لامپ افزآینده فوتون؛ از نجوم تا پزشکی

همه‌ چیز درباره PMT
روش شمارش فوتون از اصلی که بر آن استوار است، سرچشمه می‌گیرد: تشعشع الکترومغناطیسی کوانتیزه می‌شود و بنابراین شمارش این کوانتاها (فوتون‌ها) بهترین و سریع‌ترین روش اندازه‌گیری شدت تشعشع را فراهم می‌کند. PMTها به‌علت بهره زیاد و نویز اندک، دتکتورهائی هستند که به‌طور ایده‌آل، یک پالس تک به ازاء هر فوتون آشکار شده تولید می‌کنند. آشکارسازی برحسب اندازه پالس، حساسیت شمارش فوتون را نسبت به نویز غیرترمویونیک، به حداقل می‌رساند. به‌علاوه، خروجی به‌صورت دیجیتال در دسترس است که به راحتی توسط یک کامپیوتر پردازش می‌شود. در گذشته راه‌اندازی یک سیستم شمارش فوتون، عمل پیچیده‌ای محسوب می‌گشت، چون نیاز به تقسیم‌کننده‌های ولتاژ، منابع تغذیه ولتاژ بالا، پوشش PMT، تقویت کننده کم نویز و آشکارساز سریع بود. امروزه یک بسته کامل شمارش فوتون با تنظیمات کارخانه و نرم‌افزار سفارشی به راحتی قابل خریداری و استفاده است. هر چند، هنوز مهم است که اجزاء اساسی یک سیستم شمارش فوتون و بهینه‌سازی آنها به خوبی شناخته شوند. این موارد خصوصاً برای کسانی که می‌خواهند سیستم خودشان را ببندند، مفید خواهد بود.
لامپ افزآینده الکترون
مهمترین و حساس‌ترین قسمت یک سیستم شمارش فوتون، لامپ افزآینده است. یک PMT معمولی شامل کاتد تشعشع کننده فوتون (فوتو کاتد)، به همراه الکترودهای فوکوس کننده، افزایش دهنده الکترون و جمع‌آوری کننده الکترون (آند) در داخل تیوب خلاء است. وقتی نور وارد فوتو کاتد می‌شود، فوتو کاتد، فوتو الکترون را در خلاء منتشر می‌کند. سپس این فوتو الکترون‌ها به‌علت ولتاژ زیاد الکترودهای کانونی‌ساز به سمت افزایش دهنده الکترون هدایت می‌شوند. در آنجا الکترون‌ها توسط یک تشعشع ثانویه بر تعدادشان افزوده می‌شود. الکترون‌های تجمع‌ شده سپس توسط آند جمع‌آوری شده و سیگنال خروجی را به‌وجود می‌آورند. PMTها به‌علت افزایش الکترون ناشی از تشعشع ثانویه، حساسیت بالا و نویز فوق‌العاده کمی، در مقایسه با دیگر دستگاه‌های حساس به نور که هم‌اکنون برای تشخیص انرژی تشعشعی در ماوراءبنفش و نواحی نزدیک مادون قرمز به‌کار می‌روند، خواهند داشت. PMTها، همچنین دارای پاسخ زمانی سریع بوده و می‌تواند در نواحی حساس به نور به خوبی عمل کند.
ساختار
PMT، عموماً دارای یک فوتو کاتد در یک طرف یا در بالا است. لامپی که فوتو کاتد آن در کنار نصب شده است، نور تابشی را از کنار حباب شیشه‌ای دریافت می‌کند، در حالی که نوعی از لامپ که فوتو کاتد در بالای آن نصب شده است، نور را از انتهای حباب جذب می‌نماید.
ازدیاد کننده الکترون
حساسیت برتر (تقویت زیاد جریان و نسبت سیگنال به نویز عالی) PMTها به‌علت استفاده از ازدیاد کننده الکترون با نویز کم است که الکترون‌ها را در یک فرآیند تشعشعات ثانویه پشت سر هم تقویت می‌کند. ازدیاد کننده الکترون شامل ۸ تا ۱۹ مرحله الکترود است که داینود نام دارند. ساختارهای افزآینده الکترون انواع مختلفی دارد که هر یک دارای مشخصات کاری منحصر به فرد خود هستند: نوع قفس دایروی، نوع جعبه و شبکه، نوع فوکوس خطی، نوع کرکره‌ای، نوع شبکه‌ای، صفحه ریز کانال (MCP) و نوع کانال فلزی.
پاسخ طیفی
فوتو کاتد یک PMT، انرژی نور دریافتی را به الکترون تبدیل می‌کند. راندمان تبدیل (حساسیت فوتو کاتد) با طول موج نور تابشی تغییر می‌کند. این ارتباط میان حساسیت فوتو کاتد و طول موج، مشخصه پاسخ طیفی نام دارد. پاسخ طیفی نوعی یک PMT را نشان می‌دهد. در طول موج‌های بلند، پاسخ طیفی توسط ماده فوتو کاتد و در طول موج‌های کوتاه توسط ماده تشکیل دهنده پنجره تعیین می‌شود.
مواد سازنده فوتو کاتد
فوتو کاتد یک سطح منتشر کننده نور است که معمولاً از فلزات آلکالی با تابع کاری کوچک تشکیل شده است. مواد فوتو کاتدی که عموماً در PMTها استفاده می‌شود، از این قرار است:
Sb-Cs,Ag-O-Cs,GaAs,InGaAS
دو آلکالی (Sb-Rb-Cs) و (Sb-K-Cs)
دو آلکالی داغ یا و آلکالی کم نویز (Na-K-Sb)، چند آلکالی (Na-K-Sb-Cs,Cs-Te-Cs-I).
موارد تشکیل دهنده پنجره
جنس ماده پنجره باید به دقت مطابق کاربرد انتخاب شود، چون جنس پنجره، طول موج قطع کوتاه پاسخ طیفی را تعیین می‌کند. ۴ نوع پنجره متعارف شامل شیشه بوروسیلیکات، شیشه عبور دهنده ماوراءبنفش، سیلیکای مصنوعی و MgF² (فلورید منیزیم) است. پاسخ طیفی موارد مختلف سازنده پنجره را نشان می‌دهد.تعاریف و اصطلاحات مرتبط با لامپ PMT
حساسیت تشعشعی: پاسخ طیفی به‌صورت حساسیت تشعشعی یا بازده کوانتمی، به‌عنوان تابعی از طول موجب بیان می‌شود. حساسیت تشعشعی، حاصل تقسیم جریان فوتوالکترویک به‌دست آمده از فوتو کاتد بر توان تشعشعی تابشی در طول موج داده شده است که برحسب آمپر بر وات بیان می‌گردد.
حساسیت لومینوس: چون اندازه‌گیری مشخصه پاسخ طیفی MPTها نیازمند یک سیستم پیچیده و صرف زمان زیاد است، صرفاً نمودارهای حساسیت لومینوس کاتد یا آند فراهم می‌شوند. حساسیت روشنائی کاتد، جریان فوتو الکتریک، ناشی از فوتو کاتد در شار نور تابشی از فیلمان تنگستن است که در یک دمای توزیعی ۲۸۵۶ درجه کلوین کار می‌کند. حساسیت روشنائی آند نیز جریان خروجی آند (که توسط تشعشع ثانویه تقویت شده است) در شار تابشی روی فوتو کاتد است. شاخص حساسیت آبی و نسبت قرمز به سفید: ضریب حساسیت آبی کاتد و نسبت قرمز به سفید، اغلب به‌عنوان یک معیار ساده مقایسه پاسخ طبیعی PMTها به‌کار می‌رود. ضریب حساسیت آبی کاتد، جریان فوتو الکتریک فوتو کاتد است که توسط شار نور حاصل از لامپ تنگستن ۲۸۵۶ درجه کلوین که از فیلتر آبی عبور کرده، اندازه‌گیری شده است. نسبت قرمز به سفید برای PMTهای با پاسخ طیفی تا نزدیک مادون قرمز تعریف می‌شود. حساسیت کاتد که با شار نور یک لامپ تنگستن ۲۸۵۶ درجه کلوین عبوری از یک فیلتر قرمز به‌دست آمده تقسیم بر حساسیت نوری کاتد که بدون فیلتر به‌دست آمده است، نسبت قرمز به سفید را نشان می‌دهد. بهره (ضریب تقویت جریان): فوتو الکترون‌های ساطع شده از فوتو کاتد توسط یک میدان الکتریکی شتاب داده می‌شوند تا با اولین داینود برخورد کنند و موجب ساطع شدن ثانویه الکترون‌ها شود. سپس این الکترون‌های ثانویه به داینود بعدی برخورد می‌کند تا موجب تشعشع ثانویه و مجدد الکترون‌ها شود. تکرار این فرآیند روی طبقات پشت سر هم داینودها، موجب تقویت جریان می‌گردد. بنابراین یک جریان بسیار اندک فتوالکتریک از فوتو کاتد، در آند تبدیل به جریان خروجی بزرگی می‌شود. بهره، نسبت جریان خروجی آند به جریان فوتو الکتریک کاتد است. در حالت ایده‌آل، در یک PMT که دارای n طبقه داینود با نسبت متوسط تشعشع ثانویه &#۹۴۸; در طبقه است، بهره (&#۹۴۸;(n است. در فرمول، A یک ثابت است، E ولتاژ میان دو طبقه و &#۹۴۸; ضریبی است که توسط جنس ماده داینود و ساختار هندسی تعیین می‌شود. مقدار معمولاً بین ۷/۰ تا ۸/۰ است. وقتی ولتاژ V میان آند و کاتد یک PMT که دارای n طبقه است، اعمال می‌شود، بهره به‌صورت زیر به‌دست می‌آید که در آن K یک عدد ثابت است. چون PMTها عموماً دارای ۹ تا ۱۲ طبقه داینود هستند، خروجی آند معمولاً با توان ۶ تا ۱۰ نستب به ولتاژ ورودی تغییر می‌کند و PMT به شدت نسبت به ولتاژ اعمالی حساس است، پس منبع تغذبه باید بسیار باثبات بوده و ریپل، دریفت و ضریب دمائی آن حداقل باشد. جریان کور آند: وقتی تیوپ در یک محیط کاملاً تاریک کار می‌کند، جریان بسیار اندکی در آن جاری می‌گردد که به آن، جریان کور (تاریک) آند گویند و نویز حاصل از آن، یک فاکتور بحرانی در تعیین حد پائین تشخیص نور است. جریان تاریک آند، به شدت به ولتاژ تغذیه وابسته است. از منابع اصلی جریان کور (تاریک) می‌توان به این موارد اشاره کرد: تشعشع ترمویونیک الکترون‌ها، یونیزاسیون گازهای باقی مانده (فیدبک یون)، درخشش شیشه لامپ، جریان نشتی (نشت اهمی) و تشعشع میدان‌های الکترومغناطیسی. ENI (نویز ورودی معادل ENI): بیانگر نسبت سیگنال به نویز محدود فوتون و نیز نشان دهنده میزان نور و برحسب وات لازم برای تولید یک برابر واحد در خروجی PMT است. مقدار ENI معمولاً میان (-۱۶)۱۰ تا (-۱۵)۱۰ وات (در طول موج حداکثر حساسیت) است. یکنواختی فضائی: هر چند الکترودهای کانونی کننده در یک PMT طوری طراحی شده‌اند که الکترون‌های ساطع شده از فوتو کاتد یا داینودها، به‌طور مؤثری توسط دیگر داینودها جمع‌آوری شوند، بعی از الکترون‌ها ممکن است از مسیرهای مطلوبشان منحرف شده و موجب کاهش راندمان جمع‌آوری الکترون شوند. بازده جمع‌آوری در مکان‌های مختلف روی سطح فوتو کاتد که فوتو الکترون‌ها را ساطع می‌کند، متفاوت است که به این ترتیب یکنواختی فضائی یک PMT تحت‌تأثیر قرار می‌گیرد. همچنین یکنواختی فضائی تابعی از یکنواختی سطح خود PMT نیز است. در کل، PMTهای نوع انتهائی (head-on) یکنواختی فضائی بهتر از نوع کناری (side-on) فراهم می‌کنند که این خود به‌علت هندسه فضائی فوتو کاتد تا اولین داینود است. لامپ‌های طراحی شده برای کاربردهای دوربین گاما، یکنواختی فضائی بسیار عالی دارند، چون این یکنواختی عامل تعیین کننده‌ای در عملکرد کلی دوربین گاما است. مشخصات دریفت و طول عمر: وقتی که یک PMT به‌طور مستمر در زمان طولانی به‌کار گرفته می‌شود، در شرایط کار ثابت، جریان خروجی آند PMT ممکن است با مرور زمان اندکی تغییر کند. تغییرات جریان آند به دو دسته تقسیم می‌شود: تغییراتی که در دوره زمانی کوتاه اتفاق می‌افتد، drift نام دارد و تغییرات به‌وجود آمده در دوره زمانی زیاد مانند هزار تا ده هزار ساعت، مشخصات طول عمر نامیده می‌شود. دریفت در اصل به‌علت خرابی ایجاد شده در آخرین داینود که در اثر بمباران شدید الکترونی است، به‌وجود می‌آید، بنابراین وقتی پایداری، در درجه اول اهمیت باشد، استفاده از جریان آند کمتر (میکروآمپر یا کمتر) توصیه می‌شود. پاسخ زمانی: هنگام اندازه‌گیری نور پالسی، سیگنال خروجی آند باید شکل موجی شبیه به موج پالس تابشی به‌وجود آورد. این تطابق بین موج تابشی و موج خروجی به شدت تحت‌تأثیر زمان گذر الکترون، زمان صعود پالس در آند و پخش زمان گذر الکترون است.
زمان گذر الکترون، بازه زمانی میان رسیدن یک پالس نوری از نوع تابع دلتا با عرض پالس کمتر از ۵۰ps به فوتو کاتد و زمانی است که پالس خروجی آند به دامنه حداکثرش می‌رسد. زمان صعود پالس آند به‌صورت زمان لازم برای افزایش از ۱۰% تا ۹۰% اندازه حداکثر پالس نوری دلتا روشن شده باشد، تعریف می‌شود. زمان گذر الکترون در پالس‌های نوری مختلف متفاوت است. این تغییرات پخش زمان گذر (TTS) نام دارد. TTS یک فاکتور مهم در اندازه‌گیری‌های حوزه زمان است. مشخصات پاسخ زمانی به ساختار داینود و ولتاژ اعمالی بستگی دارد.شمارش فوتون
شمارش فوتون یک روش مؤثر استفاده از PMT جهت اندازه‌گیری سطوح نور بسیار پائین است. این روش به‌طور وسیعی در فوتومتری فضائی، اندازه‌گیری کمی لومینسانس و بیولومینسانس به‌کار می‌رود. در کاربرد معمولی، تعدادی از فوتون‌ها وارد PMT شده و یک قطار پالس خروجی به‌وجود می‌آورند. خروجی واقعی که توسط مدار اندازه‌گیری به‌دست می‌آید، یک جریان DC با تغییراتی مشابه است. گاهی شدت نور به قدری کاهش می‌یابد که فوتون‌های تابشی از هم جدا می‌شوند. به این حالت، وقوع تک فوتون گویند. تعداد پالس‌های خروجی نسبت مستقیم با میزان نور تابشی دارد و شمارش پالس نسبت سیگنال به نویز و پایداری بهتری نسبت به روش اندازه‌گیری جریان که تمام پالس را متوسط‌گیری می‌کند، دارد. این روش شمارش پالس، شمارش فوتون نام دارد. شمارش پالس‌های خروجی PMT به همین سادگی موجب یک اندازه‌گیری دقیق نمی‌شود، چون خروجی حاوی پالس‌های اشعه کیهانی است که مزاحم پالس‌های سیگنال ناشی از فوتو الکترون‌ها می‌شود. مؤثرترین راه برای حذف نویز، آشکارسازی پالس‌‌های خروجی مطابق دامنه آنها است. آشکارساز واقع پس از PMT، این عمل را انجام می‌دهد. یک توزیع نوعی ارتفاع پالس (PHD) برای خروجی PMT است. در این PHD، سطح پائین آشکارسازی (LLD) روی قسمت دره (مینیمم) و سطح بالای آشکارسازی (ULD) روی قسمتی از دامنه است که تعداد بسیار کمی پالس خروجی روی آن قرار دارد. اکثر پالس‌های کوچکتر از LLD، نویز هستند و پالس‌های بزرگتر از ULD ناشی از اشعه کیهانی. بنابراین با شمارش پالس‌های باقی مانده میان LLD و ULD، اندازه‌گیری‌های دقیق نور قابل انجام است. در Hm PHD متوسط اندازه پالس‌ها است. LLD باید در Hm/۳ و ULD روی Hm٭۳ تنظیم شوند. ULD ممکن است در اکثر موارد حذف شود. با در نظر گرفتن موارد فوق، خاصیت مهم PMTهای مورد استفاده برای شمارش فوتون یک قله و دره کاملاً مشخص در PHD است. PHD معمولی یک PMT را که برای شمارش فوتون به‌کار می‌رود، نشان می‌دهد.
پیاده‌سازی مدولار
تا اینجا در مورد اجزاء یک سیستم شمارش فوتون بحث شد. سیستم می‌تواند یا از اجزاء مستقل الکترونیکی ساخته شود که به کاربر امکان انتخاب اجزاء و نقطه کار را می‌دهد یا به‌صورت یک بسته‌بندی که در کارخانه از پیش تنظیم شده است، خریداری گردد که سادگی استفاده و فشردگی را نتیجه می‌دهد. اخیراً سیستم‌های فشرده و کم‌مصرف شمارش فوتون تولید شده‌اند که برای بهره‌گیری در لوازم قابل حمل یا آزمایشگاهی قابل استفاده هستند. همچنین بسته‌های فوتودتکتور که برای یک دستگاه خاص مناسب باشند، قابل طراحی و ساخت هستند.
نتیجه‌گیری
در این مقاله، PMT که دارای کاربردهای زیادی در تکنیک‌های لومینسانس است، معرفی گردید. PMT اساس سیستم اندازه‌گیری نور به روش شمارش فوتون است. علت عمده محبوبیت PMT اندازه کوچک و قابلیت‌های فراوان آن از قبیل حساسیت عالی، پاسخ زمانی سریع و پیاده‌سازی مدولار است.

ایثار مصطفی‌نژاد ـ کارشناس ارشد الکترونیک
موسی تابنده ـ کارشناس علوم آزمایشگاهی

منبع : ماهنامه مهندسی پزشکی و علوم آزمایشگاهی