Brevet FR2546663A1 — publié le 19841130

"TUBE PHOTOMULTIPLICATEUR A UNE DYNODE INSENSIBLE AUX CHAMPS MAGNETIQUES ELEVES". La présente invention concerne un tube photomultipli- cateur insensible aux champs magnétiques élevés, comportant une photocathode constituée par une couche mince d'un maté- riau photoémissif déposé sur une fenêtre transparente scellée à l'extrémité d'un manchon isolant, ladite photocathode étant portée a un potentiel électrique de référence. Dans les accélérateurs de particules, les détecteurs utilisés comportent généralement des scintillateurs associés à des mosaïques de photomultiplicateurs à dynodes discrètes travaillant à des gains de l'ordre de 10 a 106 Ces photo- multiplicateurs présentent l'inconvénient d'avoir une sensi- bilité, et par conséquent une résolution en énergie, très fortement dégradée par la présence de forts champs magnétiques pouvant atteindre plusieurs milliers de gauss Pour sous- traire ces photomultiplicateurs à l'effet de ces champs ma- gnétiques, on les éloigne de l'environnement immédiat des accélérateurs, ce qui oblige à coupler leur photocathode aux scintillateurs par l'intermédiaire de conduits de lumière qui entraînent des pertes de résolution importantes Actuellement, afin d'améliorer la résolution des dispositifs de détection, on utilise de plus en plus, au lieu des photomultiplicateur$, des cellules photoélectriques dont la conception les rend insensibles aux forts champs magnétiques existant, du moins dans certaines conditions d'angle du champ magnétique avec l'axe des cellules Mais dans ce cas, contrairement au pho- tomultiplicateur la fonction de multiplication du signal de photocathode doit être entièrement assurée par des dispositifs externes au tube photoélectrique Le niveau d'amplification à réaliser à l'aide de dispositif d'amplification externe est tel qu'il pose d'importants problèmes de bruit. Le but de la présente invention est de proposer un tube photomultiplicateur qui conserve l'avantage d'une cellule photoélectrique quant à son insensibilité, sous certaines conditions, à des champs magnétiques de plusieurs milliers de gauss, tout en permettant l'amplification du signal de pho- tocathode dans un rapport de 5 à 30 Cette amplification est suffisante pour utiliser plus efficacement cette fois des dispositifs d'amplification externes aux tubes. En effet, selon la présente invention un tube photo- multiplicateur insensible aux champs magnétiques élevés, comportant une photocathode constituée par une couche mince d'un matériau photoémissif déposé sur une fenêtre transpa- rente scellée à l'extrémité d'un manchon isolant, ladite photocathode étant portée à un potentiel électrique de réfé- rence, est notamment remarquable en ce qu'il comporte un étage amplificateur unique constitué par une dynode se pré- sentant sous la forme d'une surface métallique s'appuyant sur un contour entourant sensiblement la photocathode et portant sur sa face interne une couche d'un matériau à émis- sion secondaire, tandis qu'une anode formée par une grille métallique homéomorphe à la surface de la dynode est placée parallèlement et à faible distance de celle-ci, et en ce que la dynode et l'anode sont portées respectivement à un poten- tiel électrique supérieur au potentiel de référence et à un potentiel électrique supérieur au potentiel de la dynode. Ainsi, les photoélectrons provenant de la photocathode et dont les trajectoires sont fortement perturbées par le champ magnétique intense tombent en grande majorité sur la surface métallique de la dynode quelque soit l'orientation du champ magnétique pourvu que celui-ci ne soit pas trop parallèle au plan de la photocathode La collection directe par l'anode des photoélectrons est faible du fait que la transparence de la grille anode peut être choisie suffisament grande, par exemple 80 à 90 %v Ces photoélectrons donnent sur la dynode des électrons secondaires qui ont également des trajectoires perturbées, mais sont finalement collectés par l'anode qui est au potentiel le plus élevé. En outre, afin d'éviter que les pièces du tube photo- multiplicateur selon l'invention ne subissent de forces trop importantes, on envisage que, de préférence, la dynode et l'anode soient réalisées en matériau amagnétique. La description qui va suivre en regard du dessin annexé, donné à titre d'exemple non limitatif, fera bien comprendre en quoi consiste l'invention et comment elle peut être réalisée. La figure unique est une vue en coupe d'un mode de réalisation d'un tube photomultiplicateur selon l'invention. La figure unique montre, en coupe, un tube photomul- tiplicateur insensible aux champs magnétiques élevés, compor- tant une photocathode Il constituée par une couche mince d'un matériau photoémissif déposé sur une fenêtre 12 transparente scellée à l'extrémité 13 d'un manchon 14 isolant La photo- cathode 11 est portée à un potentiel électrique Vo de référen- ce, par exemple OV Comme on peut le voir sur la figure, le tube photomultiplicateur comporte un étage amplificateur uni- que constitué par une dynode 15 se présentant sous la forme d'une surface métallique s'appuyant sur un contour 16 entou- rant sensiblement la photocathode 11 La dynode 15 porte sur sa face interne 17 une couche d'un matériau à émission secon- daire: oxyde de béryllium, oxyde de magnésium ou antimoniure alcalin, par exemple Ainsi que le montre la figure, une anode 18 formée par une grille métallique homéomorphe à la surface de la dynode 15 est placée parallèlement et à faible distance de celle-ci, typiquement 0,5 à 1 mm, à l'aide des entretoises isolantes 30 La grille d'anode est réalisée de façon à présenter une transparence de 80 à 90 % La dynode est portée à un potentiel électrique VI supérieur au po- tentiel Vo de référence, par exemple 400 à 700 V, tandis que l'anode 18 est portée à un potentiel V 2 supérieur au po- tentiel Vi de la dynode 15, de l'ordre de 800 à 1400 V par rapport au potentiel de référence Vo - Du fait que la dynode 15 enveloppe en quelque sorte la photocathode 11, la plupart des photoélectrons 30 issus de la photocathode atteignent la dynode 15 quelque soient les perturbations produites sur leurs trajectoires par le champ magnétique B, à condition que l'anglee du champ magnétique avec la normale 30 à la photocathode 11 ne dépasse pas 70 à 800 pour des champs pouvant atteindre 10 000 gauss. On peut encore augmenter cette limite en faisant pénétrer la photocathode à l'intérieur de la surface définissant la dynode. Dans l'exemple de réalisation représenté à la figure unique, la photocathode 11 est circulaire Dans ce cas, les surfaces définissant la dynode 15 et l'anode 18 sont, de préférence, des surfaces de révolution d'axe commun, confondu avec l'axe 19 de la photocathode 11 Comme il est montré sur la figure, ces surfaces de révolution peuvent être des cônes, la forme cônique permettant d'obtenir une meilleure rigidité de la grille d'anode 18. Avantageusement, la dynode 15 et l'anode 18 sont réalisées en matériau amagnétique, cuivre-béryllium ou inox amagnétique par exemple, dans le but d'éviter que des forces importantes ne s'exercent sur ces pièces. Enfin, on peut envisager que le matériau photoémissif de la photocathode 11 soit de l'antimoniure de métaux alcalins, comme l'antimoniure double de potassium et de césium Sb K 2 Cs. Des évaporateurs 20 d'antimoine sont alors placés à l'inté- rieur de la surface définissant la dynode 15 de façon à être en vue de la photocathode 11, tandis que des générateurs 21, 22 desdits métaux alcalins (ici Cs et K respectivement) sont placés à l'extérieur de ladite surface Des trous 23 aménagés dans la dynode 15 permettent aux vapeurs des métaux alcalins d'atteindre la photocathode 11. L'invention ne saurait être limitée à l'exemple de réalisation montré à la figure unique mettant en oeuvre une dynode 15 et une anode 18 de forme conique Elle peut être également exécutée avec d'autres formes de dynode et d'anode, en particulier, sphérique, cylindrique, etc REVENDICATIONS: 1 Tube photomultiplicateur insensible aux champs ma- gnétiques élevés, comportant une photocathode ( 11) constituée par une couche mince d'un matériau photoémissif déposé sur une fenêtre ( 12) transparente scellée à l'extrémité ( 13) d'un manchon ( 14) isolant, ladite photocathode ( 11) étant portée A un potentiel électrique (Vo) de référence, caractérisé en ce qu'il comporte un étage amplificateur unique constitué par une dynode ( 15) se présentant sous la forme d'une surface métallique s'appuyant sur un contour ( 16) entourant sensible- ment la photocathode ( 11) et portant sur sa face interne ( 17) une couche d'un matériau à émission secondaire, tandis qu'une anode ( 18) formée par une grille métallique homéomorphe A la surface de la dynode ( 15) est placée parallèlement et A fai- ble distance de celle-ci, et en ce que la dynode ( 15) et l'anode ( 18) sont portées respectivement A un potentiel élec- trique (V 1) supérieur au potentiel (Vo) de référence et A un potentiel électrique (V 2) supérieur au potentiel (Vi) de la dynode. 2 Tube photomultiplicateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la photocathode ( 11) étant circulaire, les surfaces définissant la dynode ( 15) et l'anode ( 18) sont des surfaces de révolution d'axe ( 19) commun, confondu avec l'axe de la photocathode ( 11). 3 Tube photomultiplicateur selon la revendication 2, caractérisé en ce que lesdites surfaces de révolution sont des cônes. 4 Tube photomultiplicateur selon l'une des revendications 1 a 3, caractérisé en ce que la dynode ( 15) et l'anode ( 18) sont réalisées en matériau amagnétique. 5 Tube photomultiplicateur selon l'une des revendications 1 A 4, caractérisé en ce que, le matériau photoémissif de la photocathode ( 11) étant de l'antimoniure de métaux alca- lins, des évaporateurs ( 20) d'antimoine sont placés à l'inté- rieur de la surface définissant la dynode ( 15), et des géné- rateurs ( 21,22) desdits métaux alcalins sont placés A l'extérieur de ladite surface, tandis que des trous ( 23) sont aménagés dans la dynode ( 15) de façon à permettre aux vapeurs de métaux alcalins d'atteindre la photoca- thode ( 11).