Elément multiplicateur à haute efficacité de collection, dispositif multiplicateur comportant cet élément multiplicateur et application à un tube photomultiplicateur

Abstract

 Multiplication électronique par émission secondaire.
Elément multiplicateur (10) d'électrons à émission secondaire composé, d'une part, d'une première plaque métallique (11) percée d'au moins un trou (12) multiplicateur, présentant une ouverture (13) d'entrée et une ouverture (14) de sortie, et, d'autre part, une deuxième plaque métallique (16), parallèle à la première (11), percée d'au moins un trou (17) auxilliaire disposé en regard de l'ouverture (14) de sortie du trou multiplicateur (12), la deuxième plaque (16) étant portée à un potentiel électrique (VI), supérieur au potentiel électrique (VO) de ladite première plaque. Les ouvertures (13, 14) sont telles que la projection droite (18) de l'ouverture (14) de sortie du trou multiplicateur (12) sur un plan parallèle à la première plaque métallique (11) est au moins partiellement située à l'extérieur de la projection correspondante (19) de l'ouverture (13) d'entrée.
Application aux tubes photomultiplicateurs.

Description

[0001] La présente invention concerne un élément multiplicateur d'électrons à émission secondaire composé, d'une part, d'une première plaque métallique percée d'au moins un trou, dit trou multiplicateur, présentant une ouverture d'entrée et une ouverture de sortie, et dont la paroi est douée de pouvoir émissif, et, d'autre part, une deuxième plaque métallique, parallèle à la première, percée d'au moins un trou, dit trou auxilliaire, disposé en regard de l'ouverture de sortie du trou multiplicateur, la deuxième plaque, électriquement isolée de la première, étant portée à un potentiel électrique supérieur au potentiel électrique de ladite première plaque.

[0002] L'invention concerne également un dispositif multiplicateur d'électrons comportant N éléments multiplicateurs conformes au préambule, une application dudit dispositif multiplicateur d'électrons à un tube photomultiplicateur et un procédé de réalisation dudit élément multiplicateur d'électrons.

[0003] L'invention trouve une application particulièrement avantageuse dans le domaine des tubes photomultiplicateurs.

[0004] Un élément multiplicateur du type de celui décrit dans le préambule est connu de la demande de brevet français N° 2 549 288. Cette demande de brevet montre un élément multiplicateur dont les trous multiplicateurs sont, soit symétriques, c'est à dire que les ouvertures d'entrée et de sortie sont coaxiales, soit dissymétriques, c'est à dire que les ouvertures d'entrée et de sortie sont décalées l'une par rapport à l'autre, l'ouverture de sortie restant cependant en regard de l'ouverture d'entrée. Cette structure d'élément multiplicateur d'électrons présente l'inconvénient d'offrir une efficacité de collection limitée par le fait que de nombreux électrons incidents peuvent traverser l'élément multiplicateur sans subir de multiplication sur la paroi des trous multiplicateurs, en passant directement à travers les ouvertures d'entrée et de sortie. D'autre part, cette perte d'efficacité de collection se reproduit à chaque étage d'un dispositif multiplicateur comportant N éléments multiplicateurs du type connu, et se traduit donc par une perte de gain, un défaut de linéarité et un allongement du temps de réponse, par exemple lorsque ledit dispositif multiplicateur est incorporé à un tube photomultiplicateur.

[0005] Le but de l'invention est de remédier à ces inconvénients en proposant un élément multiplicateur d'électrons présentant une efficacité de collection augmentée. En effet, selon la présente invention, un élément multiplicateur d'électrons à émission secondaire composé, d'une part, d'une première plaque métallique percée d'au moins un trou, dit trou multiplicateur, présentant une ouverture d'entrée et une ouverture de sortie, et dont la paroi est douée de pouvoir émissif, et, d'autre part, une deuxième plaque métallique, parallèle à la première, percée d'au moins un trou, dit trou auxilliaire, disposé en regard de l'ouverture de sortie du trou multiplicateur, la deuxième plaque, électriquement isolée de la première, étant portée à un potentiel électrique supérieur au potentiel électrique de ladite première plaque, est notamment remarquable en ce que la projection droite de l'ouverture de sortie du trou multiplicateur sur un plan parallèle à la première plaque métallique est au moins partiellement située à l'extérieur de la projection correspondante de l'ouverture d'entrée.

[0006] Ainsi, la plupart des électrons incidents arrivant sur l'élément multiplicateur d'électrons selon l'invention, à l'exception de ceux, peu nombreux, se présentant sous une incidence trop grande, rencontrent la paroi du trou multiplicateur et y subissent donc une multiplication. Des essais effectués par la Demanderesse sur des trous multiplicateurs à ouvertures totalement décalées ont montre que l'efficacité de collection d'un tel élément multiplicateur était très sensiblement augmentée, et ceci bien que l'on puisse penser que, compte-tenu des dimensions relativement grandes du trou multiplicateur, des électrons multipliés pourraient revenir sur la paroi dudit trou et seraient ainsi perdus. Ce fait expérimental accrédite l'idée d'une possibilité de rebond sans perte des électrons sur la paroi du trou multiplicateur.

[0007] Dans un mode très général de réalisation de l'élement multiplicateur selon l'invention, ladite première plaque métallique est percée d'une pluralité de trous multiplicateurs disposés selon un réseau plan régulier. Ce réseau plan régulier peut être carré ou hexagonal, de même que les ouvertures d'entrée et de sortie sont circulaires, carrées ou hexagonales.

[0008] L'élément multiplicateur selon l'invention peut être avantageusement utilisé pour réaliser un dispositif multiplicateur d'électrons comportant N éléments multiplicateurs selon l'invention, remarquable en ce que la deuxième plaque métallique du ième élément multiplicateur est portée à un potentiel électrique identique au potentiel électrique de la première plaque métallique du (i+l)ièmes élément multiplicateur.

[0009] On assure ainsi une meilleure collection des électrons entre un élément multiplicateur et le suivant, lorsque ceux-ci sont relativement éloignés. Outre une efficacité de collection améliorée, le dispositif multiplicateur d'électrons selon l'invention offre également la possibilité de formation d'image. Deux types de géométrie peuvent être envisagés, l'une dans laquelle lesdits N éléments multiplicateurs sont en configuration parallèle les uns par rapport aux autres. Dans une autre géométrie plus avantageuse, lesdits N éléments multiplicateurs sont en configuration tête-bêche les uns par rapport aux autres, ce qui permet, à chaque multiplication, de replier le faisceau électronique sur lui-même.

[0010] Le dispositif multiplicateur selon l'invention s'applique de façon avantageuse à un tube photomultiplicateur comportant une photocathode et n anodes adjacentes. Dans cette application, il est prévu, selon l'invention, que ledit dispositif multiplicateur est placé à proximité de la photocathode et est divisé en n dispositifs multiplicateurs secondaires par des cloisons étanches aux électrons, situées sensiblement en regard des zones de séparation de deux anodes contigües de façon à réaliser n tubes photomultiplicateurs secondaires dans le même tube photomultiplicateur.

[0011] Enfin, un procédé de réalisation d'une première plaque métallique d'un élément multiplicateur d'électrons selon l'invention est principalement remarquable en ce que les deux faces d'une même plaque métallique sont simultanément attaquées, chacune à l'aide de jeux de masques dont les fenêtres successives vont en augmentant de taille et sont décalées les unes par rapport aux autres, les fenêtres du dernier jeu de masques reproduisant respectivement la forme de l'ouverture d'entrée et de l'ouverture de sortie du trou multiplicateur.

[0012] La description qui va suivre en regard des dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs, fera bien comprendre en quoi consiste l'invention et comment elle peut être réalisée.

[0013] Les figures la et Ib montrent, en coupe et en vue de dessus, un premier mode de réalisation d'un élément multiplicateur d'électrons selon l'invention.

[0014] Les figures 2a et 2b montrent, en coupe et en vue de dessus, un deuxième mode de réalisation d'un élément multiplicateur d'électrons selon l'invention.

[0015] Les figures 3a et 3b montrent, en coupe et en vue de dessus, un troisième mode de réalisation d'un élément multiplicateur d'électrons selon l'invention.

[0016] La figure 4 est une vue en coupe d'un premier dispositif multiplicateur d'électrons selon l'invention.

[0017] La figure 5 est une vue en coupe d'un deuxième dispositif multiplicateur d'électrons selon l'invention.

[0018] La figure 6 montre en coupe un tube photomultiplicateur comportant un dispositif multiplicateur analogue à celui de la figure 5.

[0019] La figure 7 illustre par une vue en coupe un procédé de réalisation d'une première plaque d'un élément multiplicateur conforme à l'invention.

[0020] Les figures 1, 2 et 3 montrent en coupe (figures la, 2a, 3a) et en vue de dessus (figures Ib, 2b, 3b), un élément multiplicateur 10 d'électrons à émission secondaire, composé, d'une part, d'une première plaque métallique 11 percée de trous 12, dits trous multiplicateurs, présentant une ouverture 13 d'entrée et une ouverture 14 de sortie. La paroi intérieure 15 des trous multiplicateurs 12 est douée de pouvoir émissif. Pour cela, la première plaque métallique 11 est réalisée dans un matériau susceptible d'émission secondaire comme l'alliage cuivre-béryllium, après chauffage, migration du béryllium et oxydation. Elle peut être également réalisée dans un matériau peu coûteux, comme l'acier doux, recouvert d'un matériau à émission secondaire : couche d'alliage cuivre-béryllium oxydé ou couche d'oxyde de manganèse.

[0021] D'autre part, l'élément multiplicateur 10 est composé d'une deuxième plaque métallique 16, parallèle à la première, percée de trous 17, dits trous auxilliaires, disposés en regard des ouvertures 14 de sortie des trous multiplicateurs 12. Cette deuxième plaque métallique 16 est électriquement isolée de la première plaque 11, l'isolation électrique des deux plaques 11 et 16 pouvant être réalisée, par exemple, à l'aide de petites billes 30 de verre, de 100 à 200 um de diamètre, scellées à la périphérie desdites plaques. La deuxième plaque métallique 16 est portée à un potentiel électrique Vl supérieur au potentiel électrique VO de ladite première plaque 11, la deuxième plaque 16 jouant ainsi le rôle d'électrode accélératrice.

[0022] Comme on peut le voir sur l'ensemble des figures la, lb, 2a, 2b et 3a, 3b, la projection droite 18 de l'ouverture 14 de sortie du trou multiplicateur 12 sur un plan P parallèle à la première plaque métallique 11 est au moins partiellement, ici entièrement, située à l'extérieur de la projection correspondante 19 de l'ouverture 13 d'entrée. Cette configuration offre aux électrons incidents 50 dont l'angle d'incidence n'est pas trop grand une surface maximale de capture par la paroi 15 multiplicatrice. En d'autres termes, la plupart des électrons pénétrant dans le trou multiplicateur 12 par l'ouverture 13 d'entrée ne pourront en sortir directement par l'ouverture 14 de sortie, mais donneront lieu à émission secondaire contribuant ainsi à une augmentation sensible de l'efficacité de collection de l'élément multiplicateur 10, comme la Demanderesse l'a observé expérimentalement. Ceci permet de penser que des électrons qui frappent la paroi multiplicatrice 15 relativement loin de l'ouverture 14 de sortie et qui ne sortent pas directement après multiplication peuvent rebondir sans perte sur la paroi avant de sortir par ladite ouverture de sortie.

[0023] Ainsi qu'on peut le voir aux figures Ib, 2b et 3b, ladite première plaque métallique 11 est percée d'une pluralité de trous multiplicateurs 12 disposés selon un réseau plan régulier. Conformément à la figure Ib, ledit réseau plan régulier est un réseau hexagonal et lesdites ouvertures (13,14) d'entrée et de sortie sont circulaires. Les figures 2b et 3b donnent deux configurations que permettent d'augmenter la surface utile de multiplication de la première plaque 11. Selon la figure 2b, le réseau plan régulier de trous multiplicateurs (12) est un réseau hexagonal, lesdites ouvertures 13 d'entrée sont hexagonales et les ouvertures 14 de sortie circulaires tandis qu'en référence à la figure 3b, le réseau plan régulier de trous multiplicateurs 12 est un réseau carré, les ouvertures 13 d'entrée sont carrées et les ouvertures 14 de sortie circulaires.

[0024] Les figures 4 et 5 montrent en coupe deux dispositifs multiplicateurs d'électrons comportant N (ici N=3) éléments multiplicateurs du type de ceux décrits précédemment aux figures 1, 2 et 3. Les potentiels électriques appliqués à chacune des première 11 et deuxième 16 plaques de chaque élément multiplicateur sont tels que la deuxième plaque métallique 16 du ième élément multiplicateur est portée à un potentiel électrique V_li identique au potentiel électrique VO_(i+1) du (i+l)ème élément multiplicateur. Nous avons donc les égalités :

[0025] Le dispositif multiplicateur de la figure 4 est tel que les éléments multiplicateurs 10 sont en configuration parallèle les uns par rapport aux autres. Cette configuration, si elle maintient une-correspondance univoque entre les électrons sortant du (i+2) ième élément multiplicateur et les électrons entrant dans le ième élément multiplicateur conduit cependant à un décalage spacial entre électrons entrant et électrons sortant du dispositif multiplicateur. Le dispositif montré à la figure 5 permet d'éviter ce décalage, en ce sens que les éléments multiplicateurs 10 sont en configuration tête-bêche consécutivement les uns par rapport aux autres.

[0026] Le dispositif multiplicateur d'électrons selon l'invention trouve une application particulièrement avantageuse dans le domaine des tubes photomultiplicateurs, notamment des tubes dits à focalisation de proximité. La figure 6 montre, par une vue en coupe, un exemple d'une telle application à un tube photomultiplicateur comportant une photocathode 20 et n (ici n=2) anodes adjacentes 21. Conformément à la figure 6, ledit dispositif multiplicateur 22 est placé à proximité de la photocathode 20 et est divisé en n dispositifs multiplicateurs secondaires 23 par des cloisons 24 étanches aux électrons, situés sensiblement en regard des zones de séparation de deux anodes 21 contigües de façon à réaliser n tubes photomultiplicateurs secondaires dans le même tube photomultiplicateur. Les tubes du type de celui représenté à la figure 6 peuvent être avantageusement utilisés en physique nucléaire pour la localisation précise des particules élémentaires détectées. Les cloisons étanches 24 sont réalisées de façon classique par masquage et photogravure d'une plaque métallique.

[0027] La figure 7 illustre un procédé de réalisation d'une première plaque métallique 11 d'un élément multiplicateur d'électrons du genre de ceux décrits ci-dessus. Selon ce procédé, les deux faces d'une même plaque métallique 11 sont simultanément attaquées, par photogravure, à l'aide de jeux de masques, 31/41, 32/42 et 33/43, dont les fenêtres successives vont en augmentant de taille et sont décalées les unes par rapport aux autres, les fenêtres du dernier jeu de masques 33/43 reproduisant respectivement la forme de l'ouverture 13 d'entrée et de l'ouverture 14 de sortie du trou multiplicateur 12. La Demanderesse a réalisé, par ce procédé, une plaque métallique à trous multiplicateurs dont l'épaisseur était de 0,15 mm, pour des dimensions respectives dl, d2 d'ouvertures de 0,6 mm et 0,3 mm.

Revendications

1. Elément multiplicateur (10) d'électrons à émission secondaire composé, d'une part, d'une première plaque métallique (11) percée d'au moins un trou (12), dit trou multiplicateur, présentant une ouverture (13) d'entrée et une ouverture (14) de sortie, et dont la paroi (15) est douée de pouvoir émissif, et, d'autre part, une deuxième plaque métallique (16), parallèle à la première (11), percée d'au moins un trou (17), dit trou auxilliaire, disposé en regard de l'ouverture (14) de sortie du trou multiplicateur (12), la deuxième plaque (16), électriquement isolée de la première (11), étant portée à un potentiel électrique (VI) supérieur au potentiel électrique (VO) de ladite première plaque, caractérisé en ce que la projection droite (18) de l'ouverture (14) de sortie du trou multiplicateur (12) sur un plan parallèle à la première plaque métallique (11) est au moins partiellement située à l'extérieur de la projection correspondante (19) de l'ouverture (13) d'entrée.

2. Elément multiplicateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite première plaque métallique (11) est percée d'une pluralité de trous multiplicateurs (12) disposés selon un réseau plan régulier.

3. Elément multiplicateur selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit réseau plan régulier de trous multiplicateurs (12) est un réseau carré, et en ce que ladite ouverture (13) d'entrée est carrée et ladite ouverture (14) de sortie circulaire.

4. Elément multiplicateur selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit réseau plan régulier de trous multiplicateurs (12) est un réseau hexagonal, et en ce que lesdites ouvertures (13,14) d'entrée et de sortie sont circulaires.

5. Elément multiplicateur selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit réseau plan régulier de trous multiplicateurs (12) est un réseau hexagonal, et en ce que ladite ouverture (13) d'entrée est hexagonale et ladite ouverture (14) de sortie circulaire.

6. Dispositif multiplicateur d'électrons comportant N éléments multiplicateurs selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la deuxième plaque métallique (16) du ième élément multiplicateur est portée à un potentiel électrique identique au potentiel électrique de la première plaque métallique (11) du (i+1)ième élément multiplicateur.

7. Dispositif multiplicateur d'électrons selon la revendication 6, caractérisé en ce que lesdits N éléments multiplicateurs (10) sont en configuration parallèle les uns par rapport aux autres.

8. Dispositif multiplicateur d'électrons selon la revendication 6, caractérisé en ce que lesdits N éléments multiplicateurs (10) sont en configuration tête-bêche consécutivement les uns par rapport aux autres.

9. Application d'un dispositif multiplicateur d'électrons selon l'une des revendications 6 à 8 à un tube photomultiplicateur comportant une photocathode (20) et n anodes adjacentes (21), caractérisé en ce que ledit dispositif multiplicateur (22) est placé à proximité de la photocathode (20) et est divisé en n dispositifs multiplicateurs secondaires (23) par des cloisons (24) étanches aux électrons, situées sensiblement en regard des zones de séparation de deux anodes (21) contigües de façon à réaliser n tubes photomultiplicateurs secondaires dans le même tube photomultiplicateur.

10. Procédé de réalisation d'une première plaque métallique d'un élément multiplicateur d'électrons selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les deux faces d'une même plaque métallique (11) sont simultanément attaquées, chacune à l'aide de jeux de masques (31/41, 32/42, 33/43) dont les fenêtres successives vont en augmentant de taille et sont décalées les unes par rapport aux autres, les fenêtres du dernier jeu de masques (33,43) reproduisant respectivement la forme de l'ouverture (13) d'entrée et de l'ouverture (14) de sortie du trou multiplicateur (12).

Dessins