لامپ افزآینده فوتون از نجوم تا پزشکی

اولین گروه از دانشمندانی که از لامپ افزآینده فوتون PMT برای شمارش فوتون های تابشی استفاده کردند ستاره شناسانی بودند که از ستارگانی با روشنائی بسیار اندک تصویربرداری کردند پس از آن دوران بود که کاربردهای شمارش فوتون گسترش فزآینده ای یافت تکنیک های لومینسانس, به شدت در انجام تست های پزشکی و کلینیکی داروها و در صنایع غذائی, جهت یافتن آنتی بیوتیک ها, حشره کش ها و باکتری ها, مورد استفاده قرار گرفت بهبود کیفیت و کوچک شدن PMTها به همراه ظهور صنعت میکروالکترونیک و کامپیوتر, سهم عمده ای در این پیشرفت ها داشته است

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.

---