Tube photomultiplicateur multivoies à fort pouvoir de résolution entre signaux

Abstract

 Tube photomultiplicateur à N voies parallèles, comportant une fenêtre (10) d'entrée et un multiplicateur (20) d'électrons du type "à plaques à trous", cloisonné en N multiplicateurs élémentaires (20a), et dont le premier étage comprend une électrode (30) d'entrée et une première électrode émettrice (40). Selon l'invention, les parois (41) des trous (42) de ladite première électrode émettrice (40) sont recouvertes d'un matériau photoémissif (43).
Application à la détection des particules élémentaires en physique nucléaire.

Description

[0001] La présente invention concerne un tube photomulti­plicateur à N voies parallèles, comportant une fenêtre d'en­trée et un multiplicateur d'électrons du type "à plaques à trous", cloisonné en N multiplicateurs élémentaires, et dont le premier étage comprend une électrode d'entrée et une pre­mière électrode émettrice.

[0002] L'invention trouve une application particulièrement avantageuse dans le domaine de la physique nucléaire et, plus spécialement, dans la détection et la localisation précise des particules élémentaires.

[0003] On connaît du brevet européen n° 0 131 339 un tube photomultiplicateur conforme au préambule dont la première électrode émettrice est une première demi-dynode émettrice, et dont les étages supérieurs, au-delà du premier étage, sont constitués de dynodes formées de deux demi-dynodes se présen­tant, de même que la première demi-dynode émettrice, comme des plaques conductrices percées de trous; la première demi-dynode est une demi-dynode extractrice, tandis que la deuxième demi-­dynode, pourvued'émission secondaire, est la demi-dynode émettrice. Les deux demi-dynodes d'une même dynode sont pré­vues pour être portées sensiblement au même potentiel électri­que et, en fonctionnement, un des rôles joué par la demi-dyno­de extractrice est d'attirer vers la demi-dynode émettrice, en les faisant passer à travers ses propres trous, les électrons secondaires produits sur les parois des trous de la demi-dynode émettrice précédente, elle-même portée à un poten­tiel électrique plus faible. Généralement, la demi-dynode ex­tractrice et la demi-dynode émettrice précédente à laquelle elle est associée sont placées à faible distance l'une de l'autre et présentent la même structure en ce sens que leurs trous respectifs se correspondent. Dans le cas particulier du premier étage, la demi-dynode extractrice n'est pas, une plaque à trous comme les autres demi-dynodes du multiplicateur, mais est une électrode d'entrée constituée par une grille simple ou double de forte transparence vis à vis des photoélectrons, émis par la photocathode déposée sur la fenêtre d'entrée, et que ladite électrode d'entrée est chargée d'attirer, pour multiplication secondaire, sur la première demi-dynode émettrice.

[0004] Par ailleurs, chaque demi-dynode extractrice, ainsi que l'électrode d'entrée, sert également à blinder électri­quement la demi-dynode émettrice de la même paire de façon que le champ électrique dans l'espace compris entre ces deux demi-dynodes soit faible, au champ près créé par la demi-dynode extractrice suivante associée à ladite demi-dynode émettrice. En effet, en l'absence de blindage, les électrons secondaires produits par la demi-dynode émettrice seraient soumis dès leur sortie à un champ électrique trop important qui les ferait aussitôt retomber à l'endroit même où ils ont été créés.

[0005] Le tube photomultiplicateur connu de l'état de la technique est utilisé en physique nucléaire pour la détection précise des particules élémentaires. A cet effet et dans le but d'augmenter la résolution spatiale de l'observation, ce tube est cloisonné de manière à réaliser N (N=4,9,16,...) tubes photomultiplicateurs élémentaires dans l'enveloppe d'un seul tube. C'est pourquoi le multiplicateur d'électrons lui-même est divisé par des cloisons étanches aux électrons en N multiplicateurs élémentaires qui débouchent sur N anodes contigües situées à proximité et en regard de la sortie des multiplicateurs élémentaires respectifs.

[0006] Afin de définir, sur la photocathode déposée sur la fenêtre d'entrée du tube, N photocathodes élémentaires corres­pondant aux N voies de multiplication et d'éviter toute dia­photie entre lesdites photocathodes élémentaires, le multipli­cateur d'électrons à plaques à trous est placé au voisinage immédiat de la photocathode. De cette manière, tout photon atteignant une photocathode élémentaire donnée produit des photoélectrons qui seront tous collectés par le multiplicateur élémentaire correspondant.

[0007] Toutefois, malgré les précautions prises, il s'avè­re expérimentalement que le tube photomultiplicateur cloisonné connu présente néanmoins une certaine diaphotie entre voies. L'explication de ce phénomène parasite se trouve dans la ré­partition statistique des vitesses initiales des électrons se­condaires produits par les demi-dynodes émettrices. Il appa­raît que la plupart des électrons secondaires ont, certes, une vitesse initiale suffisamment faible pour que, sous l'effet du champ extracteur, ils traversent la demi-dynode émettrice par l'ouverture de sortie même du trou sur la paroi duquel ils ont pris naissance. Ces électrons secondaires ne donnent pas lieu à diaphotie. Cependant, on constate qu'un certain nombre d'é­lectrons secondaires acquièrent une vitesse initiale suffisam­ment élevée pouvant être égale à celle des électrons inci­dents, ce sont les électrons rétrodiffusés et élastiques qui peuvent parcourir des distances équivalentes à plusieurs trous. Dans les étages supérieurs du multiplicateur, ces élec­trons sont arrêtés par les cloisons étanches, mais dans le premier étage, dépourvu de cloisonnement, les électrons rétro­diffusés élastiquement, produits par la première demi-dynode émettrice sont susceptibles de passer d'une voie à une autre et de provoquer ainsi la diaphotie observée.

[0008] Aussi, le problème technique à résoudre par l'objet de la présente invention est de réaliser un tube photomulti­plicateur conforme au préambule qui ne présenterait pas de diaphotie au niveau au premier étage, tout en maintenant l'in­dispensable focalisation de proximité du tube connu de l'état de la technique.

[0009] La solution au problème technique posé consiste, selon la présente invention, en ce que les parois des trous de la première électrode émettrice sont recouvertes d'un matériau photoémissif. Ainsi, l'invention revient à réaliser la trans­duction des photons incidents en photoélectrons non pas sur une photocathode déposée de façon classique sur la fenêtre d'entrée du tube photomultiplicateur, mais sur les trous de la première électrode émettrice elle-même dont la fonction, au lieu de multiplier des électrons incidents, est alors de pro­duire des photoélectrons dont la particularité est d'avoir tous une faible vitesse initiale qui ne leur permet pas de traverser la première électrode émettrice par un autre trou que celui où ils ont été créés. L'effet technique caractéris­tique résultant de l'invention est donc d'éviter le phénomène de "rebond élastique" observé dans le tube connu précédemment décrit, et, par conséquent, de ne pas provoquer de diaphotie sur le premier étage du multiplicateur d'électrons, conformé­ment à l'objectif assigné en regard du problème technique po­se.

[0010] Dans le tube photomultiplicateur selon l'invention, l'électrode d'entrée associée à la première électrode émettri­ce ne joue plus le rôle d'extraction des photoélectrons, comme dans le tube connu, puisque ceux-ci sont produits en aval et non plus en amont de ladite électrode d'entrée. Par contre, celle-ci conserve toujours son rôle de blindage de la première électrode émettrice, devenue photocathode conformément aux dispositions de la présente invention.

[0011] De façon à obtenir une sensibilité maximale, l'électrode d'entrée doit offrir la transparence optique la plus grande. Dans ce but, ladite électrode d'entrée peut se présenter sous la forme d'une grille conductrice analogue à celle déjà utilisée dans l'état de la technique, mais pour la­quelle la transparence exigée s'exerçait de manière équivalen­te à l'égard des photoélectrons incidents. La transmission op­tique de l'étage d'entrée du tube peut alors être encore amé­liorée lorsque, selon l'invention, l'électrode d'entrée est une grille conductrice constituée de fils disposés en regard des trous de la première électrode émettrice et réfléchissant la lumière incidente vers les parois desdits trous. Ainsi, la lumière qui serait perdue par réflexion arrière sur les fils de la grille est récupérée par effet de miroir en direction des trous photoémissifs de la première électrode émettrice. Un autre moyen d'obtenir une transparence optique satisfaisante consiste, selon l'invention, en ce que l'électrode d'entrée est réalisée en une couche mince d'un matériau conducteur dé­posée sur la fenêtre d'entrée. Ce mode de réalisation particu­lier a l'avantage d'être de mise en oeuvre aisée et peu oné­reuse.

[0012] Enfin, l'efficacité de transduction de la photoca­thode du tube photomultiplicateur selon l'invention peut être encore augmentée si les parois des trous de la première élec­trode émettrice comportent une couche d'un matériau réflecteur sur laquelle est déposé ledit matériau photoémissif. De cette manière, le trajet de la lumière incidente à travers le maté­riau photoémissif se trouve allongé par réflexion, ce qui tend à accroître la probabilité de transformation des photons en photoélectrons.

[0013] 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.

La figure 1 est une vue en coupe d'un tube photo­multiplicateur selon l'invention.

La figure 2 montre une coupe d'une variante de réa­lisation de l'étage d'entrée du tube photomultiplicateur de la figure 1.

[0014] La figure 1 représente, en coupe, un tube photomul­tiplicateur à N voies parallèles, N pouvant atteindre 64 par exemple. Ce tube comporte une fenêtre 10 d'entrée, en verre ou en quartz, et un multiplicateur 20 d'électrons du type "à pla­ques à trous", cloisonné en N multiplicateurs élémentaires 20a. Le premier étage du multiplicateur 20 d'électrons com­prend une électrode 30 d'entrée et une première électrode émettrice 40. Puis, on trouve dans les étages supérieurs une série de dynodes constituées de deux demi-dynodes en forme de plaques à trous, dont l'une, telle que D′₂ ou D′₃, est la demi-dynode extractrice, et l'autre, comme D₂ ou D₃, est la demi-dynode émettrice qui, douée d'émission secondaire, a pour rôle de multiplier les électrons incidents sur les parois de ses trous. Les deux demi-dynodes d'une même dynode sont por­tées au même potentiel électrique, alors que chaque dynode est portée à un potentiel électrique supérieur à celui de la dyno­de précédente. C'est pourquoi les demi-dynodes émettrice 40, D₂, D₃,..., sont séparées des demi-dynodes extractrices sui­vantes D′₂, D′₃,..., par des entretoises isolantes 60, comme des petites billes de résine par exemple. Ainsi que le montre la figure 1, les N multiplicateurs élémentaires 20a débouchent sur N anodes adjacentes 60a et sont séparés les uns des autres par des cloisons 21a étanches aux électrons, réalisées par masquage et photogravure.

[0015] Comme on peut le voir à la figure 1, les parois 41 des trous 42 de ladite première électrode émettrice 40 sont recouvertes d'un matériau photoémissif 43. A titre d'exemple, ledit matériau photoémissif peut être un antimoniure alcalin composé d'antimoine et d'un ou plusieurs alcalins parmi le po­tassium, le sodium et le césium. La première électrode émet­trice 40 joue alors le rôle de photocathode qui transforme les photons incidents 70 en photoélectrons 71 dont la vitesse ini­tiale n'est pas suffisante pour passer d'un trou à un autre, et qui, par conséquent, ne peuvent provoquer de diaphotie entre les voies. Dans le mode de réalisation montré à la figu­re 1, l'électrode 30 d'entrée est réalisée en une couche mince d'un matériau conducteur déposée sur la fenêtre 30 d'entrée. Cette électrode d'entrée assure une bonne transparence optique vis à vis des photons incidents 70 et, d'autre part, étant portée à un potentiel électrique égal ou faiblement inférieur à celui de la première électrode émettrice 40, elle assure le blindage de ladite première électrode émettrice de façon à éviter le retour des photoélectrons 71 sur les parois 41 des trous 42.

[0016] La figure 2 montre un autre mode de réalisation de l'invention dans lequel les parois 41 des trous 42 de la pre­mière électrode émettrice 40 comportent une couche 44 d'un ma­tériau réflecteur sur laquelle est déposé ledit matériau pho­toémissif 43. La couche réflectrice 44 peut être, par exemple, constituée par de l'aluminium. Cette disposition avantageuse de l'invention a pour effet d'augmenter le trajet des photons incidents 70 à l'intérieur du matériau photoémissif 43 dans le but d'améliorer le rendement de transduction des photons incidents en photoélectrons 71.

[0017] Toujours sur la figure 2, on observe que, dans le cas où l'électrode 30 d'entrée est une grille conductrice constituée de fils 31 disposés en regard des trous 42 de la première électrode émettrice 40, lesdits fils 31 ont une forme telle qu'ils réfléchissent la lumière incidente 70 sur les parois 41 desdits trous. La transparence optique de la grille 30 se trouve alors augmentée, ainsi que l'efficacité du tube photomultiplicateur selon l'invention.

Revendications

1. Tube photomultiplicateur à N voies parallèles, com­portant une fenêtre (10) d'entrée et un multiplicateur (20) d'électrons du type "à plaques à trous", cloisonné en N multi­plicateurs élémentaires (20a), et dont le premier étage com­prend une électrode (30) d'entrée et une première électrode émettrice (40), caractérisé en ce que les parois (41) des trous (42) de ladite première électrode émettrice (40) sont recouvertes d'un matériau photoémissif (43).

2. Tube photomultiplicateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les parois (41) des trous (42) de la première électrode émettrice (40) comportent une couche (44) d'un matériau réflecteur sur laquelle est déposé ledit maté­riau photoémissif (43).

3. Tube photomultiplicateur selon l'une des revendica­tions 1 ou 2, caractérisé en ce que l'électrode (30) d'entrée est réalisée en une couche mince d'un matériau conducteur dé­posée sur la fenêtre (10) d'entrée.

4. Tube photomultiplicateur selon l'une des revendica­tions 1 ou 2, caractérisé en ce que l'électrode (30) d'entrée est une grille conductrice constituée de fils (31) disposés en regard des trous (42) de la première électrode émettrice (40) et réfléchissant la lumière incidente (70) sur les parois (41) desdits trous.

Dessins