Brevet FR2504728A1 — publié le 19821029

"DISPOSITIF MULIPLICA2EUR D'ELEClRON ET APPLICATION AUX PHOTOMULllPLICAlEURS" La présente invention concerne un dispositif multiplicateur d'électrons par émission secondaire, comportant notamment une première électrode multiplicatrice constituée par un ensemble d'éléments multiplicateurs d'électrons spatialement répartis, au moins dans une direction, dite direction principale, en une structure répétitive de pas donné, ladite première électrode étant portée à un potentiel électrique donné. Elle concerne également une application du dispositif multiplicateur d'électrons selon l'invention à la réalisation d'un tube photomultiplicateur. Dans la suite du présent mémoire, on entendra par "élément multiplicateur d'électrons toute zone de la première électrode, revêtue d'un matériau à émission secondaire et dont la très grande majorité des électrons secondaires émis est collectée par une deuxième électrode placée au voisinage de la première électrode. Un dispositif multiplicateur d'électrons conforme au préambule est connu, par exemple, du brevet fran çais n 2 299 722. Ce brevet décrit un multiplicateur d'électrons par émission secondaire constituée par une plaque métallique, dite "plaque à canaux", dans laquelle sont amé nagé s des éléments multiplicateurs formés par des canaux traversant la plaque sur toute son épaisseur, les parois de ces canaux portant une couche d'un matériau à émission secondaire.L'avantage d'une telle structure de multiplicateurs d'électrons est qu'elle permet, sous un encombrement réduit, la multiplication d'électrons incidents se présentant, au niveau de la plaque, sous la forme d'un faisceau large, par exemple un faisceau cylindrique, et ceci sans qu1il soit nXcesssaire d'utiliser une optique électronique de focalisation. D'autre part, une structure répétitive de faible pas se prête bien à la formation d'images intensifiées. Toutefois, ce type de multiplicateurs d'électrons présente un inconvénient qui réside dans le fait qu'un certain nombre d'électrons incidents ne donnent pas lieu à émission secondaire, soit qu'ils traversent directement ladite première électrode sans rencontrer d'él6- ments multiplicateurs, soit qu'ils atteignent la première électrode en des endroits d'où les électrons secondaires ne peuvent autre extraits, par exemple entre deux canaux d'une "plaque à canaux". Le but de la présente invention est de remédier à cet inconvénient. Elle est basée sur l'idée que l'on pourrait augmenter l'efficacité de collection de la première électrode en modifiant les trajectoires des électrons incidents de sorte qu'ils se concentrent préférentiellement au niveau des éléments multiplicateurs d'électrons. En effet, selon la présente invention, un dispositif multiplicateur d'électrons par émission secondaire, comportant notamment une première électrode multiplicatrice constituée par un ensemble d'éléments multiplicateurs d'électrons spatialement répartis, au moins dans une direction, dite direction principale, en une structure répétitive de pas donné, ladite première électrode étant portée à un potentiel électrique donné, est notamment .remarquable en ce qu'il comporte également au moins une grille déflectrice d'électrons constituée par un ensemble d'éléments déflecteurs spatialement répartis, au moins dans une direction, dite direction principale de grille, en une structure répétitive de pas donné, dit pas de grille, et en ce que la direction principale de grille est sensiblement parallèle à la direction principale de la première électrode, le pas de grille étant égal au pas de la première électrode ou à un sous-multiple de ce pas, et en ce que ladite grille déflectrice est portée à un autre po- tentiel électrique donné,-dit potentiel de grille. Ainsi, avant d'atteindre la première électrode les électrons incidents sont déviés par la grille déflectrice de sorte que le faisceau, initialement sensiblement homogène, formé par ces électrons incidents, est transformé en une pluralité de faisceaux secondaires après passage de la grille. Comme on le verra plus loindans des exemples de réalisation de l'invention, il est possible, en ajutau, d'une part, la position de la grille par rapport à la première électrode et, d'autre part, le potentiel de grille par rapport au potentiel de la première électrode, de faire converger en grande partie les faisceaux secondaires sur les éléments multiplicateurs d'électrons et ainsi d'augmenter de façon très sensible l'efficacité de collection de la première électrode. Dans une forme de mise en oeuvre préférentielle de l'invention, le potentiel de grille est inférieur au potentiel de la première électrode, afin d'éviter que les électrons incidents ne soient captés par la grille. Dans un premier mode de réalisation d'un dispositif multiplicateur d'électrons selon l'invention dont la première électrode multiplicatrice est constituée par un ensemble d'éléments multiplicateurs d'électrons ayant la forme de lamelles métalliques planes, parallèles, se déduisant l'une de l'autre par une première translation dont la direction et le module correspondent respectivement à la direction principale et au pas de la première électrode, il est prévu que ensemble des éléments déflecteurs est constitué par un réseau de lames métalliques, parallèles et perpendiculaires à la direction principale de la première électrode, se déduisant l'unede l'autre par une deuxième translation dont la direction et le module correspondent respectivement à la direction principale de grille et au pas de grille. Dans un deuxième mode de réalisation d'un dispositif multiplicateur d'électrons selon l'invention dont la première électrode multiplicatrice est constituée par un ensemble d'éléments multiplicateurs d'électrons ayant la forme de lamelles métalliques de révolution autour d'un même axe de révolution, la direction principale de la première électrode étant définie par toute direction perpendiculaire à l'axe de révolution et passant par celui-ci, et la distance séparant, dans cette direction, deux lamelles métalliques de révolution consécutives étant définie comme le pas de la première électrode, on envisage que l'ensemble des éléments déflecteurs est constitué, dans un plan perpendiculaire à l'axe de révolution, par des fils métalliques disposés en cercles concentriques dont le centre commun est situé sur ledit axe de révolution, la direction principale de grille étant définie par la direction de tout diamètre commun auxdits cercles concentriques, et la distance entre deux cercles concentriques consécutifs étant égale au pas de grille. Dans un troisième mode de réalisation d'un dispositif multiplicateur d'électrons selon l'invention dont la première électrode est du type "plaque à canaux", lesdits canaux traversant ladite plaque sur toute son épaisseur en des emplacements formant un réseau bidimensionnel dans lequel ladite direction principale de pas donné est constituée par une première direction et une deuxième direction formant entre elles un angle A, on pré- voit que l'ensemble des éléments déflecteurs est constitué par deux réseaux, dits premier et deuxième réseau, de fils métalliques parallèles et coplanaires, les fils métalliques de chacun des réseaux se déduisant l'un de l'autre par une translation dont la direction et le module correspondent respectivement à ladite direction principale de grille et audit pas de grille, et en ce que la direction principale de grille du premier réseau fait l'angle A avec ia direction principale de grille du deuxième réseau. Dans un quatrième mode de réalisation d'un dispositif multiplicateur d'électrons selon l'invention dont la première électrode est du type "plaque à canaux, lesdits canaux traversant ladite plaque sur toute son épaisseur en des emplacements formant un réseau bidimensionnel dans lequel ladite-direction principale de pas donné est constituée par une première direction et une deuxième direction faisant entre elles un angle de 600, il est prévu que l'ensemble des éléments déflecteurs est constitué par des fils métalliques formant une pluralité d'hexagones possédant un centre de symétrie situé sur l'axe des canaux, les directions des côtés desdits hexagones étant confondues avec les directions des médiatrices des segments joignant deux centres de symétrie consécutifs, tandis que deux sommets opposés de chaque hexagone sont reliés par un fil métallique, et en ce que lesdits hexagones forment un réseau bidimensionnel dans lequel ladite direction principale de grille de pas donné est constituée par la première direction et la deuxième direction de la première électrode, le pas de grille étant égal au pas de la première électrode. Enfin, le dispo-sitif multiplicateur d'électrons selon l'invention est, d'une façon générale, destiné à équiper tout système d'intensification d'un faisceau électronique, et notamment les tubes photomultiplicateurs. En effet, une application du dispositif multiplicateur d'électrons selon l'invention à la réalisation d'un tube photomultiplicateur est principalement remarquable en ce que, ladite première électrode multiplicatrice constituant la première dynode du tube photomultiplicateur, ladite grille déflectrice est située entre cette première dynode et la photocathode du tube photomultiplicateur. Les dynodes d'ordre supérieur auront, de préférence mais sans que cela soit nécessaire, une structure répétitive analogue à celle de la première dynode.Les tubes photomultiplicateurs ainsi munis du dispositif multiplicateur d'électrons conforme à l'invention présente, au niveau de la première dynode, une efficacité de collection améliorée et une dispersion plus faible du temps de transit entre la première et la deuxième dynodes. La description qui va suivre en regard des dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs, permettra de bien comprendre en quoi consiste l'invention et comment elle peut être réalisée. La figure 1 est une vue en perspective d'un premier mode de réalisation du dispositif multiplicateur d'électrons selon l'invention. La figure 2 est une vue en coupe suivant la ligne II-II du dispositif multiplicateur d'électrons de la figure 1. La figure 3 est une vue de dessus d'un deuxième mode de réalisation du dispositif multiplicateur d'électrons selon l'inventi-on. La figure 4 est une vue en coupe suivant la ligne III-III du dispositif multiplicateur d'électrons de la figure 3. La figure 5 est une vue de dessus d'un troisième mode de réalisation d'un dispositif multiplicateur d'électrons selon l'invention. La figure 6 est une vue en coupe suivant la ligne IV-IV du dispositif multiplicateur d'électrons de la figure 5. La figure 7 est une vue de dessus d'un quatrième mode de réalisation du dispositif multiplicateur d'électrons selon l'invention. La figure 8 est une vue en coupe suivant la ligne V-V du dispositif multiplicateur d'électrons de la figure 7. La figure 9 est une vue en coupe d'un tube photomultiplicateur équipé d'un dispositif multiplicateur d'électrons selon l'invention. La figure 1 montre, en perspective, et la figure 2, en coupe suivant la ligne II-II de la figure 1, un premier mode de réalisation d'un dispositif multiplicateur d'électrons selon l'invention. Ce dispositif comporte une première électrode multiplicatrice il constituée par un ensemble d'éléments multiplicateurs d'électrons qui, dans le mode de réalisation représenté aux figures I et 2, sont des lamelles 13 métalliques planes, parallèles et portant sur leur face 14 une couche d'un matériau à émission secondaire.Ces lamelles 13 sont spatialement réparties, dans la direction représentée-par la ligne 15, dite direction principale, en une structure répétitive de pas donné, dans laquelle les lamelles 13 se déduisent l'une de l'autre par une première translation dont la direction et le module correspondent respectivement à la direction principale 15 et au pas 1 de la première électrode Il Cette première électrode est portée à un potentiel électrique e donné. Le dispositif multiplicateur d'électrons représenté aux figures 1 et 2 comporte en outre une grille déflectrice 12 d'électrons formée par un ensemble d'éléments déflecteurs constitué par un réseau de lames métalliques 16, parallèles et perpendiculaires à la direction principale 15 de la première électrode.Ces lames métalliques 16 sont spatialement répartis, dans la direction 17 de la ligne 11-11, dite direction principale de grille en une structure répétitive de pas Pg1 donné, dit pas de grille, dans laquelle les lames métalliques 1 se déduisent l'une de l'autre par une deuxième translation dont la direction et le module correspondent respectivement à la direction principale 17 de grille et au pas Pg1 de grille, la direction principale 17 de grille étant sensiblement parallèle à la direction principale 15 de la première électrode et le pas Pg1 de grille étant égal au pas de la première électrode.La grille déflectrice 12 est portée à un autre potentiel électrique Vg , dit potentiel de grille, qui, dans un mode de mise en oeuvre préférentiel de l'invention, est inférieur au potentiel Va de la première électrode 11. La figure 2 montre l'effet du potentiel répulsif de la grille sur la trajectoire 18 de ceux des électrons incidents qui, en l'absence de grille, traverseraient directement la première électrode sans multiplication secondaire. A titre d'exemple, la Demanderesse a étudié un dispositif multiplicateur d'électrons conforme à l'invention dans lequel la grille 12 est située à 0,8 mm de la première électrode 11, les potentiels électriques Va et Vg étant respectivement égaux à 200 V et 50 V. Dans l'exemple de réalisation montré aux figuras 1 et 2, les lames métalliques 1o de la grille 12 ont été placées à l'aplomb des bords 19 des lamelles 13. Il est bien entendu que, compte tenu de la géométrie des lamelles et des potentiels appliqués, la grille 12 pourra être translatée dans son plan de façon à rendre optimale l'efficacité de collection de la première électrode 11. Les figures 3 et 4 montrent un deuxième mode de réalisation d'un dispositif multiplicateur d'électrons selon l'invention, comportant une première électrode multiplicatrice 21 constituée par un ensemble d'éléments multiplicateurs d'électrons ayant la forme de lamelles métalliques 23 de révolution autour d'un meme axe 24 de révolution, spatialement réparties, dans toute direction perpendiculaire à l'axe 24 de révolution et passant par celuici, par exemple la direction 25 parallèle à la ligne III-III, dite direction principale de la première électrode, eil une structure répétitive dans laquelle la distance séparant, dans cette direction 25 principale, deux lamelles metalliquas de révolution consécutive est définie comme le pas sBe2 de oe la première électrode 21. Le dispositif multiplicateur d'électrons représenté aux figures 3 et 4 comporte également une grille 22 déflectrice d'électrons formée par un ensemble d'éléments déflecteurs constitué, dans un plan perpendiculaire à l'axe 24 de révolution, par des fils métalliques 26 disposés en cercles concentriques dont le centre commun 27 est situé sur l'axe 24 de révolution.Ces fils métalliques 26 sont spatialement répartis, dans toute direction principale de grille définie par un diamètre commun auxdits cercles concentriques, par exemple la direction 28 parallèle à la ligne III - III, en une structure répétitive dont le pas Pg2 , dit pas de grille, est défini par la distance entre deux cercles concentriques consécutifs, et est sensiblement égal au pas Pe2 de la première électrode. Les figures 5 et 6 représentent un troisième mode de réalisation d'un dispositif multiplicateur d'électrons selon l'invention, comportant une première électrode multiplicatrice 31 du type "plaque à canaux", dans laquelle les éléments multiplicateurs sont des canaux 33 traversant une plaque métallique 34 sur toute son épaisseur. Ces canaux portent sur leur paroi 35 une couche d'un matériau à émission secondaire. Dans le mode de réalisation de l'invention montré aux figures 5 et 6, les canaux 33 sont spatialement répartis en des emplacements formant un réseau bidimensionnel défini par deux directions principales, dites première direction 36 et deuxième direction 37, faisant entre elles un angle A qui vaut 900 dans le cas des figures 5 et 6.Les pas de la première électrode dans les directions 36 et 37 sont respectivement Pe3 et P'e3 le pas étant égal au pas P'e3 .Le dispositif multiplicateur d'électrons des figures 5 et 6 comporte en outre deux grilles 52 déflectrices d'électrons, chacune de ces grillas étant constituée par deux réseaux, dits premier 53 et deuxième 54 réseau, de fils métalliques 55, 56 parallèles et coplanaires, spatialement répartis, dans les directions 57, 58, dites directions principales de grille respectivement sensiblement parallèles aux directions 3ç, 37 principales de la première électrode, en deux structures répétitives dont les pas pg4 , plg4 sont égaux à la moitié des pas 3 , e3 correspondant de la première électrode 31. Les fils métalliques 55, 56 de chacun des réseaux 53, 54 se déduisent l'un de l'autre par une translation dont la direction et le module correspondent respectivement à la direction 57, 58 principale de grille et au pas pg4 , plg4 de grilla, les directions 57 et 58 principales de grille faisant entre elles l'angle A, pris égal à 900. Les grilles 52 sont portées à des potentiels électriques Vg et V'g qui peuvent éventuellement etre égaux. La figure 6 montre des trajectoires 59, 60 d'électrons incidents traversant la grille déflectrice avant émission secondaire. Les figuras 7 et 8 montrent un quatrième mode de réalisation d'un dispositif multiplicateur d'électrons selon l'invention comportant également une première électrode multiplicatrice 71 du type "plaque à canaux" dont les canaux 33 sont spatialement répartis en des emplacements formant un réseau bidimensionnel dans lequel la direction principale de pas Pe3 s P'e3 donné est constituée par une première direction 36 et une deuxième direction 37 faisant entre elles un angle de 600.Le dispositif multiplicateur d'électrons représenté aux figures 7 et 8 comporte en outre une grille déflectrice 72 d'électrons dans laquelle les éléments déflecteurs sont constitués par des fils métalliques formant une pluralité d'hexagones 73 possédant un centre de symétrie 74 situé sur l'axe 75 des canaux 33, les directions des cotés desdits hexagones 73 étant confondues avec les directions des médiatrices des segments joignant deux centres de symétrie 74 consécutifs. D'autre part, il est prévu que deux sommets opposés 76,77 de chaque hexagone sont reliés par un fil métallique 78 qui, porté au potentiel répulsif Vg de la grilla, est destiné à repousser ceux des électrons incidents dont les traåec- toires traverseraient directement les canaux 33 sans être multipliés. Les hexagones 73 forment un réseau bidimensionnel dans lequel la direction principale de grille de pas pg3 , P'g3 p' donné est constituée par la première direction 36 et la deuxième direction 37 de la première électrode 71, le pas Pg3 ,plg) de grille étant égal au pas de la première électrode. La figure 9 représente, en coupa, le schéma d'un tube photomultiplicateur équipé d'un dispositif multiplicateur 61 d'électrons selon l'invention. Dans l'exem- ple d'application de la figure 9, la première électrode 31, du type plaque à canaux", constitue la première dynode du tube photomultiplicateur. Cette première dynode 31 est associée à deux grilles déflectrices 52, analogues à celles précédemment décrites en relation avec les figures 7 et 8, et placées entre la première dynode 31 et la photocathode 62 du tube photomultiplicateur. Ainsi les photoélectrons 63 issus de la photo cathode 62, dont les traJectoires sont sensiblement normales au plan de la première dynode 31, sont déviés par les grilles déflectrices 52 de façon à limiter le nombre des photoélactrons passant directement à travers les canaux 31 ou atteignant la première dynode 31 entre lesdits canaux. Cette disposition permet d'augmenter sensiblement l'efficacité de collection de la première dynode 31, et de limiter les dispersions du temps de transit des électrons entre la première dynode 31 et la seconde dynode 64. Dans l'exemple d'application donné à la figure 9, les dynodes d'ordre supérieur ont la même structure que la première dynoda. Le signal photoélectrique est constitué par l'ensemble des électrons arrivant sur l'anode 65. REVENDICATIONS 1. Dispositif multiplicateur d'électrons par émission secondaire, comportant notamment une première électrode multiplicatrice constituée par un ensemble d'éléments multiplicateurs d'électrons spatialement répartis, au moins dans une direction, dite direction principale, en une structure répétitive de pas donné, ladite première électrode étant portée à un potentiel électrique donné, caractérisé en ce qu'il comporte également au moins une grille déflectrice d'électrons constituée par un ensemble d'éléments déflecteurs spatialement répartis, au moins dans une direction, dite direction principale de grilla, en une structure répétitive de pas donné, dit pas de grille, et en ce que la direction principale de grille est sensiblement parallèle à la direction principale de la première électrode, le pas de grille étant égal au pas de la première électrode ou à un sous-multiple de ce pas, et en ce que ladite grille déflectrice est portée à un autre -potentiel électrique donné, dit potentiel de grilla. 2. Dispositif multiplicateur d'électrons selon la revendication 1, caractérisé en ce que le potentiel de grille est inférieur au potentiel de la première électrode. 3. Dispositif multiplicateur d'électrons selon l'une des revendications 1 ou 2, et dont la première électrode multiplicatrice (11) est constituée par un ensemble d'éléments multiplicateurs d'électrons ayant la forme de lamelles métalliques (13) planes, parallèles, se déduisant l'une de l'autre par une première translation dont la direction (15) et le module (pu1) correspondent respectivement à la direction principale et au pas de la première électrode, caractérisé en ce que l'ensemble (12) des éléments déflecteurs est constitué par un réseau de lames métalliques (16), parallèles et perpendiculaires à la direction principale de la première électrode, se déduisant l'unede l'autre par une deuxième translation dont la direction (17) et le module (pg1 ) correspondent respectivement à la direction principale de grille et au pas de grille. 4. Dispositif multiplicateur d'électrons selon l'une des revendications 1 ou 2, et dont la première électrode multiplicatrice (21) est constituée par un ensemble d'éléments multiplicateurs d'électrons ayant la forme de lamelles métalliques (23) de révolution autour d'un même axe (24) de révolution, la direction principale de la première électrode étant définie par toute direction (25) perpendiculaire à l'axe (24) de révolution et passant par celui-ci, et la distance (pue2) séparant, dans cette direction (25), deux lamelles métalliques de révolution consécutives étant définie comme le pas de la première électrode (21), caractérisé en ce que l'ensemble (22) des écéments déflecteurs est constitué, dans un plan perpendiculaire à l'axe (24) de révolution, par des fils métalliques (26) disposés en cercles concentriques dont le centre commun (27) est situé sur ledit axe (24) de révolution, la direction principale de grille étant définie par la direction (28) de tout diamètre commun auxdits cercles concentriques, et la distance (pu2) entre deux cercles concentriques consécutifs étant égale au pas de grille. 5. Dispositif multiplicateur d'électrons selon l'une des revendications 6. Dispositif multiplicateur d'électrons selon la revendication 5, caractérisé en ce que, selon chaque direction principale commune à la grille et à la première électrode, le pas (pg4 ,p'g4 ) de grille est égal à la moitié du pas (P,3 e3 ) correspondant de la première électrode. 7. Dispositif multiplicateur d'électrons selon l'une des revendications 5 ou 6, caractérisé en ce que l'angle A est sensiblement égal à 900. 8. Dispositif multiplicateur d'électrons selon ltune des revendications 1 ou 2, et dont la première électrode (71) est du type plaque à canaux", lesdits canaux (33) traversant ladite plaque (34) sur toute son épaisseur en des emplacements formant un réseau bidimensionnel dans lequel ladite direction principale de pas (pe3, p'e3) e3 a donné est constituée par une première direction (36) et une deuxième direction (37) faisant entre elles un angle de 600, caractérisé en ce que l'ensemble (72) des éléments déflecteurs est constitué par des fils métalliques formant une pluralité d'hexagones (73) possédant un centre de symétrie (74) situé sur l'axe (75) des canaux (33), les directions des cotés desdits hexagones (73) étant confondues avec les directions des médiatrices des segments joignant deux centres de symétrie (74) consécutifs, tandis que deux sommets opposés (7w,77) de chaque hexagone (73) sont reliés par un fil métallique (78), et an ce que lesdits hexagones (73) forment un réseau bidimensionnel dans lequel ladite direction principale de grille de pas (pg3 , p' g3 ) donné est constituée par la première direction (36) et la deuxième direction (37) de la première électrode (71), le pas (pg3, p'g3) de grille étant égal au pas (pe3, p'e3) de la première électrode. 9. Application du dispositif multiplicateur d'électrons selon l'une quelconque des revendications 1 à 8 à la réalisation d'un tube photomultiplicateur, caractérisé en ce que, ladite première électrode multiplicatrice (31) constituant la première dynode du tube photomultiplicateur, ladite grille déflectrice (52) est située entre cette première dynode (31) et la photocathode (62) du tube photomultiplicateur.