PMT یا لوله فتوفزون گر (سیستم اندازه گیری مقدار نور تابش شده)

PMT یا لوله فتوفزون گر (سیستم اندازه گیری مقدار نور تابش شده)

سیدامید میراحمدی

کارشناس بخش کنترل کیفی-اپلیکیشن شرکت دانش بنیان آپتاسیس

PMT یا Photo Multiplier Tubes به سنسوری اطلاق می شود که در دستگاه های کمیلومینسانس وظیفه تشخیص و اندازگیری مقدار نور ساطع شده به هنگام واکنش کمیلومینسانس را بر عهده دارد.

PMT سیستمی است که می‌تواند نور مرئی ، فرابنفش و فرکانس‌های نزدیک مادون قرمز را آشکارسازی کند. این آشکارسازها توانایی این را دارند که نور تابشی را تا صد برابر تقویت کنند. در واقع در مسیر فوتون فرودی چندین کاتد قرار داشته که می‌توانند این فوتون را حتی در حالتی که شار فرودی خیلی کم است آشکار کنند. به علت توانایی بالای PMT در میزان بالای تقویت و پارازیت کم، کاربردهای بسیار دیگری نیز در فیزیک هسته ای ، عکس برداری های پزشکی و همینطور دوربین های دید در شب دارد.

فناوری تشخیص نور ابزار قدرتمندی است که درک عمیق‌تری از پدیده‌های پیچیده‌ را فراهم می‌کند. اندازه گیری با استفاده از نور مزایای منحصر به فردی را ارائه می دهد به عنوان مثال، تجزیه و تحلیل غیر مخرب یک ماده، سرعت بالا و حساسیت بالای تشخیص از مزایای آن بشمار میروند.

اخیراً به‌ویژه در زمینه‌های پیشرفته‌ای مانند اندازه‌گیری های علمی، تشخیص و درمان پزشکی، فیزیک انرژی بالا، طیف‌سنجی و بیوتکنولوژی نیاز بیشتری به آشکارسازهای نوری مشخص شده است که این مسئله اهمیت این قطعه سنجشی را نشان می‌دهد.

آشکارسازهای نوری یا حسگرهای نوری را می توان به طور کلی بر اساس اصل عملکردشان به سه دسته اصلی تقسیم کرد:

1. اثر فوتوالکتریک خارجی
2. اثر فوتوالکتریک داخلی
3. انواع حرارتی

اثر فوتوالکتریک خارجی

اثر فوتوالکتریک خارجی پدیده ای است که در آن هنگام برخورد نور به فلز یا ماده نیمه هادی که در خلاء قرار دارد، الکترون ها از سطح آن به داخل خلاء گسیل می شوند. لوله های فوتوفوزون گر (به اختصار PMT) از این روش استفاده می کنند.

اثر فوتوالکتریک خارجی در زمینه سرعت پاسخ دهی و حساسیت (تشخیص سطح کم نور) نسبت به دو مدل دیگر برتر هستند.

آنها به طور گسترده ای در تجهیزات پزشکی، ابزارهای تحلیلی و سیستم های اندازه گیری صنعتی استفاده می شوند.

اثر فوتوالکتریک داخلی

حسگرهای نوری که از اثر فوتوالکتریک داخلی استفاده می‌کنند به انواع رسانای نوری و انواع فتوولتاتیک تقسیم می‌شوند.

هر دو نوع دارای حساسیت بالا و اندازه مینیاتوری هستند که آنها را برای استفاده به عنوان حسگر در نور سنجی دوربین، پیکاپ دیسک نوری و همین طور در ارتباطات نوری مناسب می کند.

انواع حرارتی

اگرچه حساسیت آنها نسبت به انواع اثر فوتوالکتریک خارجی و داخلی کم است، اما وابستگی به طول موج ندارند و بنابراین به عنوان سنسور دما در اعلام حریق، هشدار نفوذ و غیره استفاده می شوند.

تاریخچه PMT

لوله‌های فوتوفزون گر از زمان توسعه فوتوکاتدها و گسیل دهنده های ثانویه (داینود) پیشرفت سریعی داشته‌اند.

اولین گزارش در مورد سطح گسیل ثانویه توسط Astin و همکاران در سال 1902 میلادی انجام شد. از آن زمان تحقیقات در خصوص سطوح ثانویه گسیلی (گسیل الکترون ثانویه) برای دستیابی به ضرب الکترون بالاتر انجام شده است.

درسال 1935 میلادی Lams و همکاران موفق به تولید یک لوله فوتوفزون گر با استفاده از یک فوتوکاتد و داینود شدند که برای دریافت صدای فیلم استفاده می شد.

در سال بعد Zworykin و همکاران موفق به ساخت فوتومولتی پلایر (PMT) با چند مرحله داینود شدند که با استفاده از یک میدان الکتریکی و یک میدان مقناطیسی الکترون ها را قادر به حرکت درون لوله میساخت.

سپس در سال 1939 میلادی Zworykin و Rajchman موفق به ساخت فتومولتی پلایر از نوع متمرکز الکترواستاتیکی شدند. این ساختار اصلی لوله های فوتوفزون گر (PMT ) است که درحال حاضر نیز استفاده میشوند.

ساختار

یک فوتوفزون‌گر از یک لوله خلاء شیشه‌ای ساخته شده‌است که درون آن یک فوتوکاتد و چندین داینود (فوتوکاتد ثانویه) و یک آند قرار دارد. فوتون تابشی ابتدا به ماده ی فوتوکاتد که به صورت لایه ی نازکی در قسمت ابتدایی لوله قرار داده شده‌است برخورد می‌کند و درنتیجه ی تأثیرات فوتوالکتریک، الکترون‌ها تولید می‌شوند. این الکترون‌ها به‌وسیله ی فوکوس کردن کاتدها به سمت فزون‌گر الکترون (جایی که الکترون‌ها به‌وسیله ی فرایند تابش ثانویه تکثیر می‌شوند) جهت‌دهی می‌شوند.

سیستم فزون‌گری الکترون از تعدادی داینود تشکیل شده‌است که کاتد ثانویه نیز نامیده می‌شوند. تمامی این داینودها در ولتاژی مثبت تر از کاتد ثانویه ی  قبلی خود قرار داده می‌شوند. الکترونی که فوتوکاتد را ترک می‌کند دارای مقداری انرژی ناشی از فوتون‌های وارد شده به فتوکاتد است و وقتی که وارد اولین کاتد ثانویه می‌شود به‌وسیله ی میدان الکتریکی شتاب گرفته و به انرژی بالاتر می‌رسد. کاتد های ثانویه‌ به صورت سری به یکدیگر متصل شده‌اند و در هر مرحله تعداد الکترون‌های تولیدشده توسط آنها افزایش می‌یابد و در آخر به آند می‌رسند، جایی که انباشتگی بارها یک جریان الکتریکی را نتیجه می‌دهد.

فوتوفزون‌گرها برای کارکرد درست تقریبا به ۱۰۰۰ تا ۲۰۰۰ ولت جریان الکتریکی احتیاج دارند. بیشترین ولتاژ منفی به کاتد متصل می‌شود و بیشترین ولتاژ مثبت به آند. وقتی فوتوفزون‌گرها روشن می‌شوند باید توسط سیستم دیافراگمی نسبت به نور محیط محافظت شوند تا با ازدیاد انتشار امواج آسیب نبینند.

شرح عملکرد

نور منتشر شده از واکنش ها توسط PMT اندازه گیری می شود. محدوده خطی اندازه گیری فوتومولتی پلایر (300 تا 600 نانومتر) می باشد که نور حاصل از واکنش های کمیلومینسانس در طول موج 420 نانومتر اندازه گیری میشود. پالسهای ایجاد شده توسط یک آمپلی فایر الکترونیکی بسیار سریع تقویت شده و یک مدار noise های سیگنالی PMT را حذف میکند، شایان ذکر است تمام این قطعات داخل ماژول PMT قرار دارند.

PMT در دستگاه های کمیلومینسانس

کمیلومینسانس ایمونواسی دارای چندین مزیت از جمله حساسیت بالا، دامنه دینامیکی گسترده و اندازه‌گیری ساده بدون استفاده از امکانات ویژه ای است که معمولاً توسط رادیوایمونواسی مورد نیاز است.

هنگامی که آنزیم ها به آنتی بادی یا آنتی ژن های برچسب گذاری شده با یک معرف لومینسانس، اضافه می شوند یک واکنش شیمیایی رخ می دهد که انتشار نور ناشی از این واکنش توسط PMT تشخیص داده می شود.

در PMT های موجود در دستگاه های کمیلومینسانس تعداد شمارش  فوتون ها مطرح نیست بلکه واحد نسبی نور یا RLU (Relative Light Unit) به عنوان واحد اندازه گیری داده های خام به کار می رود. اطلاعات خام نیز در فاکتور RLU ضرب می شود که برای جبران نوسانات کاتدی و حفظ حساسیت PMT استفاده می گردد.

تاثیر عوامل محیطی بر عملکرد PMT

ویژگی های لوله فتوفزون گر ازجمله حساسیت و مقدار نور زمینه ای(Dark Count) بدست آمده، به شرایط محیطی مانند دما، رطوبت و میدان های مغناطیسی اطراف آن و همچنین ویبریشن داخل دستگاه به هنگام انجام تست ها، تغییرات ولتاژی و تغییرات فشار هوا حساس است. برای به دست آوردن دقیق ترین نتایج از PMT  لازم است شرایط محیطی به گونه ای کنترل گردد که بر روی عملکرد آن تاثیر نامطلوبی نداشته باشد.

منابع:

1. PHOTOMULTIPLIER TUBES Basics and Applications-HAMAMATSU Company
2. Wang, Xuhua, et al. "Thin-film organic photodiodes for integrated on-chip chemiluminescence detection–application to antioxidant capacity screening." Sensors and Actuators B: Chemical 140.2 (2009): 643-648.

با تشکر از سرپرست بخش فنی شرکت دانش بنیان آپتاسیس، جناب آقای مهندس آرش نظری