Un tube photomultiplicateur utilise deux principes scientifiques pour amplifier l'effet d'un photon incident. Ils sont réalisés dans de nombreuses configurations différentes de matériaux sensibles à la lumière et des angles de lumière incidente pour obtenir un gain élevé et un faible bruit de réponse dans leur zone de travail de fréquences ultraviolettes, visibles, et dans le proche infrarouge. Développé à l'origine comme une caméra de télévision plus réactif, tubes photomultiplicateurs sont maintenant dans de nombreuses applications.
Avec l'invention de semi-conducteurs, les tubes à vide ont été en grande partie éliminés de l'industrie électronique, à l'exception du tube photomultiplicateur. Dans ce dispositif, un seul photon passe à travers une fenêtre ou une plaque de face d'incidence et une photocathode, une électrode constituée d'un matériau photo-électrique. Ce matériau absorbe l'énergie du photon de la lumière à des fréquences spécifiques et émet des électrons à un résultat appelé l'effet photoélectrique.
Les effets de ces électrons émis sont amplifiés par l'utilisation du principe de l'émission secondaire. Les électrons émis par la photocathode sont focalisés sur la première d'une série de plaques de multiplicateur d'électrons appelées dynodes. À chaque dynode, les électrons entrants provoquer des électrons supplémentaires à émettre. Un effet boule de neige se produit, et le photon incident a été amplifié ou détectés. Par conséquent, la base de la dénomination "photomultiplicateur," le signal de très faible d'un photon unique est renforcée à l'endroit où elle est facilement détectable par la circulation du courant du tube photomultiplicateur.
Les réponses spectrales du tube photomultiplicateur sont dues principalement à deux éléments de conception. Le type de fenêtre détermine les photons peuvent passer dans le dispositif. La photocathode matériau détermine la réponse au photon. D'autres variations sur la conception comprennent l'extrémité du tube monté fenêtres ou les vitres latérales où le flux de photons est rebondi sur la photocathode. Comme le gain ou l'amplification est limitée par le processus d'émission secondaire et n'augmente pas avec une tension plus grande accélération, à plusieurs étages photomultiplicateurs ont été développés.
La réponse photocathode dépend de la fréquence du photon incident, pas le nombre de photons reçus. Si l'augmentation du nombre de photons, le courant électrique généré augmente, mais la fréquence des électrons émis est constant pour toute combinaison fenêtre photocathode, un résultat que Albert Einstein utilisé comme preuve de la nature corpusculaire de la lumière.
Le gain d'un tube photomultiplicateur des distances allant jusqu'à 100 millions de fois. Cette propriété, ainsi que le faible niveau de bruit ou signal injustifiée, rend ces tubes à vide indispensables à la détection de très petits nombres de photons. Cette capacité de détection est utile en astronomie, vision de nuit, l'imagerie médicale et d'autres utilisations. Versions semi-conducteurs sont utilisés, mais le tube à vide photomultiplicateur est mieux adapté à la détection de photons de lumière qui ne sont pas collimatés, à savoir les rayons lumineux ne sont pas de déplacement des trajectoires parallèles les uns aux autres.
Photomultiplicateurs ont d'abord été développés comme les caméras de télévision, ce qui a permis la télédiffusion de se déplacer au-delà de photos de studio avec des lumières brillantes à d'autres paramètres physiques ou sur le site d'information. Bien qu'ils aient été remplacés par des dispositifs à couplage de charge (CCD) dans cette application, les tubes photomultiplicateurs sont encore largement spécifiés. Une grande partie du travail de développement sur le tube photomultiplicateur a été réalisée par RCA dans des installations aux États-Unis et l'ancienne Union soviétique dans la seconde moitié du 20e siècle. Dans les premières décennies du 21e siècle, la plupart des tubes photomultiplicateurs dans le monde sont fabriqués par une entreprise japonaise, Hamamatsu Photonics.