zum Directory-modus

Tutorial MenueIR- und Raman-SpektroskopieLerneinheit 15 von 19

Raman-Gerätetechnik

Fotomultiplier

Bevor auf den Aufbau und die Funktionsweise eines Fotomultipliers eingegangen wird, soll zunächst der äußere Fotoeffekt betrachtet werden.

Beim äußeren Fotoeffekt werden Elektronen durch Licht aus einer Kathode (Metalle) herausgeschlagen und können durch eine Anode nachgewiesen werden. Die Energiebilanz dieses Effektes lautet:

h f = W A + 1 2 m v 2 h - Planck'sches Wirkungsquantum f - Frequenz des Lichtes W A - Austrittsarbeit m - Masse v - Geschwindigkeit

Ein Photon gibt seine Energie an ein Elektron ab. Das Elektron verrichtet die Austrittsarbeit W A und verlässt als freies Elektron die Kathode. Ist die Energie, die für die Austrittsarbeit benötigt wird, kleiner als die Energie des Photons, dann nimmt das freie Elektron diese überschüssige Energie als kinetische Energie auf. Aus oben genannter Gleichung geht weiterhin hervor, dass das Licht eine Grenzfrequenz haben muss, um das Elektron aus der Kathode herauszulösen:

f grenz = W A h f grenz - Grenzfrequenz

In diesem Fall besitzt das Elektron keine kinetische Energie. Die Konsequenz aus der letzten Gleichung ist, dass die Austrittsarbeit die langwellige (niederenergetische) Grenze der Fotoempfindlichkeit der Metalle bestimmt. Es werden für diesen Detektortyp deshalb Materialien genutzt, wo die Austrittsarbeit der Elektronen gering ist. Das trifft für Alkalimetalllegierungen zu. Aus der Energiebilanz für den äußeren Fotoeffekt geht weiterhin hervor, dass die kinetische Energie der Elektronen nur von der Frequenz des eingestrahlten Lichtes abhängig ist. Eine Erhöhung der Lichtintensität hat dagegen zur Folge, dass die Zahl der austretenden Elektronen größer wird, die kinetische Energie aber konstant bleibt. Um Wechselwirkungen der Elektronen mit Luft auszuschließen, sind die Detektoren evakuiert. Der einfachste Detektor, der auf dem beschriebenen Prinzip beruht, ist die Vakuumfotozelle.

Abb.1
Abb.2
Fotomultiplier

Die Weiterentwicklung der Fotozelle ist der Fotomultiplier. Im Fotomultiplier wird der Elektronenstrom durch zusätzliche Elektroden (Dynoden) wesentlich verstärkt. Das aus der Kathode herausgeschlagene Elektron wird durch Einwirken eines elektrischen Feldes zur ersten Dynode hin beschleunigt. Dieses Elektron setzt beim Aufprall mehrere Elektronen frei, die zur nächsten Dynode beschleunigt werden und aus dieser weitere zusätzliche Elektronen freisetzen, usw.. Aus jedem Fotoelektron resultieren ca. 10 3 bis 10 8 Elektronen auf der Anode. Diese Detektoren sind sehr empfindlich im UV/VIS-Bereich, aber für den NIR-Bereich kaum geeignet. Ein Nachteil des Fotomultipliers ist der sogenannte Dunkelstrom, der durch spontane Elektronenemissionen (z.B. durch Wärme) der Fotokathode entsteht. Dem kann durch Kühlung, z.B. mit flüssigen Stickstoff entgegengewirkt werden. Fotomultiplier werden trotz positiver Eigenschaften von anderen Detektoren in der Raman-Spektroskopie verdrängt, da jede Wellenlänge einzeln registriert wird (single-channel-Modus), was zu einer Verlängerung der Messzeit führt.

Abb.3
Animation zum äußeren Fotoeffekt
Seite 4 von 9