Un tube photomultiplicateur utilise deux principes scientifiques pour amplifier l’effet d’un seul photon incident. Ils sont fabriqués dans de nombreuses configurations différentes de matériaux sensibles à la lumière et d’angles de lumière incidente pour obtenir un gain élevé et une réponse à faible bruit dans leur plage de fonctionnement des fréquences ultraviolettes, visibles et proches infrarouges. Développés à l’origine comme une caméra de télévision plus réactive, les tubes photomultiplicateurs se retrouvent désormais dans de nombreuses applications.
Avec l’invention des semi-conducteurs, les tubes à vide ont été largement éliminés de l’industrie électronique, à l’exception du tube photomultiplicateur. Dans ce dispositif, un seul photon traverse une fenêtre ou une plaque frontale et impacte une photocathode, une électrode constituée d’un matériau photoélectrique. Ce matériau absorbe l’énergie du photon lumineux à des fréquences spécifiques et émet des électrons dans un résultat appelé effet photoélectrique.
Les effets de ces électrons émis sont amplifiés par l’utilisation du principe d’émission secondaire. Les électrons émis par la photocathode sont focalisés sur la première d’une série de plaques multiplicatrices d’électrons appelées dynodes. A chaque dynode, les électrons entrants provoquent l’émission d’électrons supplémentaires. Un effet de cascade se produit et le photon incident a été amplifié ou détecté. Par conséquent, la base du nom « photomultiplicateur », le très petit signal d’un seul photon est renforcé au point où il est facilement détectable par le flux de courant du tube photomultiplicateur.
Les réponses spectrales du tube photomultiplicateur sont principalement dues à deux éléments de conception. Le type de fenêtre détermine quels photons peuvent passer dans l’appareil. Le matériau de la photocathode détermine la réponse au photon. D’autres variantes de la conception incluent des fenêtres montées à l’extrémité du tube ou des fenêtres latérales où le flux de photons rebondit sur la photocathode. Comme le gain ou l’amplification est limité par le processus d’émission secondaire et n’augmente pas avec l’augmentation de la tension d’accélération, des photomultiplicateurs à plusieurs étages ont été développés.
La réponse de la photocathode dépend de la fréquence des photons incidents et non du nombre de photons reçus. Si le nombre de photons augmente, le courant électrique généré augmente, mais la fréquence des électrons émis est constante pour toute combinaison fenêtre-photocathode, un résultat qu’Albert Einstein a utilisé comme preuve de la nature particulaire de la lumière.
Le gain d’un tube photomultiplicateur va jusqu’à 100 millions de fois. Cette propriété, associée au faible bruit ou au signal injustifié, rend ces tubes à vide indispensables pour détecter de très petits nombres de photons. Cette capacité de détection est utile dans l’astronomie, la vision nocturne, l’imagerie médicale et d’autres utilisations. Des versions à semi-conducteurs sont utilisées, mais le photomultiplicateur à tube à vide est mieux adapté à la détection de photons lumineux qui ne sont pas collimatés, ce qui signifie que les rayons lumineux ne voyagent pas parallèlement les uns aux autres.
Les photomultiplicateurs ont d’abord été développés en tant que caméras de télévision, ce qui a permis à la diffusion télévisée d’aller au-delà des prises de vue en studio avec des lumières vives pour des décors plus naturels ou des reportages sur site. Bien qu’ils aient été remplacés par des dispositifs à couplage de charge (CCD) dans cette application, les tubes photomultiplicateurs sont encore largement spécifiés. Une grande partie du travail de développement sur le tube photomultiplicateur a été réalisée par RCA dans des installations aux États-Unis et dans l’ex-Union soviétique dans la seconde moitié du 20e siècle. Dans les premières décennies du 21e siècle, la plupart des tubes photomultiplicateurs du monde sont fabriqués par une entreprise japonaise, Hamamatsu Photonics.