[0001] La présente invention concerne un dispositif de détection photoélectrique pour un
rayonnement de longueur d'one comprise dans un certain domaine, lequel dispositif
comprend dans une enveloppe à vide une couche photoémissive supportée par un substrat
qui est transparent au rayonnement incident et en outre, pour l'adaptation optique,
une couche intermédiaire transparente audit rayonnement, disposée entre la couche
photoémissive et le substrat, l'indice de réfraction du matériau constitutif de la
couche intermédiaire étant compris entre celui du substrat et celui du matériau de
la couche photoémissive.
[0002] De tels dispositifs peuvent être par exemple des cellules photoélectriques, des tubes
intensifica- teurs d'image, des tubes image intégrés dans des systèmes de prise de
vues de télévision ou encore des photomultiplicateurs.
[0003] Quand un dispositif de détection photoélectrique comporte une couche photoémissive
déposée directement sur un substrat, il en résulte en général une mauvaise adaptation
optique de la couche photoémissive sur le substrat si bien qu'une bonne partie de
la lumière incidente sur le substrat est mal utilisée pour la conversion des photons
en électrons. L'efficacité de détection photoélectrique du dispositif s'en trouve
considérablement réduite. Il est connu d'améliorer cette efficacité en atténuant les
phénomènes de réflexion qui se produisent à l'interface substrat-couche photoémissive
au moyen d'une ou plusieurs couches intermédiaires transparentes au rayonnement incident
placées entre substrat et couche photoémissive.
[0004] Un tel dispositif ne comportant qu'une seule couche intermédiaire, comme selon l'invention,
fait l'objet par exemple du brevet des Etats-Unis d'Amérique n° 3 254 253. La couche
intermédiaire introduite est choisie pour sa faible absorption. Par ailleurs, ses
constantes optiques et son épaisseur sont telles que, compte tenu des constantes optiques
du substrat et de la couche photoémissive, les lumières réfléchies respectivement
à l'interface substrat-couche intermédiaire et à l'interface couche intermédiaire-couche
photoémissive sont sensiblement de même amplitude et de phase opposées, si bien qu'elles
tendent à s'annuler mutuellement par interférence.
[0005] Un tel dispositif atténue considérablement les pertes dues aux phénomènes de réflexion
mais ne représente pas nécessairement le dispositif qui, construit avec des couches
de même composition, présenterait le rendement de photoémission optimal.
[0006] Le but de l'invention est de proposer un dispositif de détection photoélectrique
comprenant une couche photoémissive supportée par un substrat transparent aux radiations
incidentes avec couche intermédiaire également transparente, entre substrat et couche
photoémissive, le rendement de photoémission dudit dispositif étant optimal compte
tenu de la nature des matériaux constitutifs respectivement du substrat et des couches
photoémissive et intermédiaire.
[0007] Ce but est atteint pour les longueurs d'onde indiquées par les dispositifs selon
les revendications 1 et 2. Des réalisations particulières sont définies dans les revendications
3 et 4. Le préambule est caractérisé en ce que l'épaisseur e de la couche photoémissive
et l'épaisseur e
i de la couche intermédiaire sont proportionnées de telle sorte que l'absorption des
photons du domaine de longueur d'onde considéré s'effectue préférentiellement dans
la couche photoémissive au voisinage de l'interface de ladite couche avec le vide
du dispositif, dans une tranche d'épaisseur, mesurée à partir de ladite interface,
de l'ordre de grandeur de la profondeur.
[0008] Pour naître, l'invention se fonde sur les expressions théoriques du rendement de
photoémission d'un dispositif de détection photoélectrique avec ou sans couche intermédiaire
entre substrat et couche photoémissive, l'absorption de la lumière dans la couche
photoémissive étant supposée s'effectuer dans la couche photoémissive.
[0009] En l'absence de couche intermédiaire, ce rendement est fonction de l'épaisseur e
de la couche photoémissive et de ses constantes optiques n, k (n indice de réfraction
et k indice d'extinction du matériau). Son expression s'écrit:

dans laquelle les symboles ont la signification suivante:
- x distance mesurée entre l'interface couche photoémissive vide du tube (x = 0) et
le lieu d'absorption des photons dans la couche;
- W énergie des photoélectrons;
- Aλ (n, k, x) fonction d'absorption de la radiation de longueur d'onde À dans la couche
photoémissive à la distance x de l'interface couche photoémissive vide;
- P(W, 0) propabilité de sortie des photoélectrons à l'interface couche photoémissive
vide (x = 0), prise égale à l'unité dans les applications qui suivent;
- L profondeur d'échappement des photoélectrons de la couche photoémissive;
- f(x, L) loi caractérisant le transport des électrons dans la couche;
- e épaisseur de la couche photoémissive.
[0010] En présence d'une couche intermédiaire d'épaisseur e
1 et de constantes optiques ni, k
1 (ni indice de réfraction, k
1 indice d'extinction) entre le substrat et la couche photoémissive, la fonction d'absorption
AI des photons dans la couche photoémissive est fonction non seulement de n, k, x
mais aussi de e
1, ni, k
i et l'expression donnant le rendement p'
λ de photoémission de la structure s'écrit:

[0011] Des applications numériques des expressions (1) et (2) en prenant comme loi de transport
des électrons

(où e représente ici le nombre de Neper) pour quelques cas théoriques, suivies de
vérifications expérimentales servent à illustrer l'invention. Les matériaux utilisés
pour le substrat présentent un indice de réfraction de grandeur de l'ordre de 1,5
à 2 et ceux, utilisés pour la couche intermédiaire transparente (k
1≠0), un indice de réfraction plus grand que celui du substrat et plus petit que celui
de la couche photoémissive.
[0012] L'invention est décrite ci-après plus en détail au moyen d'exemples en référence
à des dessins qui représentent:
Figure 1: une vue schématique en coupe du dispositif de photoémission selon l'invention.
Figure 2: un réseau de courbes en coordonnées cartésiennes indiquant le rendement
de photoémission du dispositif en fonction de l'épaisseur e de la couche photoémissive
pour différentes valeurs e1 de la couche intermédiaire à la longueur d'onde λ = 436 nm, le matériau photoémissif
étant (Sb Na2 K, Cs) et celui de la couche intermédiaire Ti02.
Figure 3: un réseau de courbes semblables indiquant le rendement de photoémission
du dispositif à la longueur d'onde λ = 546 nm.
Figure 4: un réseau de courbes semblables indiquant le rendement de photoémission
du dispositif à la longueur d'onde λ = 800 nm.
Figure 5: un réseau de courbes indiquant la sensibilité énergétique en fonction de
l'épaisseur e de couche photoémissive d'un dispositif de photoémission avec et sans
couche intermédiaire en TiO2 d'épaisseur e1 = 50 nm.
Figure 6: la sensibilité spectrale énergétique d'un dispositif de photoémission selon
l'invention en fonction de la longueur d'onde de la lumière, avec couche intermédiaire
d'épaisseur e1 = 50 nm en Ti02 et couche photoémissive d'épaisseur e = 90 nm en (Sb Na2 K, Cs), et la sensibilité de la même couche photoémissive d'épaisseur 130 nm déposée
directement sur le substrat de verre (couche dite S 25).
[0013] La figure 1 est une vue en coupe d'une réalisation d'un dispositif dans lequel le
substrat consiste en un disque 11 transparent au rayonnement sur lequel sont déposées
la couche photoémissive 12 d'épaisseur e et la couche intermédiaire 13 d'épaisseur
e
1 transparente également aux radiations. Cet empilement est censé constituer l'entrée
d'un tube photoélectrique, la lumière à détecter se présentant du côté gauche de l'empilement
dans le sens de la flèche 14, le vide du tube 15 se trouvant du côté droit.
[0014] Selon un premier mode de réalisation, l'invention se propose d'améliorer le rendement
de photoémission par rapport à une couche photoémissive de référence déposée directement
sur un substrat, cette amélioration étant mise en évidence dans des domaines du spectre
de lumière centré sur les longueurs d'ondes du bleu (λ = 436 nm), du vert (λ = 546
nm) et du rouge (λ = 800 nm). Cette couche de référence, par exemple du type S 20
trialcaline de formule chimique (Sb Na
2 K, Cs) est déposée sur un substrat d'indice de réfraction de l'ordre de 1,5. Le rendement
ρλ de photoémission d'une telle couche est maximal dans chacun des domaines pour une
certaine valeur de l'épaisseur e de la couche. L'ordre de grandeur de cette valeur
apparaît sur la ligne 2 du tableau 1 ci-après en fonction du domaine spectral. Sur
la ligne 3 du même tableau est indiqué le rendement de photoémission correspondant
exprimé en électrons par 100 photons incidents. Selon ce premier mode de réalisation,
la couche intermédiaire introduite entre la couche photoémissive et le substrat est
une couche par exemple en TiO
2 d'indice de réfraction 2,6. Sur les figures 2, 3, 4 sont représentées en coordonnées
cartésiennes les variations en fonction de l'épaisseur e de la couche photoémissive,
du rendement de photoémission du dispositif construit pour des lumières respectivement
bleue, verte et rouge centrées sur les longueurs d'onde λ respectivement: λ = 436
nm, λ = 546 nm, λ = 800 nm. Sur ces figures, chaque courbe correspond à une valeur
de e
1 de la couche intermédiaire, cette valeur étant indiquée en regard de chaque courbe.
Le rendement p'λ de photoémission du dispositif est optimal dans chacun des domaines
spectraux lorsque les couples de valeurs de e et e
1 sont ceux indiqués aux lignes 4 et 5 du tableau I, le rendement étant pour sa part
indiqué à la ligne 6. Sur la ligne 7 on a indiqué le rapport

égal à 1,3; 1,25; 1,1; dans les domaines spectraux respectivement bleu, vert et rouge.
Le gain photoémissif le plus important est donc obtenu en lumière bleu avec une épaisseur
de photocathode comparable aux couches photoémissives de type S 20 de même composition
déposée directement sur le substrat.
[0015] Le dispositif de détection photoélectrique selon l'invention ne se limite pas à celle
correspondant à des épaisseurs e et e
1 dont les couples de valeurs sont ceux indiqués sur le tableau I.

[0016] En effet, comme il apparaît sur chacune des figures 2, 3, 4, il existe d'autres couples
de valeurs pour lesquelles le rendement de photoémission est sensiblement optimal.
Chaque couple de valeurs correspond à une variante de l'invention. Ces couples de
valeurs apparaissent pour chacun des domaines spectraux dans le tableau Il ci-après.

[0017] Dans les domaines spectraux bleu et vert, les couples des valeurs se groupent dans
deux ensembles correspondant chacun à une somme des épaisseurs e et e
j sensiblement constante à savoir dans le bleu e+e
1 = 145 nm et e+e
i = 70 nm et dans le vert e+e
1 = 190 nm, e+e
1 = 90 nm. Dans le domaine rouge les couples des valeurs forment un ensemble pour lequel
e + e
1 = 145 nm. Compte tenu de la précision des mesures, l'invention s'étend aux dispositifs
pour lesquels la somme e+e
1 est égale aux valeurs précédemment indiquées à 15% près. Pour des domaines de longueurs
d'onde différents, l'invention conduit à des dispositifs se définissant de manière
analogue et dont les sommes e+e
1 sont caractéristiques des domaines spectraux considérés.
[0018] Un second mode de réalisation de l'invention consiste dans l'utilisation de certains
des dispositifs obtenus selon le premier mode de réalisation comme dispositif de détection
photoélectrique dans le spectre visible et proche infrarouge avec obtention d'une
uniformité de sensibilité dans ledit spectre aussi bonne que possible. Le dispositif
choisi est par exemple celui pour lequel les matériaux de couches photoémissive et
intermédiaire sont respectivement (Sb Na
2 K, Cs) et TiO
2 avec des épaisseurs e et e
1 de l'ordre e
1 = 50 nm et e = 90 nm. La figure 5 représente à ce sujet trois couples de courbes répertoriés
B, V, R indiquant la sensiblité énergétique, exprimée en mA par Watt de dispositifs
de détection photoélectrique dans les domaines, respectivement bleu, vert, rouge du
spectre en fonction de l'épaisseur de la couche photoémissive, les courbes en pointillés
correspondant à un dispositif avec un dépôt direct de la couche photoémissive sur
le substrat, les courbes en traits pleins à un dispositif avec couche photoémissive
déposée sur couche intermédiaire d'épaisseur e
l = 50 nm entre substrat et couche photoémissive, la probabilité P(W, 0) de sortie
des électrons de la couche photoémissive étant prise égale à 0,5 dans tous les cas.
L'ensemble de ces courbes permet de comparer la sensibilité du dispositif photoélectrique
selon l'invention avec celle d'une couche photoémissive S 25 déposée directement sur
le verre et dont l'épaisseur serait 130 nm. Ce gain photoémissif obtenu, selon l'invention,
par rapport à la couche S 25 est de l'ordre de 1,1 dans le rouge, 1,5 dans le vert,
2,5 dans le bleu. Les conséquences apparaissent sur les courbes 61 et 62 de la figure
6 représentant les variations, en fonction de la longueur d'onde λ de la lumière,
de la sensibilité énergétique exprimée en mA par Watt respectivement de la couche
S 25 et du dispositif selon l'invention. Par rapport à la couche S 25, la sensibilité
se trouve augmentée dans le bleu et le vert et de ce fait présente une certaine uniformité.
[0019] Il va de soi que l'invention s'étend à tous les dispositifs comportant sur le substrat
une couche photoémissive et une couche intermédiaire transparente (K
1≠0) dont l'indice de réfraction du matériau est compris entre celui du substrat et
celui du matériau photoémissif.
[0020] Ainsi, selon des variantes de ces modes de réalisation, la couche photoémissive est
bialca- line de formule chimique Sb Ax By dans laquelle A et B sont des éléments alcalins
et x, y des coefficients, s'il s'agit d'accroître les sensibilités dans le bleu et
le vert ou encore de type Sb Ax s'il s'agit d'accroître la sensibilité seulement dans
le bleu ou encore de type Ag 0 Cs pour l'accroissement de la sensibilité dans tout
le spectre visible et proche infrarouge de la lumière. Par ailleurs, le matériau TiO
2 de la couche intermédiaire est par exemple remplacé par Ta
2O
5 ou encore In
2 O
3 ou Sn 0
2 (sauf en cas de présence de sodium) ou SiO, Mn O,Al
2O
3 Si
3N
4, Mg O ou encore un verre au lanthane préparé en couche mince. Lorsque les matériaux
des couches photoémissive et intermédiaire sont ceux précédemment indiqués, les épaisseurs
e et e
1 du dispositif se trouvent avoir sensiblement les mêmes valeurs que celles indiquées
dans les tableaux 1 et Il, des variations de 15% étant autorisées sans s'écarter sensiblement
de l'optimalisation du rendement de photoémission du dispositif.
[0021] Parmi les autres avantages présentés par les dispositifs selon l'invention, on peut
noter la faiblesse des épaisseurs de couche photoémissive par rapport à celles dans
les dispositifs de l'art antérieur et, par ailleurs, le fait que certaines des couches
intermédiaires par exemple Sn0
2 et In203, en présentant une résistance électrique très faible, permettent une stabilisation
du potentiel électrique à la surface de la couche photoémissive favorable à son fonctionnement
en photocathode.
1. Dispositif de détection photoélectrique pour un rayonnement de longueur d'onde
comprise dans un certain domaine, lequel dispositif comprend dans une enveloppe à
vide une couche photoémissive (12) d'épaisseur e supportée par un substrat (11) qui
est transparent au rayonnement incident et en outre, pour l'adaptation optique, une
couche intermédiaire (13) transparente audit rayonnement et d'épaisseur e
1 disposée entre la couche photoémissive et le substrat, l'indice de réfraction de
matériau constructif de la couche intermédiaire étant compris entre celui du substrat
et celui du matériau de la couche photoémissive, caractérisé en ce que pour obtenir
un rendement de photoémission maximal dans le bleu, ou dans le vert ou dans le rouge,
on choisit les épaisseurs e
1 et e parmi les couples de valeurs figurant dans le tableau suivant:

les épaisseurs étant soumises à une tolérance de 15%, les couples des valeurs se groupant,
dans les domaines du bleu et du vert, selon deux ensembles avec e+e
1 = 145 nm et e+e
1 = 70 nm dans le bleu et e+e
1 = 190 nm et e+e
1 = 90 nm dans le vert, et dans le rouge selon un ensemble avec e+e
1 = 145 nm.
2. Dispositif de détection photoélectrique pour la détection de radiations de longueurs
d'onde appartenant au spectre visible et au proche infrarouge avec une bonne uniformité
de sensibilité énergétique spectrale, lequel dispositif comprend dans une enveloppe
à vide une couche photoémissive (12) d'épaisseur e supportée par un substrat (11)
qui est transparent au rayonnement incident et en outre, pour l'adaptation optique,
une couche intermédiaire (13) transparente audit rayonnement et d'épaisseur e1, disposée entre la couche photoémissive et le substrat, l'indice de réfraction du
matériau constitutif de la couche intermédiaire étant compris entre celui du substrat
et celui du matériau de la couche photoémissive, caractérisé en ce que les valeurs
de e et e1 sont respectivement: e1 = 50 nm et e = 90 nm avec une tolérance de 15%.
3. Dispositif de détection photoélectrique selon une des revendications 1 ou 2, caractérisé
en ce que le matériau photoémissif est l'un des matériaux suivants: Sb K2 Cs, Sb K2 Rb, Sn Rb2 Cs, Sb Cs3, Ag 0 Cs, et en ce que le matériau de couche intermédiaire (13) est l'un des matériaux
suivants: TiO2, Ta2O5, In2O3, Sn O2, SiO, MnO, Al2O3, Si3N4, MgO, verre au lanthane.
4. Dispositif de détection photoélectrique selon une des revendications 1 ou 2, caractérisé
en ce que le matériau photoémissif est l'un des matériaux suivants: Sb K2 Cs, Sb Na2 K Cs, Sb K2 Rb, Sb Rb2 Cs, Sb Cs3, Ag 0 Cs, et en ce que la matériau du couche intermédiaire (13) est l'un des matériaux
suivants: Ti02, Ta205, SiO, MnO, AI203, MgO, Si3N4, verre au lanthane.
1. A photoelectric detection device for radiation having wavelengths in a given range
which device comprises in an evacuated envelope a photosensitive layer (12), having
a thickness e an being supported by a substrate (11) which is transparent to incident
radiation, and which device moreover comprises an intermediate layer (13) having a
thickness e
1 for the optical adaptation which is transparent to the said radiation and is provided
between the photosensitive layer and the substrate, the refractive index of the material
of the intermediate layer being between that of the substrate and that of the material
of the photosensitive layer, characterized in that for obtaining a maximum efficiency
of photosensitivity in the blue, green or red range, the thickness e
1 and e are chosen between the sets of values in the following table:

The thickness having a tolerance of 15%, the sets of values being grouped in the blue
and green ranges in accordance with two sets, where e+e
1 = 145 nm and e+e, = 70 nm in the blue range, and where e+e
1 = 190 nm and e+e
1 = 90 nm in the green range, and in accordance with a set, where e+e
1 = 145 nm in the red range.
2. A photoelectric detection device for the detection of radiation having wavelengths
from a visible spectrum and from the near infrared with a good uniformity of the spectral
energy sensitity, which device comprises in an evacuated envelope a photosensitive
layer (12), having a thickness e and being supported by a substrate (11) which is
transparent to incident radiation, and which device moreover comprises an intermediate
layer (13) having a thickness of e1 for the optical adaptation which is transparent to the said radiation and is provided
between the photosensitive layer and the substrate, the refractive index of the material
of the intermediate layer being between that of the substrate and that of the material
of the photosensitive layer, characterized in that the values of e and e1 are: e1 = 50 nm and e = 90 nm, respectively with a tolerance of 15%.
3. A photoelectric detection device as claimed in Claim 1 or 2, characterized in that
the photosensitive material is one of the following materials: Sb K2 Cs, Sb K2 Rb, Sb Rb2 Cs, Sb Cs3, Ag 0 Cs, and the material of the intermediate layer (13) is one of the following
materials: Ti02, Ta205, In203, Sn 02, SiO, MnO, A1203, Si3N4, MgO, lanthanum glass.
4. A photoelectric detection device as claimed in Claim 1 or 2, characterized in that
the photosensitive material is one of the following materials: Sb K2 Cs, Sb Na2 K Cs, Sb K2 Rb, Sb Rb2 Cs, Sb Cs3, Ag 0 Cs and the material of the intermediate layer (13) is out of the following
materials: Ti02, Ta205, SiO, MnO, AI203, MgO, Si3N4, lanthanum glass.
1. Photoelektrische Detektoranordnung für eine Strahlung mit einer Wellenlänge in
einem bestimmten Bereich, wobei diese Anordnung in einer evakuierten Hülle eine Photoemissionsschicht
mit einer Dicke e auf einem Substrat (11) aufweist, das für einfallende Strahlung
transparent ist und ausserdem zur optischen Anpassung eine für diese Strahlung transparente
Zwischenschicht (13) mit einer Dicke e
1 aufweist, die zwischen der Photoemissionsschicht und dem Substrat vorgesehen ist,
wobei die Brechzahl der Zwischenschicht zwischen der des Substrats und der des Materials
der Photoemissionsschicht liegt, dadurch gekennzeichnet, dass zum Erzielen eines maximalen
Wirkungsgrades der Photoemission im Blauen oder im Grünen oder aber im Roten die Dicken
e
1 und e aus den Wertpaaren der untenstehenden Tabelle gewählt werden:

wobei die Dicken eine Toleranz von 15% aufweisen, und wobei die Wertpaare in den Bereichen
von Blau und Grün entsprechend zwei Kombinationen mit e+e
1 = 145 nm und e+e
1 = 70 nm im Blauen und e+e
1 = 190 nm und e+e
1 = 90 nm im Grünen und in dem Roten entsprechend einer Kombination mit e+e
1 = 145 nm.
2. Photoelektrische Detektoranordnung zum Detektieren von Strahlung mit einer Wellenlänge
in dem sichtbaren Spektrum und im nahen Infrarotbereich mit einer guten Uniformität
der spektralen Energieempfindlichkeit, wobei diese Anordnung in einer evakuierten
Hülle eine Photoemissionsschicht (12) mit einer Dicke e auf einem Substrat (11) aufweist,
das für einfallende Strahlung transparent ist und ausserdem zur optischen Anpassung
eine für diese Strahlung transparente Zwischenschicht (13) mit einer Dicke e1 aufweist, die zwischen der Photoemissionsschicht und dem Substrat vorgesehen ist,
wobei die Brechzahl des Materials der Zwischenschicht zwischen der des Substrats und
der des Materials der Photoemissionsschicht liegt, dadurch gekennzeichnet, dass die
Werte e und e1 wie folgt sind: e1 = 50 nm, und e = 90 nm mit einer Toleranz von 15%.
3. Photoelektrische Detektoranordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
dass das Photoemissionsmaterial eines der folgenden Materialien ist: Sb K2 Cs, Sb K2 Rb, Sn Rb2 Cs, Sb Cs3 Ag O Cs und dass das Material der Zwischenschicht (13) eines der folgenden Materialien
ist: Ti02, Ta205, In203, Sn 02, SiO, MnO, Al2O3, Si3N4, MgO, Lanthanglas.
4. Photoelektrische Detektionsanordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, dass das Photoemissionsmaterial eines der folgenden Materialien ist:
Sb K2 Cs, Sb Na2 K Cs, Sb K2 Rb, Sb Rb2 Cs, Sb Cs3, Ag 0 Cs und dass das Material der Zwischenschicht (13) eines der folgenden Materialien
ist: Ti02, Ta205, SiO, MnO, A1203, MgO, Si3N4, Lanthanglas.