Fotomultiplicatorbuis: hoe je een enkel lichtdeeltje meetbaar maakt
Stel je voor dat je, kilometers diep onder water of onder een dik pak Antarctisch ijs, een flits licht wilt registreren die zwakker is dan het licht van een verre ster op een heldere nacht. Dat is precies het soort taak waarvoor natuurkundigen en medisch technici een fotomultiplicatorbuis gebruiken: een instrument dat piepkleine beetjes licht, tot op het niveau van één lichtdeeltje (een foton), omzet in een elektrisch signaal dat sterk genoeg is om te meten. De naam verraadt de functie: het is een buis, vergelijkbaar met de vacuümbuis in een ouderwetse beeldbuis-tv, die licht 'vermenigvuldigt' door het eerst om te zetten in elektronen en die elektronen vervolgens in stappen enorm te versterken.
Je kunt het vergelijken met een megafoon voor licht, maar dan extremer: waar een megafoon een fluistering omzet in een hoorbare stem, zet een fotomultiplicatorbuis een handvol fotonen om in een elektrische stroompuls die tien miljoen keer sterker is. Dankzij die gevoeligheid vormen deze buizen al negentig jaar de ogen van instrumenten die het onzichtbare zichtbaar maken: van neutrino's die dwars door de aarde vliegen tot de zwakke lichtflitsen in een ziekenhuisscanner.
Wat is het precies?
Een fotomultiplicatorbuis is een luchtledig gemaakte glazen buis met daarin een reeks elektroden. Het proces verloopt in een aantal stappen.
Eerst valt licht op de fotokathode, een dun laagje lichtgevoelig materiaal aan de binnenkant van het glas. Via het foto-elektrisch effect (het verschijnsel waarvoor Einstein zijn Nobelprijs kreeg) slaat een invallend foton hier een elektron los. Dit werkt alleen als het foton genoeg energie heeft; daarom is een fotomultiplicatorbuis gevoelig voor een bepaald kleurbereik, meestal van ultraviolet tot rood licht.
Dat ene losgeslagen elektron wordt door een elektrisch veld richting een reeks metalen plaatjes gestuurd, de dynodes genoemd. Bij elke dynode botst het elektron met zoveel kracht dat het meerdere nieuwe elektronen losslaat, een verschijnsel dat secundaire emissie heet. Na acht tot veertien van zulke dynodes, elk met een iets hogere spanning dan de vorige, is uit dat ene elektron een lawine van miljoenen elektronen ontstaan.
Die lawine komt uiteindelijk aan op de anode, waar hij wordt opgevangen als een kortdurende, meetbare stroompuls. De totale versterking, ofwel gain, ligt doorgaans tussen de één miljoen en tien miljoen: uit één enkel foton ontstaat dus een signaal dat met gewone elektronica te verwerken is. Om dit hele proces aan te drijven staat er een hoogspanning van ongeveer 1000 tot 2000 volt over de hele buizenketen, verdeeld over de dynodes door een spanningsdeler. Het resultaat is een detector die niet alleen extreem gevoelig is, maar ook razendsnel: de tijd tussen het invallende foton en de uitgaande stroompuls is doorgaans maar een paar nanoseconden.
Wat wil men ermee bereiken?
De kern van de ambitie is simpel: licht meten dat met het blote oog of met gewone camera's onzichtbaar is, en dat op een schaal van enkele fotonen per seconde of nog minder. Veel natuurverschijnselen die wetenschappers willen bestuderen, zenden namelijk maar heel weinig licht uit, of zijn zo zeldzaam dat je een enorm detectievolume nodig hebt om er ooit één te registreren.
In de deeltjesfysica en astrofysica gaat het vaak om het opvangen van het zwakke, blauwe Cherenkov-licht dat ontstaat wanneer een geladen deeltje (bijvoorbeeld ontstaan uit een neutrino-botsing) sneller door water of ijs beweegt dan licht dat in dat medium doet. Zonder fotomultiplicatorbuizen zou dat licht simpelweg te zwak zijn om iets mee te kunnen.
In de geneeskunde is het doel net iets anders: het exact plaatsen en timen van de zwakke lichtflitsjes die ontstaan wanneer radioactieve straling uit het lichaam van een patiënt een scintillatiekristal raakt. Hoe nauwkeuriger die timing en positie, hoe scherper het uiteindelijke beeld van bijvoorbeeld een tumor. Het achterliggende doel is dus steeds hetzelfde: fenomenen zichtbaar en meetbaar maken die net buiten het bereik van gewone lichtsensoren vallen, met een snelheid die andere technieken niet kunnen evenaren.
Voorbeelden uit de praktijk
Super-Kamiokande (Japan, in bedrijf sinds 1996) is wellicht het bekendste voorbeeld: een ondergrondse tank met 50.000 ton ultrazuiver water, omringd door duizenden fotomultiplicatorbuizen van 50 centimeter doorsnede die het Cherenkov-licht van passerende neutrino's registreren. De metingen van dit experiment leverden in 2015 mede de Nobelprijs Natuurkunde op voor Takaaki Kajita, voor het aantonen dat neutrino's van 'smaak' kunnen veranderen.
IceCube Neutrino Observatory, voltooid rond 2010 op de Zuidpool, gebruikt duizenden optische modules met daarin een fotomultiplicatorbuis, ingevroren op grote diepte in het Antarctische ijs zelf. Het ijs fungeert hier als het detectiemedium in plaats van water.
PET-scanners (Positron Emissie Tomografie) in ziekenhuizen wereldwijd gebruiken fotomultiplicatorbuizen, of tegenwoordig vaak hun vaste-stof opvolgers, om de gammastraling te registreren die vrijkomt na injectie van een licht radioactief spoormiddel bij een patiënt.
JUNO (Jiangmen Underground Neutrino Observatory) in China is een ondergronds neutrino-experiment dat gebruikmaakt van tienduizenden grote en kleinere fotomultiplicatorbuizen rond een enorme bol gevuld met vloeibare scintillator, met als doel de rangorde van neutrino-massa's te bepalen.
KM3NeT, een neutrino-telescoop die in aanbouw is op de bodem van de Middellandse Zee, kiest voor een andere aanpak: in plaats van één grote buis per detectiemodule gebruikt dit project bolvormige modules met tientallen kleine fotomultiplicatorbuizen, wat een preciezere richtingsbepaling van inkomend licht mogelijk maakt.
Hoe ver is de techniek?
De fotomultiplicatorbuis zelf is een volwassen technologie: het basisprincipe staat al sinds de jaren dertig van de vorige eeuw vast, met vroege ontwikkeling bij onder meer RCA in de Verenigde Staten. Toch is er nog volop beweging, vooral aan de randen van wat mogelijk is.
Een belangrijke ontwikkeling is de opkomst van de silicium-fotomultiplicator (SiPM, ook wel MPPC genoemd), een vaste-stof chip die hetzelfde doel dient maar zonder glazen vacuümbuis en zonder hoogspanning. SiPM's zijn compacter, robuuster en werken, in tegenstelling tot klassieke buizen, ook prima in een sterk magneetveld. Ze hebben van oudsher meer 'donkere ruis' (valse signalen zonder invallend licht) en een kleiner gevoelig oppervlak per element, maar dat verschil wordt met de jaren kleiner. In sommige toepassingen, zoals nieuwere PET-scanners, hebben SiPM's de klassieke buis al grotendeels verdrongen; in grootschalige experimenten met enorme detectorvolumes, zoals neutrino-observatoria, blijft de klassieke fotomultiplicatorbuis vooralsnog goedkoper per vierkante meter gevoelig oppervlak.
Aan de kant van de klassieke buis wordt vooral gewerkt aan een hogere kwantumefficiëntie, dat wil zeggen: het percentage invallende fotonen dat daadwerkelijk een elektron losslaat. Voor de opvolger van Super-Kamiokande, Hyper-Kamiokande, dat in Japan wordt gebouwd, worden nieuwe buizen met een verbeterde fotokathode en dynodestructuur ontwikkeld die meer licht opvangen dan hun voorgangers. Een blijvend obstakel is de fysieke kwetsbaarheid: de glazen buizen staan onder vacuüm en kunnen imploderen, wat bij Super-Kamiokande in 2001 tot een kettingreactie van kapotte buizen leidde. Dat incident heeft geleid tot betere bescherming van buizen in latere en toekomstige experimenten.
Wie werken eraan?
Hamamatsu Photonics uit Japan is wereldwijd de dominante fabrikant van onderzoeksgerichte fotomultiplicatorbuizen en levert onder meer de buizen voor Super-Kamiokande en Hyper-Kamiokande. In Europa maakt Photonis, met fabrieken in Frankrijk en historische wortels bij Philips in Nederland, vergelijkbare buizen en verwante beeldversterkingstechniek. Ook het Britse ET Enterprises is een gevestigde speler in deze niche.
Op het gebied van fundamenteel onderzoek zijn grote laboratoria en universitaire instituten de belangrijkste opdrachtgevers en ontwikkelaars: het Institute for Cosmic Ray Research van de universiteit van Tokio (verantwoordelijk voor Super- en Hyper-Kamiokande), het Amerikaanse en internationale samenwerkingsverband achter IceCube (met de universiteit van Wisconsin-Madison als spil), het Institute of High Energy Physics in China (JUNO), en het Europese KM3NeT-collaboratie met deelnemende instituten uit onder meer Frankrijk, Italië en Nederland (Nikhef). Ook CERN in Zwitserland gebruikt fotomultiplicatorbuizen in diverse detectoren, al ligt de nadruk daar tegenwoordig meer op vaste-stof alternatieven voor nieuwe experimenten.