Cos’è un tubo fotomoltiplicatore?

Un tubo fotomoltiplicatore utilizza due principi scientifici per amplificare l’effetto di un singolo fotone incidente. Sono realizzati in diverse configurazioni di materiali sensibili alla luce e angoli di luce incidente per ottenere un guadagno elevato e una risposta a basso rumore nel loro campo di lavoro delle frequenze ultraviolette, visibili e vicine all’infrarosso. Originariamente sviluppati come una telecamera più reattiva, i tubi fotomoltiplicatori ora si trovano in molte applicazioni.

Con l’invenzione dei semiconduttori, i tubi a vuoto sono stati in gran parte eliminati dall’industria elettronica, ad eccezione del tubo fotomoltiplicatore. In questo dispositivo, un singolo fotone passa attraverso una finestra o una piastra frontale e colpisce un fotocatodo, un elettrodo costituito da un materiale fotoelettrico. Questo materiale assorbe l’energia del fotone luminoso a frequenze specifiche ed emette elettroni in un risultato chiamato effetto fotoelettrico.

Gli effetti di questi elettroni emessi sono amplificati dall’uso del principio dell’emissione secondaria. Gli elettroni emessi dal fotocatodo sono focalizzati sul primo di una serie di piastre moltiplicatrici di elettroni chiamate dinodi. Ad ogni dinodo, gli elettroni in ingresso provocano l’emissione di altri elettroni. Si verifica un effetto a cascata e il fotone incidente è stato amplificato o rilevato. Quindi, la base per il nome “fotomoltiplicatore”, il segnale molto piccolo di un singolo fotone è rafforzato al punto in cui è facilmente rilevabile dal flusso di corrente dal tubo fotomoltiplicatore.

Le risposte spettrali del tubo fotomoltiplicatore sono dovute principalmente a due elementi di progettazione. Il tipo di finestra determina quali fotoni possono passare nel dispositivo. Il materiale del fotocatodo determina la risposta al fotone. Altre variazioni sul design includono finestre montate all’estremità del tubo o finestre laterali in cui il flusso di fotoni viene fatto rimbalzare sul fotocatodo. Poiché il guadagno o l’amplificazione è limitato dal processo di emissione secondaria e non aumenta con l’aumento della tensione di accelerazione, sono stati sviluppati fotomoltiplicatori a più stadi.

La risposta del fotocatodo dipende dalla frequenza del fotone incidente, non dal numero di fotoni ricevuti. Se il numero di fotoni aumenta, la corrente elettrica generata aumenta, ma la frequenza degli elettroni emessi è costante per qualsiasi combinazione finestra-fotocatodo, un risultato che Albert Einstein usò come prova della natura particellare della luce.

Il guadagno di un tubo fotomoltiplicatore varia fino a 100 milioni di volte. Questa proprietà, insieme al segnale a basso rumore o ingiustificato, rende questi tubi a vuoto indispensabili per rilevare numeri molto piccoli di fotoni. Questa capacità di rilevamento è utile in astronomia, visione notturna, imaging medico e altri usi. Sono in uso versioni a semiconduttore, ma il fotomoltiplicatore a tubo sottovuoto è più adatto per il rilevamento di fotoni di luce che non sono collimati, il che significa che i raggi di luce non viaggiano paralleli tra loro.

I fotomoltiplicatori sono stati inizialmente sviluppati come telecamere televisive, che hanno permesso alle trasmissioni televisive di andare oltre le riprese in studio con luci brillanti, verso ambienti più naturali o servizi in loco. Sebbene siano stati sostituiti con dispositivi ad accoppiamento di carica (CCD) in tale applicazione, i tubi fotomoltiplicatori sono ancora ampiamente specificati. Gran parte del lavoro di sviluppo del tubo fotomoltiplicatore è stato eseguito dalla RCA in strutture negli Stati Uniti e nell’ex Unione Sovietica nella seconda metà del XX secolo. Nei primi decenni del 20° secolo, la maggior parte dei tubi fotomoltiplicatori del mondo sono prodotti da un’azienda giapponese, Hamamatsu Photonics.