광전증배관

광전증배관(photomultiplier tube, PMT)은 빛의 세기를 측정하는 검출기의 한 종류로서, 빛이 충돌하여 나오는 전자를 증폭시켜 검출한다. 광전증배관은 광음극, 다이노드, 양극 등으로 구성되며 이들은 진공 상태의 관 안에 존재한다.

목차

빛이 광음극(photo-emissive cathode 혹은 photo-cathode)에 도달하게 되면 전자를 방출시키게 되는데, 이 전자는 광음극 옆에 위치한 첫 번째 다이노드(dynode)에 끌려가게 된다. 다이노드는 전자 하나가 부딪혀서 여러 개의 전자를 내보낸다. 첫 번째에서 나온 전자는 옆에 위치한 두 번째 다이노드로 끌려 들어 가서 충돌하게 되고 더 많은 수의 전자를 내보낸다. 이러한 일련의 과정은 다수의 다이노드를 거쳐 일어나게 되고 입사되는 광자 당 1백만 개 이상의 전자를 만들게 된다. 각 다이노드는 연속적으로 더 높은 양 전압(대략 +100V)을 유지하고 있어서 앞에 놓은 다이노드에서 생성되는 전자를 끌어당길 수 있다. 증폭된 전자는 최종으로 양극(anode)에 도달되어 신호로 변환된다. 이러한 방식으로 매우 약한 빛의 세기는 측정 가능한 전기적 신호로 변환된다. 만약 각 다이노드가 입사 전자의 5배에 해당하는 전자를 내어놓고, 12개의 다이노드가 존재한다고 가정하면 최종적으로 양극에 도달하는 전자의 수는 @@NAMATH_INLINE@@5^{12} \cong 2.4\times10^8@@NAMATH_INLINE@@정도가 된다.

특정 에너지 이상을 지닌 빛이 금속 표면에 충돌하였을 때, 전자가 방출되는 현상은 광전 효과(photoelectric effect)라고 한다. 광전증배관에서 광음극은 광전 효과에 의하여 빛이 광음극 표면에 충돌하여 전자를 방출하게 된다. 특정 에너지 이상의 빛만이 이러한 광전 효과를 나타낼 수 있기 때문에 자외선 및 가시광선에 대하여 광전증배관 검출기를 이용할 수 있고, 낮은 에너지를 지닌 적외선 광전 효과를 관찰하기 힘들어서 광전증배관을 사용할 수 없게 된다.

그림 1. 광전증배관 도식. ()

그림 1은 8개의 다이노드로 구성된 PMT의 구조를 도식으로 나타낸 것이다. 그림에서 빛은 광자(photon)로 기술되었다. 광자가 광음극에 충돌하여 광전자가 형성되고, 광전자는 다이노드로 끌려가서 증폭되는 것을 알 수 있다. 그림에서 보는 바와 같이 광음극, 다이노드, 양극은 모두 진공 상태의 관 안에 포함되어 있다.