Brevet FR2516705A1 — publié le 19830520

STRUCTURE DE DETECTION PHOTOELECTRIQUE La présente invention concerne une structure de détection photoélectrique du genre comprenant une couche photosensible supportée par un substrat transparent aux radiations incidentes d'indice de réfraction élevé de l'ordre de 2, la face dudit substrat opposée à la couche photosensible étant munie de moyens d'adaptation optique pour la transmission des radiations optiques, l'épaisseur de la couche photo- sensible étant dimensionnée pour que compte tenu de la nature de son matériau constitutif de la nature du substrat et desdits moyens optiques le rendement photoélectrique de la structure soit optimalisé pour un certain domaine spectral des radiations incidentes. Une application de la présente invention est en particulier une structure de détection utilisable en gammagraphie D'une façon générale, l'invention se trouve être en rapport étroit avec les dispo- sitifs incluant à l'entrée une telle structure de détection photoélec- trique, tels les cellules photoélectriques, les tubes intensificateurs d'image, les tubes intégrés aux systèmes de prise de vue de télévision ou encore les photomultiplicateurs Dans ces dispositifs, lorsque la structure de détection photoélectrique utilisée comporte une couche photosensible déposée directement sur le substrat, il s'ensuit généra- lement une mauvaise adaptation optique de la couche photosensible 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 et que l'efficacité de détection photoélectrique de ladite structure se trouve considérablement réduite. L'art antérieur signalé par exemple dans le brevet des Etats-Unis No 3 254 253 a prévu d'améliorer cette efficacité en atténuant les phénomènes de réflexion qui se produisent à l'interface substrat-couche photosensible au moyen d'au moins une couche intermé- diaire transparente aux radiations incidentes placée entre substrat et couche photosensible et dont l'indice de réfraction est compris entre ceux desdits substrat-et couche photosensible, respectivement de l'ordre de 1,5 et 3 L'épaisseur de la couche intermédiaire doit être ajustée pour que, compte tenu des constantes optiques des maté- riaux de substrat et de couche photosensible, les lumières réfléchies respectivement à l'interface substrat-couche intermédiaire et à l'inter- face couche intermédiaire-couche photosensible, soient sensiblement de même amplitude et de phases opposées, si bien qu'elles tendent à s'annuler mutuellement par interférence L'élaboration de cette couche intermédiaire avec une épaisseur mesurée avec précision rend délicate la construction de la structure Pour minimiser les pertes par réfle- xion à l'interface substrat-couche photoélectrique, on peut penser à choisir un substrat d'indice de réfraction plus élevé que celui du verre ordinaire C'est ce qui est réalisé du moins partiellement comme décrit dans "Actualités R T C " NI 41, Avril 1978, pp 22-23, lorsque la couche photoélectrique est déposée sur la section d'un faisceau de fibres conductrices de la lumière et dont le verre de coeur est un verre au lanthane d'indice 1,9 Mais le dispositif présente alors deux sortes d'inconvénients D'une part, la structure est surtout adaptée à une détection avec transport d'image grâce aux fibres op- tiques qu'elle comporte et beaucoup moins apte, à cause desdites fibres, à une détection de phénomènes en volume sans formation d'image. D'autre part, du fait du plus fort indice du verre de coeur de fibre par rapport à l'air, il en résulte une mauvaise adaptation optique de la structure au niveau de la face d'entrée de la structure. Le but de l'invention est de proposer une structure de détection photoélectrique de construction plus facile à réaliser, du fait de l'inexistence de couche intermédiaire entre substrat et couche photosensible, sans que le rendement photoélectrique soit sen- siblement différent Un autre but de l'invention est encore que cette structure soit apte à une détection en volume de phénomènes photoniques Pour cela l'invention propose d'utiliser comme substrat de couche photosensible une plaque massive en matériau transparent d'indice de réfraction de l'ordre de 2 De plus, pour éviter une mau- vaise adaptation de la structure du côté face d'entrée, celle-ci est munie de moyens atténuant la réflexion de radiations sur cette face. Ces moyens sont en particulier une couche anti-reflet de l'art connu. Selon une variante de l'invention, le substrat est consti- tué d'un verre au lanthane d'indice voisin de 1,9. Selon une autre variante, les moyens d'adaptation optique sur la face d'entrée du substrat de couche photosensible sont cons- titués d'un bloc de cristal scintillateur pour gammagraphie tel un cristal (Cs I, Na) ou (Cs I, Tl) d'indice de réfraction de l'ordre de 1,8 directement accolé au substrat, l'indice élevé de ce-bloc, proche de celui du substrat, permettant l'adaptation optique désirée l'inven- tion consiste alors en une structure de détection utilisable par exem- ple en gammagraphie ou en spectrométrie de photons X. L'invention apparaît sous plusieurs de ses modes de réali- sation donnés à titre d'exemples non limitatifs dans la description suivante, celle-ci étant accompagnée de dessins qui représentent Figure 1: une vue schématique de la structure photoélectrique selon l'invention. Figure 2: des courbes donnant le rendement photoélectrique en fonction de l'épaisseur de la couche photosensible d'une structure de détection photoélectrique selon un premier mode de réalisa- tion de l'invention, la couche photosensible étant trialca- line de formule (Sb Na 2 K Cs) comparé au rendement de la même couche photosensible déposée sur un verre ordinaire. Figure 3: des courbes donnant la sensibilité spectrale de la structure selon le premier mode de réalisation munie d'une couche S 20 ou S 25 et celles des mêmes couches déposées sur verre ordinaire. Figure 4: des courbes donnant le rendement photoélectrique en fonction de l'épaisseur de la couche photosensible d'une structure de détection photoélectrique selon un second mode de réalisa- tion de l'invention, la couche photosensible étant bialcaline de formule chimique Sb K 2 Cs, comparé au rendement de la même couche déposée sur un verre ordinaire. Figure 5: une vue en coupe d'un troisième mode de réalisation de l'invention comportant à l'entrée un cristal scintillateur. La figure 1 représente la structure selon l'invention com- portant le substrat constitué d'une plaque 1 l transparente aux radiations de la lumière visible et proche infrarouge, la couche photosensible 12 d'épaisseur e et la couche anti-reflet 13 sur la face de substrat opposé à la couche photosensible Sur la figure 1 les faces de la plaque l sont supposées planes et parallèles. L'invention s'étend au cas o lesdites faces sont concaves ou convexes dans la mesure o leurs courbures sont limitées'de telle sorte que l'incidence des rayons de lumière en faisceau parallèle n'excède pas 15 à 200 Cette structure est censée constituer l'en- trée 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 15 du tube se trouvant du côté droit Le substrat est constitué d'un matériau transparent à la lumière visible et proche infrarouge parmi ceux d'indice de réfraction les plus élevés de l'ordre de 2, un verre au lanthane par exemple, à comparer à celui de l'ordre de 3 des matériaux photosensibles La couche anti-reflet 13 a pour mission d'adapter optiquement ce substrat du côté extérieur au tube, lequel est placé par exemple dans l'air, donc dans un milieu d'indice de réfraction de l'ordre de 1, de manière à minimiser le plus possi- ble la réflexion des radiations à l'interface substrat-extérieur du tube Selon un premier mode de réalisation n Ie la structure, la couche photosensible 12 est constituée d'un -matériau trialcalin de formule chimique Sb Na 2 K, Cs du type de ceux constitutifs d'une couche S 20 ou S 25 Le substrat est un verre d'indice de réfraction élevé, un verre au lanthane par exemple d'indirce 1,9 et la couche anti-reflet -est 7 de l'art connu, par exemple une couche-en un matériau tel que Mg F 2, Na 3 Al F 6, Ca F 2, Sr F 2, Ba F 2, Ai F 3 r (Mg F 2, Ce F 3), Th F 4- La figure 2 donne, en valeur relative, le rendement photoélectrique P> à la longueur d'onde À des radiations, d'une telle structure photoélectrique en fonction de l'épaisseur e de la -'couche photosensible, indiquée en abscisse, pour trois longueurs d'onde de radiations respectivement X = 430 nm, À = 520 nm, X = 800 nm, situées dans les parties respectivement bleue, verte et rouge du spectre Les courbes représentatives du rendement pour chacune de ces longueurs d'onde sont respectivement les courbes en traits pleins 24, 25, 26 Ces courbes sont à comparer respectivement avec les courbes en traits interrompus 21, 22, 23 indiquant pour les mêmes longueurs d'onde le rendement photoélectrique de la structure photoélectrique comportant la même couche photosensible déposée comme habituellement sur un verre d'indice de réfraction d'environ 1,5 en fonction de l'épaisseur de ladite couche photoélectrique La comparai- son de ces rendements est indiquée dans le tableau I Pour une couche dite S 20 correspondantà une épaisseur e = 200 R, le gain est de l'ordre de 20 'O dans le bleu Pour une couche S 25 correspondant à une épaisseur e 1 200 2, le gain est de l'ordre de 15 % et 10 % respectivement dans le vert et le rouge. TABLEAU I La figure 3 indique respectivement pour une couche S 20 j 5 et une couche S 25 la sensibilité spectrale de structure selon ce premier mode de réalisation comparé à la sensibilité spectrale de structures de l'art antérieur comportant respectivement la même couche S 20 et la même couche S 25 déposées sur verre ordinaire Les courbes relatives à l'invention sont les courbes en traits pleins 31 et 32 pour les couches respectivement S 20 et S 25 Les courbes relatives à l'art antérieur sont les courbes en traits interrompus respective- ment 33 et 34. Selon un second mode de réalisation la couche photoémis- sive 12 est bialcaline de type Sb K 2 Cs, le substrat 11 est encore un verre d'indice de réfraction élevé, verre au lanthane par exemple d'indice 1,9, la couche 13 anti-reflet étant de l'art connu. La figure 4 donne, d'une façon semblable à la figure 2, les rendements photoélectriques aux deux longueurs d'onde X = 430 nm et X= 520 nm de la structure selon l'invention et de la structure Type de couche photoélectrique S 20 S 25 Bialcaline Radiation incidente bleu Vert rouge bleu vert Gain 20 % 15 % 10 %O 8 %A 6 %c comportant la même couche photosensible déposée sur un verre d'indice 1,5 Les courbes représentatives du rendement photoélectrique P en fonction de l'épaisseur de la couche sont respectivement 41, 42 pour la structure selon l'invention et 43, 44 pour l'art connu La comparai- son des résultats, résumés également dans le tableau I, indique pour une épaisseur de couche photoélectrique e = 175 Y, un gain de 8 A dans le bleu et de 6 A dans le vert. Le figure 5 représente un troisième mode de réalisation de l'invention La structure est munie du côté face d'entrée du subs- trat d'un cristal scintillateur de lumière 61 sous l'action par exem- ple de rayons X ou gamma Ce cristal 61 peut présenter la forme d'une lame à faces parallèles, le cristal ainsi que la face d'entrée du substrat de photocathode peuvent en fait avoir des formes très diverses: plane, sphérique, concave, convexe Son matériau constitutif est à fort indice de réfraction de l'ordre de 1,8 comme par exemple celui de formule chimique (Cs I, Na) (Cs I, Tl) La structure bénéficie ainsi d'une bonne adaptation optique à l'interface scintillateur- substrat de photocathode sans l'utilisation de couches anti-reflet comme dans les modes précédents de réalisation de l'invention. REVENDICATIONS: 1 Structure de détection photoélectrique constituée d'une couche photosensible déposée sur un substrat constitué en un matériau transparent aux radiations de la lumière visible et du proche infra- rouge et en forme de plaque à faces planes convexes ou concaves de courbures limitées de telle sorte que l'incidence des rayons en fais- ceaux parallèles n'excède pas 15 à 200, caractérisé en ce que l'indice de réfraction du matériau de substrat pour lesdites radiations est voisin de 2 et en ce que le substrat est muni, sur la face d'inci- dence des radiations, de moyens d'atténuation de la réflexion des radiations sur cette -face. 2 Structure de détection photoélectrique appliquée à la dé- tection de rayons X ou gamma selon la revendication 1, caractérisée en ce que les moyens d'atténuation de la réflexion des radiations in- cidentes sur-le substrat sont constitués d'une lame de cristal scin- tillateur plaquée contre le substrat, ledit cristal présentant un indice de réfraction de la lumière voisin de 1,8, tel un cristal de formule chimique (Cs I, Na), (Cs 1, Tl). 3 Structure de détection photoélectrique selon la revendi- cation 1, caractérisée en ce que les moyens d'atténuation de la ré- flexion des radiations sur la face d'incidence du substrat sont cons- titués de couches anti-reflet de l'art antérieur. 4 Structure de détection photoélectrique selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que le matériau de substrat est un verre au lanthane ou au baryum ou au titane d'indice de réfrac- tion de l'ordre de 1,9. Structure de détection photoélectrique selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que le matériau de couche photosensible est trialcalin de formule chimique (Sb Na K Cs), 6 Structure de détection photoélectrique selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que le matériau de couche photosensible est une couche alcaline de formule chimique Sb K 2 Cs, ou Sb Rb 2 Cs ou Sb Cs 3 7 Structure de détection photoélectrique selon la revendi- cation 5, caractérisée en ce que l'épaisseur de la couche photosen- sible correspond à celle d'une couche de type S 20 ou S 25. 8 Structure de détection photoélectrique selon la revendica- tion 6, caractérisée en ce que l'épaisseur de la couche photosensible en est de l'ordre de 175 A,