Der Photoelektronenvervielfacher und seine Basis

  
Abbildung 14: Basiselemente des Photoelektronvervielfachers: Schematisch (Ref. [10]) 1-12: Dynoden, 13: Anode, 14: Fokussierungselektroden, 15: Photokathode.

In der Abbildung 14 ist ein typischer Photoelektronenvervielfacher (PM) schematisch dargestellt. Ich gebe kurz die Funktionsweise eines PM an. Die aus dem Szintillator austretenden Photonen dringen durch die evakuierte Glasröhre in die Photokathode, die auf Erpotential liegt. Durch Photoeffekt werden Elektronen aus der Kathode herausgeschlagen und im aktiven Wirkungsbereich der Fokussierelektroden gebündelt und zur ersten Dynode hin beschleunigt, an welche eine Spannung von etwa 100 V angelegt ist. Dort werden erneut Sekundärelektronen herausgeschlagen und beschleunigen infolge eines neuerlichen Spannungspotentials zur nächsten Dynode hin. Durch die Spannungspotentiale, die geometrische Form und Anordnung der einzelnen Dynoden entsteht eine Elektronenlawine, die auf die Anode trifft. Photomultiplier erzeugen typische Verstärkungsfaktoren von $106$. Ich habe für meine Messungen einen HAMAMATSU photmultiplier tube Typ R 1450 verwendet. Die Betriebsspannung stellte ich zwischen $1100$ und $1400$ Volt ein. Der Photomultiplier ist mit einer konventionellen Glasröhre ausgestattet und deshalb für Licht im ultravioletten Bereich unempfindlich. Da sich das Szintillationslicht meiner Messungen gerade im Übergang vom ultravioletten in den sichtbare Lichtbereich bewegt, wäre ein Pohotomultiplier mit lichtdurchlässiger Quarzglasröhre im ultravioletten Bereich sicherlich von Vorteil gewesen.
Um den Photomultiplier konkret ansteurn zu können, braucht es eine steckbare Elektronikbasis gemäss Abbildung 15, durch welche die Eingangsspannung und das Verstärkungssignal geformt werden.

  
Abbildung 15: Elektronikschema der Basis des HAMAMATSU Photomultipliers R 1450 für positive Hochspannung. Z1 und Z2: Z-Dioden ZY-130 ITT, R1: $10$ k$\Omega$, R2: NTC-$10$ k$\Omega$ und $0.5$ W (PHILIPS), R3-R12: $82$ k$\Omega$ und $0.5$ W, R13: $100$ k$\Omega$, C1, C6: $2.2$ nF/$3$ kV, C2: $2.2$ nF/$500$ V, C3: $4.7$ nF/$500$ V, C4, C5: $10$ nF/$500$ V, B1: LEMO-Buchse output, B2: HV-Buchse input $22$ SHV-50-0-6/133 HUBER & SUHNER.

PM und Basis bilden zusammen eine Einheit. Die elektronischen Bauelemente der Basis können als gegeben betrachtet werden. Speziell zu erwänen gilt die Anordnung der beiden Z-Dioden und des NTC-Widerstandes. Sie bewirken, dass die Ströme im Photomultiplier temperaturunempfindlich werden, selbst wenn Das Basisgehäuse Temperaturschwankungen ausgesetzt ist. Mit dem Widerstand R13 wird die Zeitkonstante des Ausgangsignals (shaping) bestimmt. Je kleiner der Widerstand gewählt wird, desto schnellere Signale kann man nachweisen und die Zeitauflösung wird besser. Dafür wird die Energieauflösung infolge zunehmnden Rauschens schlechter. Für eine optimale Energieauflösung muss der Widerstand gross gewählt werden. Es ist nicht das gegenseitige Abwägen von Energie- und Zeitauflösung alleine auschlaggebend für die Wahl des Widerstandes, sondern hauptsächlich die Abstimmung der Signale auf elektronische Komponenten wie beispielsweise den ADC gemäss seiner Spezifikation.