Un tub fotomultiplicator folosește două principii științifice pentru a amplifica efectul unui singur foton incident. Sunt realizate în multe configurații diferite de materiale sensibile la lumină și unghiuri de lumină incidentă pentru a obține un câștig mare și un răspuns la zgomot scăzut în domeniul lor de lucru de frecvențe ultraviolete, vizibile și infraroșu apropiat. Dezvoltate inițial ca o cameră de televiziune mai receptivă, tuburile fotomultiplicatoare se găsesc acum în multe aplicații.
Odată cu inventarea semiconductorilor, tuburile vidate au fost în mare măsură eliminate din industria electronică, cu excepția tubului fotomultiplicator. În acest dispozitiv, un singur foton trece printr-o fereastră sau o placă frontală și lovește un fotocatod, un electrod realizat dintr-un material fotoelectric. Acest material absoarbe energia fotonului de lumină la frecvențe specifice și emite electroni într-un rezultat numit efect fotoelectric.
Efectele acestor electroni emiși sunt amplificate prin utilizarea principiului emisiei secundare. Electronii emiși de fotocatod sunt concentrați pe prima dintr-o serie de plăci multiplicatoare de electroni numite dinode. La fiecare dinodă, electronii care intră provoacă emiți suplimentari de electroni. Are loc un efect de cascadă, iar fotonul incident a fost amplificat sau detectat. Prin urmare, baza denumirii „fotomultiplicator”, semnalul foarte mic al unui singur foton este întărit până la punctul în care este ușor de detectat prin fluxul de curent din tubul fotomultiplicator.
Răspunsurile spectrale ale tubului fotomultiplicator se datorează în primul rând două elemente de proiectare. Tipul de fereastră determină ce fotoni pot trece în dispozitiv. Materialul fotocatod determină răspunsul la foton. Alte variații ale designului includ ferestre montate la capătul tubului sau ferestre laterale în care fluxul de fotoni este respins de fotocatod. Deoarece câștigul sau amplificarea este limitată de procesul de emisie secundară și nu crește odată cu creșterea tensiunii de accelerare, au fost dezvoltate fotomultiplicatoare cu mai multe etape.
Răspunsul fotocatodului depinde de frecvența fotonului incident, nu de numărul de fotoni primiți. Dacă numărul de fotoni crește, curentul electric generat crește, dar frecvența electronilor emiși este constantă pentru orice combinație fereastră-fotocatod, rezultat pe care Albert Einstein l-a folosit ca dovadă a naturii particulelor luminii.
Câștigul unui tub fotomultiplicator variază de până la 100 de milioane de ori. Această proprietate, împreună cu zgomotul scăzut sau semnalul nejustificat, face ca aceste tuburi de vid să fie indispensabile în detectarea unui număr foarte mic de fotoni. Această capacitate de detectare este utilă în astronomie, vederea nocturnă, imagistica medicală și alte utilizări. Sunt utilizate versiuni cu semiconductor, dar fotomultiplicatorul cu tub vid este mai potrivit pentru detectarea fotonilor de lumină care nu sunt colimați, ceea ce înseamnă că razele de lumină nu călătoresc pe căi paralele între ele.
Fotomultiplicatoarele au fost dezvoltate pentru prima dată ca camere de televiziune, ceea ce a permis transmisiilor de televiziune să treacă dincolo de fotografiile de studio cu lumini strălucitoare la setari mai naturale sau la raportare la fața locului. Deși au fost înlocuite cu dispozitive cuplate cu încărcare (CCD) în această aplicație, tuburile fotomultiplicatoare sunt încă specificate pe scară largă. O mare parte a lucrărilor de dezvoltare a tubului fotomultiplicator a fost efectuată de RCA în unități din Statele Unite și fosta Uniune Sovietică în a doua jumătate a secolului al XX-lea. În primele decenii ale secolului 20, majoritatea tuburilor fotomultiplicatoare din lume sunt fabricate de o firmă japoneză, Hamamatsu Photonics.