تويت
الصمام المضاعِف الضوئي
يستخدم الصمام المضاعف الضوئيphotomultiplier لكشف الشدات الضوئية الضعيفة جداً وقياسها بطريقة غير مباشرة، وذلك بفضل ظاهرة الإصدار الثانويsecondary emission التي تسببها الإلكترونات الصادرة من المهبط الضوئي photocathodeعند ورد الفوتونات الضوئية عليه، ومضاعفة عددها فيه وقياس شدة التيار الناتج.
يتألف الصمام المضاعف الضوئي الذي ابتكره ف. زفوريكين V.Zworykin من أنبوب مفرَّغ من الهواء، يتوضع فيه مهبط ضوئي وسلسلة من مسارات ثانوية dynodes، قد يصل عددها إلى عشرة أو اثني عشر مسرى ثانوياً تحدث فيها ظاهرة الإصدار الثانوي، ومن مصعد نهائي تتجمع فيه الإلكترونات، وهذا ما يوضحه الشكل (1)، حيث تظهر عدة تصاميم لهذا الصمام.
يتوضَّع المهبط الضوئي عادة على الوجه الداخلي لنافذة دخول الصمام، وهو يتركب من مواد كيميائية تختلف باختلاف الإشعاع الضوئي المراد كشفه، وتركَّز لترد على مسرى الإصدار الثانوي الأول الذي يطبق عليه جهد كهربائي من رتبة 100فولط، وهو يأخذ شكلاً هندسيّاً يسمح له بأن يعمل عمل عدسة إلكترونية. ولدى ارتطام كل إلكترون متحرر من المهبط الضوئي بعد تسريعه بهذا المسرى الذي يغطى بطبقة من خليط الفضة والمنغنيز، يتحرر وسطيّاً أربعة إلكترونات، ونظراً لتوزع الطاقة الحركية للإلكترون الوارد على اقتلاع عدد من الإلكترونات من المسرى الثانوي، وإكسابها طاقة حركية، فإن طاقة كل من هذه الإلكترونات الثانوية تكون ضعيفة، وعليه فإن هذه الإلكترونات تتطلب تسريعاً وتركيزاً من جديد لترد على المسرى الثانوي التالي الذي يطبق عليه جهد يقارب 200فولط بالنسبة للمهبط الضوئي. وهكذا تتكرر عملية توليد الإلكترونات الثانوية عشر مرات أو اثنتي عشرة مرة فيولِّد كل إلكترون صادر عن المهبط الضوئي مليون إلكترون ثانوي ترد في نهاية المطاف على المصعد الذي يطبق عليه جهد يقارب 1000فولط . يتضح في ضوء ما ذكر أن الصمام المضاعف الضوئي لا يضاعف الضوء وإنما يضاعف عدد الإلكترونات، ومع هذا فقد شاعت تسمية الصمام الذي يفعل ذلك بالصمام المضاعف الضوئي.
تكمن المميزات الأساسية للمضاعف الضوئي فيما يأتي:
1ـ الحساسية sensitivity: إن أفضل مضاعف ضوئي يتحسس بكل إلكترون صادر عن المهبط الضوئي يسببه فوتون ضوئي وحيد.
2ـ الربح الثابت constant gain: ويتحقق ذلك بفضل وصل المساري الثانوية بسلسلة من المقاومات المختارة بدقة والموصولة على التسلسل، والتي يطبق عليها جهد عالٍ من رتبة 1000فولط ثابت لا يتغير بدقة 1%.
3ـ زمن الاستجابة response time: يساعد زمن الاستجابة القصير على فصل الإشارات الضوئية القصيرة المتقاربة زمنياً فيما بينها، ويتحدد زمن الاستجابة هذا بالمدة الزمنية التي تتطلبها الإلكترونات الثانوية كي تقطع مساراتها المختلفة وهي من رتبة البيكوثانية أي 10ـ12ثانية. ويعد هذا الزمن أساسيّاً عند استخدام المضاعف الضوئي لعدِّ الجسيمات النووية، ويلاحظ أن الصمام المضاعف الضوئي ذا الستائر المبين في الشكل (1) يتصف بأقصر زمن استجابة، لأن الإلكترونات تتبع مساراً مستقيماًَ. يستخدم المضاعف الضوئي لقياس الشدات الضوئية الضعيفة جداً كما هي الحال عند قياس الشدات الضوئية للنجوم والسُّدم والمجرَّات، كما يستخدم في كشف الجسيمات النووية، وعندها يستقبل المضاعف الضوئي الضوء الصادر عن مادة شفافة تتفلور لدى مرور الجسيمات عبرها. ويظهر في الشكل (2) نماذج صناعية للصمام بأبعاد مختلفة.
أحمد حصري
  |
| الشكل (1) تصاميم مختلفة للصمام المضاعف الضوئي |
يتألف الصمام المضاعف الضوئي الذي ابتكره ف. زفوريكين V.Zworykin من أنبوب مفرَّغ من الهواء، يتوضع فيه مهبط ضوئي وسلسلة من مسارات ثانوية dynodes، قد يصل عددها إلى عشرة أو اثني عشر مسرى ثانوياً تحدث فيها ظاهرة الإصدار الثانوي، ومن مصعد نهائي تتجمع فيه الإلكترونات، وهذا ما يوضحه الشكل (1)، حيث تظهر عدة تصاميم لهذا الصمام.
يتوضَّع المهبط الضوئي عادة على الوجه الداخلي لنافذة دخول الصمام، وهو يتركب من مواد كيميائية تختلف باختلاف الإشعاع الضوئي المراد كشفه، وتركَّز لترد على مسرى الإصدار الثانوي الأول الذي يطبق عليه جهد كهربائي من رتبة 100فولط، وهو يأخذ شكلاً هندسيّاً يسمح له بأن يعمل عمل عدسة إلكترونية. ولدى ارتطام كل إلكترون متحرر من المهبط الضوئي بعد تسريعه بهذا المسرى الذي يغطى بطبقة من خليط الفضة والمنغنيز، يتحرر وسطيّاً أربعة إلكترونات، ونظراً لتوزع الطاقة الحركية للإلكترون الوارد على اقتلاع عدد من الإلكترونات من المسرى الثانوي، وإكسابها طاقة حركية، فإن طاقة كل من هذه الإلكترونات الثانوية تكون ضعيفة، وعليه فإن هذه الإلكترونات تتطلب تسريعاً وتركيزاً من جديد لترد على المسرى الثانوي التالي الذي يطبق عليه جهد يقارب 200فولط بالنسبة للمهبط الضوئي. وهكذا تتكرر عملية توليد الإلكترونات الثانوية عشر مرات أو اثنتي عشرة مرة فيولِّد كل إلكترون صادر عن المهبط الضوئي مليون إلكترون ثانوي ترد في نهاية المطاف على المصعد الذي يطبق عليه جهد يقارب 1000فولط . يتضح في ضوء ما ذكر أن الصمام المضاعف الضوئي لا يضاعف الضوء وإنما يضاعف عدد الإلكترونات، ومع هذا فقد شاعت تسمية الصمام الذي يفعل ذلك بالصمام المضاعف الضوئي.
 |
| الشكل (2) نماذج صناعية للصمام المضاعف الضوئي |
1ـ الحساسية sensitivity: إن أفضل مضاعف ضوئي يتحسس بكل إلكترون صادر عن المهبط الضوئي يسببه فوتون ضوئي وحيد.
2ـ الربح الثابت constant gain: ويتحقق ذلك بفضل وصل المساري الثانوية بسلسلة من المقاومات المختارة بدقة والموصولة على التسلسل، والتي يطبق عليها جهد عالٍ من رتبة 1000فولط ثابت لا يتغير بدقة 1%.
3ـ زمن الاستجابة response time: يساعد زمن الاستجابة القصير على فصل الإشارات الضوئية القصيرة المتقاربة زمنياً فيما بينها، ويتحدد زمن الاستجابة هذا بالمدة الزمنية التي تتطلبها الإلكترونات الثانوية كي تقطع مساراتها المختلفة وهي من رتبة البيكوثانية أي 10ـ12ثانية. ويعد هذا الزمن أساسيّاً عند استخدام المضاعف الضوئي لعدِّ الجسيمات النووية، ويلاحظ أن الصمام المضاعف الضوئي ذا الستائر المبين في الشكل (1) يتصف بأقصر زمن استجابة، لأن الإلكترونات تتبع مساراً مستقيماًَ. يستخدم المضاعف الضوئي لقياس الشدات الضوئية الضعيفة جداً كما هي الحال عند قياس الشدات الضوئية للنجوم والسُّدم والمجرَّات، كما يستخدم في كشف الجسيمات النووية، وعندها يستقبل المضاعف الضوئي الضوء الصادر عن مادة شفافة تتفلور لدى مرور الجسيمات عبرها. ويظهر في الشكل (2) نماذج صناعية للصمام بأبعاد مختلفة.
أحمد حصري