Ett fotomultiplikatorrör använder två vetenskapliga principer för att förstärka effekten av en enda infallande foton. De är gjorda i många olika konfigurationer av ljuskänsliga material och infallande ljusvinklar för att uppnå en hög förstärkning och en låg brusrespons i deras arbetsområde av ultravioletta, synliga och nära-infraröda frekvenser. Ursprungligen utvecklad som en mer responsiv tv-kamera, finns fotomultiplikatorrör nu i många applikationer.
Med uppfinningen av halvledare har vakuumrör i stort sett eliminerats från elektronikindustrin, med undantag för fotomultiplikatorröret. I den här enheten passerar en enda foton genom ett fönster eller frontplatta och träffar en fotokatod, en elektrod gjord av ett fotoelektriskt material. Detta material absorberar ljusfotons energi vid specifika frekvenser och avger elektroner i ett resultat som kallas den fotoelektriska effekten.
Effekterna av dessa emitterade elektroner förstärks genom användning av principen om sekundär emission. Elektronerna som emitteras från fotokatoden fokuseras på den första av en serie elektronmultiplikatorplattor som kallas dynoder. Vid varje dynod orsakar de inkommande elektronerna att ytterligare elektroner emitteras. En kaskadeffekt uppstår och den infallande fotonen har förstärkts eller detekterats. Därför, grunden för namnet ”fotomultiplikator”, den mycket lilla signalen från en enskild foton förstärks till den punkt där den lätt kan upptäckas av strömflödet från fotomultiplikatorröret.
Spektrala svar från fotomultiplikatorröret beror i första hand på två designelement. Typen av fönster avgör vilka fotoner som kan passera in i enheten. Fotokatodmaterialet bestämmer svaret på fotonen. Andra varianter av designen inkluderar fönster som är monterade i röränden eller sidofönster där fotonströmmen studsar från fotokatoden. Eftersom förstärkningen eller förstärkningen begränsas av den sekundära emissionsprocessen och inte ökar med ökad accelerationsspänning, utvecklades flerstegs fotomultiplikatorer.
Fotokatodsvaret beror på den infallande fotonfrekvensen, inte antalet mottagna fotoner. Om antalet fotoner ökar, ökar den genererade elektriska strömmen, men frekvensen av de emitterade elektronerna är konstant för alla fönster-fotokatodkombinationer, ett resultat som Albert Einstein använde som bevis på ljusets partikelnatur.
Förstärkningen av ett fotomultiplikatorrör sträcker sig upp till 100 miljoner gånger. Denna egenskap, tillsammans med det låga bruset eller den omotiverade signalen, gör dessa vakuumrör oumbärliga för att detektera mycket små antal fotoner. Denna detekteringsförmåga är användbar inom astronomi, mörkerseende, medicinsk bildbehandling och andra användningsområden. Halvledarversioner används, men vakuumrörsfotomultiplikatorn är bättre lämpad för detektering av ljusfotoner som inte är kollimerade, vilket innebär att ljusstrålarna inte färdas parallella vägar med varandra.
Fotomultiplikatorer utvecklades först som tv-kameror, vilket gjorde det möjligt för tv-sändningar att gå bortom studiobilder med starkt ljus till mer naturliga inställningar eller rapportering på plats. Även om de har ersatts med laddningskopplade enheter (CCD) i den applikationen, är fotomultiplikatorrör fortfarande mycket specificerade. Mycket av utvecklingsarbetet på fotomultiplikatorröret utfördes av RCA i anläggningar i USA och fd Sovjetunionen under senare hälften av 20-talet. Under de första decennierna av 21-talet tillverkas de flesta av världens fotomultiplikatorrör av ett japanskt företag, Hamamatsu Photonics.