beträgt der durchschnittliche Energieverlust, der zur Erzeugung eines einzelnen Photoelektron erforderlich ist, ~ 100 eV, was viel größer ist als die Werte in gasgefüllten Detektoren oder Halbleiterdetektoren.

Das PMT ist seitdem die Hauptwahl für die Photonendetektion, da es eine hohe Quanteneffizienz und eine hohe Verstärkung aufweist. In letzter Zeit haben jedoch Halbleiter begonnen, mit der PMT zu konkurrieren, beispielsweise der Fotodiode, die im sichtbaren Bereich und darüber eine höhere Quanteneffizienz, einen geringeren Stromverbrauch und eine geringere Größe aufweist. Der Quantenwirkungsgrad für die Fotodiode ist hoch (60-80%) im Vergleich zum PMT (20-30%), was eine höhere Energieauflösung ergibt.