Optische Messtechnik: Photomultiplier, Up-Konversion & Photolumineszenz

Photomultiplier: Dunkelstrom & Verstärkung

Der Dunkelstrom ist ein geringer Strom, der in einem Photomultiplier (PMT) fließt, selbst wenn dieser nicht beleuchtet wird. Er sollte stets minimiert werden. Ein geeigneter Arbeitsbereich für Photomultiplier liegt typischerweise zwischen 800 V und 1300 V.

Die Hauptursache für den Dunkelstrom ist die thermische Emission (Glühemission) von der Photokathode und den Dynoden. Weitere Quellen des Dunkelstroms sind:

• Ableitstrom
• Glühphänomene
• Feldemission
• Restgas-Ionisation
• Radioaktive Kontamination

Die Verstärkung (G) eines Photomultipliers, definiert als das Verhältnis der Anzahl der Elektronen am Ausgang des PMT pro einfallendem Photon, wird durch die folgende Beziehung ausgedrückt:

G = K • Va

Diese Beziehung wird experimentell durch Messung des verstärkten Ausgangssignals in Abhängigkeit von der angelegten Spannung ermittelt.

Diagramme und Messgrößen im Photomultiplier-Betrieb

Geringe Abweichungen zwischen theoretischen und experimentellen Werten können hauptsächlich auf die Genauigkeit der am Ausgang des Photomultipliers erhaltenen Messwerte zurückgeführt werden. Insbesondere bei geringen Potenzialdifferenzen zwischen Photokathode und Anode können die Messergebnisse durch den Dunkelstrom, bedingt durch thermisches Rauschen, verfälscht werden.

Die bei konstanter Helligkeit erzielten Ergebnisse sind in Abbildung a) dargestellt. Diese zeigt eindeutig die potenzielle Abhängigkeit der Verstärkung von der am Photomultiplier angelegten Spannung.

Abbildung b) zeigt den Dunkelstrom, dessen Form ebenfalls eine potenzielle Abhängigkeit aufweist. Auch im Bereich der höchsten angelegten Spannung stimmt dies mit dem Ausdruck der Photomultiplier-Verstärkung überein. Da bei fehlendem oder geringem Photonen-Einfall auf die Photokathode die Gleichung der Verstärkung in eine Summe vieler Terme zerlegt werden sollte, wie sie über die Photomultiplier-Dynoden auftreten, zeigt sich auch hier eine potenzielle Abhängigkeit von der angelegten Spannung.

Up-Konversion: Lebensdauer & Messung

Die Lebensdauer eines Energieniveaus wird als die Zeit definiert, in der die Population dieses Niveaus um den Faktor e abnimmt. Dies wird durch die Formel beschrieben:

V = A • e(-t / τ)

Zur Bestimmung der Halbwertszeit wird folgendes experimentelles Verfahren angewendet:

Ein laserangeregtes, dotiertes Glas wird verwendet. Der Laserstrahl wird mittels einer Linse und eines Kollimators auf einen frequenzgesteuerten Chopper fokussiert. Dieser Chopper ermöglicht die präzise Anregung und De-Anregung der Probe. Der Ausgang des Choppers wird wiederum durch ein Objektiv auf die Probe konzentriert. Dadurch wird Energie auf die Elektronen übertragen, die in einen angeregten Zustand übergehen. Die Probe emittiert anschließend Licht, wobei verschiedene Konzentrationen der enthaltenen Lanthanoide untersucht werden können.

Ein Monochromator wird platziert, um die gewünschte Emission, beispielsweise bei 830 nm, auszuwählen. Nach dem Monochromator wird ein Photomultiplier positioniert, um die Lichtintensität zu erfassen. Die vom Photomultiplier erfassten Daten werden von einem Oszilloskop gesammelt und zur grafischen Auswertung an einen Computer übertragen. Mittels exponentieller Anpassung mit einem Programm wie Origin wird die Halbwertszeit bestimmt.

Photolumineszenz: Streulicht & Filter

Monochromatoren sind so konstruiert, dass unerwünschtes Streulicht, das zufällig nicht durch das Beugungsgitter gelangt, schnell an den inneren Wänden des Monochromators gedämpft wird. Andernfalls könnte dieses Streulicht durch den Ausgangsspalt gelangen und zu falschen Messungen führen.

Eine weitere wichtige Vorsichtsmaßnahme betrifft die Vermeidung von harmonischen Wellenlängen. Zweite und dritte Harmonische können unter dem gleichen Winkel wie die gewünschte Frequenz austreten, haben aber eine andere Frequenz. Dies wird durch die Dispersionsrelation des Beugungsgitters beschrieben:

d (sin(α) + sin(β)) = m • λ = 2m • (λ/2) = 3m • (λ/3)

Zur Veranschaulichung: Wenn wir eine Ausgangswellenlänge von 900 nm am Monochromator wählen, könnte die Strahlung auch Anteile der zweiten Harmonischen (schwächer, aber zu beachten) bei 450 nm und der dritten Harmonischen (weniger intensiv als die zweite Harmonische) bei 300 nm enthalten. Höhere Harmonische werden in der Regel nicht berücksichtigt, da ihre Intensität vernachlässigbar schwach ist.

Um diese Probleme zu vermeiden, wird ein Langpassfilter eingesetzt, der nur die gewünschte Wellenlänge durchlässt und kürzere, harmonische Wellenlängen blockiert.