Eine Photomultiplier-Röhre verwendet zwei wissenschaftliche Prinzipien, um die Wirkung eines einzelnen einfallenden Photons zu verstärken. Sie werden in vielen verschiedenen Konfigurationen aus lichtempfindlichen Materialien und Einfallswinkeln hergestellt, um eine hohe Verstärkung und ein geringes Rauschverhalten in ihrem Arbeitsbereich von ultravioletten, sichtbaren und nahen Infrarotfrequenzen zu erreichen. Ursprünglich als reaktionsschnellere Fernsehkamera entwickelt, finden sich heute Photomultiplier-Röhren in vielen Anwendungen.
Mit der Erfindung der Halbleiter wurden Vakuumröhren mit Ausnahme der Photomultiplier-Röhre aus der Elektronikindustrie weitgehend eliminiert. Bei dieser Vorrichtung passiert ein einzelnes Photon ein Fenster oder eine Frontplatte und trifft auf eine Photokathode, eine Elektrode aus einem photoelektrischen Material, auf. Dieses Material absorbiert die Energie des Lichtphotons bei bestimmten Frequenzen und emittiert Elektronen, was als photoelektrischer Effekt bezeichnet wird.
Die Wirkung dieser emittierten Elektronen wird durch das Prinzip der Sekundäremission verstärkt. Die von der Photokathode emittierten Elektronen werden auf die erste einer Reihe von Elektronenvervielfacherplatten, den sogenannten Dynoden, fokussiert. An jeder Dynode verursachen die einfallenden Elektronen die Emission zusätzlicher Elektronen. Es tritt ein Kaskadeneffekt auf und das einfallende Photon wurde verstärkt oder detektiert. Daher, die Grundlage für den Namen „Photomultiplier“, wird das sehr kleine Signal eines einzelnen Photons so verstärkt, dass es durch den Stromfluss aus der Photomultiplier-Röhre leicht erkennbar ist.
Die spektralen Reaktionen der Photomultiplier-Röhre sind hauptsächlich auf zwei Konstruktionselemente zurückzuführen. Die Art des Fensters bestimmt, welche Photonen in das Gerät gelangen können. Das Photokathodenmaterial bestimmt die Reaktion auf das Photon. Andere Variationen des Designs umfassen am Rohrende montierte Fenster oder Seitenfenster, bei denen der Photonenstrom von der Photokathode reflektiert wird. Da die Verstärkung bzw. Verstärkung durch den Sekundäremissionsprozess begrenzt ist und mit erhöhter Beschleunigungsspannung nicht ansteigt, wurden mehrstufige Photomultiplier entwickelt.
Die Antwort der Photokathode hängt von der einfallenden Photonenfrequenz ab, nicht von der Anzahl der empfangenen Photonen. Wenn die Zahl der Photonen zunimmt, nimmt der erzeugte elektrische Strom zu, aber die Frequenz der emittierten Elektronen ist für jede Fenster-Photokathoden-Kombination konstant, ein Ergebnis, das Albert Einstein als Beweis für die Teilchennatur des Lichts verwendet hat.
Die Verstärkung einer Photomultiplier-Röhre reicht bis zu 100 Millionen Mal. Diese Eigenschaft, zusammen mit dem geringen Rauschen oder ungerechtfertigten Signal, macht diese Vakuumröhren unentbehrlich für die Detektion sehr kleiner Photonenzahlen. Diese Erkennungsfähigkeit ist in der Astronomie, Nachtsicht, medizinischen Bildgebung und anderen Anwendungen nützlich. Halbleiterversionen werden verwendet, aber der Vakuumröhren-Photomultiplier ist besser geeignet für die Detektion von Lichtphotonen, die nicht kollimiert sind, dh die Lichtstrahlen gehen nicht parallel zueinander.
Photomultiplier wurden zuerst als Fernsehkameras entwickelt, die es der Fernsehübertragung ermöglichten, über Studioaufnahmen mit hellem Licht hinaus auf natürlichere Umgebungen oder Berichterstattung vor Ort zu gelangen. Während sie in dieser Anwendung durch ladungsgekoppelte Bauelemente (CCDs) ersetzt wurden, sind Photovervielfacherröhren immer noch weit verbreitet. Ein Großteil der Entwicklungsarbeit an der Photomultiplier-Röhre wurde in der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts von RCA in Einrichtungen in den Vereinigten Staaten und der ehemaligen Sowjetunion durchgeführt. In den ersten Jahrzehnten des 21. Jahrhunderts werden die meisten Photomultiplier-Röhren der Welt von der japanischen Firma Hamamatsu Photonics hergestellt.