Brevet FR2599557A1 — publié le 19871204

"PLAQUE MULTIPLICATRICE D'ELECTRONS A MULTIPLICATION DIRIGEE, ELEMENT MULTIPLICATEUR COMPRENANT LADITE PLAQUE, DISPOSITIF MULTIPLICATEUR COMPORTANT LEDIT ELEMENT ET APPLICATION DUDIT DISPOSITIF A UN TUBE MULTIPLICATEUR". La présente invention concerne une plaque multiplicatrice d'électrons à émission secondaire, du type plaque à trous", comportant des trous, dits trous multiplicateurs, présentant une ouverture d'entrée, une ouverture de sortie, et une paroi multiplicatrice efficace douée de pouvoir émissif. L'invention concerne également un élément multiplicateur d'électrons comportant une plaque multiplicatrice selon l'invention, un dispositif multiplicateur d'électrons composé d'éléments multiplicateurs conformes à l'invention, et une application du dispositif multiplicateur selon l'invention à un tube photomultiplicateur. L'invention s'applique de façon très avantageuse 15 au domaine des tubes photomultiplicateurs. Une plaque multiplicatrice du type de celle décrite dans le préambule est connue de la demande de brevet français n 2 549 288. Cette demande de brevet décrit notamment une plaque multiplicatrice constituée d'une pluralité de trous multiplicateurs équivalents disposés selon un réseau plan régulier. Une telle structure de plaque multiplicatrice, si elle permet dans certains dispositifs comportant plusieurs plaques superposées de définir des canaux d'électrons homologues, ne peut cependant pas empêcher la diaphotie entre électrons issus de canaux différents, ce qui conduit à prévoir des cloisons étanches aux électrons, lors de la réalisation de tubes photomultiplicateurs multianodes par empilement de ce genre de plaques multiplicatrices. Le but de la présente invention est de remédier à 30 - 2 ces inconvénients en proposant une plaque multiplicatrice dont les trous multiplicateurs seraient regroupés de façon à constituer des canaux d'électrons homologues sans que la diaphotie entre canaux différents ne puisse être possible. En effet, selon la présente invention, une plaque multiplicatrice d'électrons à émission secondaire, du type "plaque à trous", comportant des trous, dits trous multiplicateurs, présentant une ouverture d'entrée, une ouverture de sortie, et une paroi multiplicatrice efficace douée de pouvoir émissif, est notamment remarquable en ce que ladite plaque multiplicatrice est composée d'au moins un motif multiplicateur élémentaire comprenant une pluralité de trous multiplicateurs, au moins lesdites parois multiplicatrices efficaces des trous multiplicateurs périphériques du motif 15 étant orientées vers l'intérieur dudit motif. Ainsi, on obtient une plaque multiplicatrice d'électrons dont, à l'intérieur d'un motif donné, la multiplication est préférentiellement dirigée vers le centre du motif puisque du fait de l'orientation de leurs parois multiplicatrices efficaces au moins les trous multiplicateurs périphériques ont pour effet de ramener vers l'intérieur du motif les électrons incidents tombant sur la périphérie dudit motif. De façon à symétriser la géométrie du motif 25 élémentaire, il est -prévu que ledit motif multiplicateur élémentaire possède un axe de symétrie de rotation d'ordre n, perpendiculaire à la plaque multiplicatrice, et tel que les trous multiplicateurs du motif se déduisent n à n par rotation de 2v/n autour dudit axe. Afin d'augmenter l'efficacité de collection de la plaque multiplicatrice selon l'invention, on envisage qu'au moins les trous multiplicateurs périphériques dudit motif multiplicateur élémentaire sont tels que la projection droite de leur ouverture de sortie sur un plan parallèle à la plaque 35 multiplicatrice est au moins partiellement située à l'extérieur de la projection correspondante de leur ouverture - 3 d'entrée. La plupart des électrons incidents arrivant au moins sur la périphérie du motif élémentaire rencontrent donc avec une probabilité accrue la paroi du trou multiplicateur et y subissent une multiplication, d'o un pouvoir collecteur de la 05 plaque amélioré. La plaque multiplicatrice d'électrons selon l'invention peut être utilisée pour constituer un élément multiplicateur d'électrons, remarquable en ce qu'il comporte également une deuxième plaque métallique, parallèle à ladite 10 plaque multiplicatrice, percée de trous, dits trous auxilliaires, disposés en regard des ouvertures de sortie des trous multiplicateurs, la deuxième plaque métallique, électriquement isolée de la plaque multiplicatrice, étant portée à un potentiel électrique supérieur au potentiel 15 électrique de ladite plaque multiplicatrice. La deuxième plaque métallique joue ainsi le rôle d'électrode accélératrice. Par empilement parallèle de plusieurs éléments multiplicateurs selon l'invention, il est possible de réaliser 20 un dispositif multiplicateur d'électrons tel que chaque motif multiplicateur élémentaire de la plaque multiplicatrice du ième élément multiplicateur est disposé en regard d'un motif multiplicateur élémentaire de la plaque multiplicatrice du (i+1)ème élément multiplicateur de façon à former une série de 25 motifs multiplicateurs élémentaires homologues, et que l'ouverture de sortie des trous multiplicateurs de la plaque multiplicatrice du ième élément multiplicateur est placée en regard de la paroi multiplicatrice efficace d'un trou multiplicateur de la plaque multiplicatrice du (i+1)ème 30 élément multiplicateur. De par la superposition de motifs multiplicateurs homologues, le dispositif multiplicateur selon l'invention présente l'avantage de canaliser les électrons au sein de canaux définis par les séries de motifs élémentaires homologues, sans possibilité de diaphotie entre un canal et un 35 canal voisin. Cet avantage peut être notamment mis en oeuvre pour réaliser un tube photomultiplicateur comportant une - 4 photocathode et n anodes adjacentes. Dans cette application particulière d'un dispositif multiplicateur d'électrons selon l'invention on prévoit que ledit dispositif multiplicateur étant placé à proximité de la photocathode, les motifs multiplicateurs élémentaires homologues dudit dispositif sont placés en regard d'une desdites anodes adjacentes de façon à réaliser n tubes photomultiplicateurs secondaires dans le même tube photomultiplicateur. Il n'est plus alors nécessaire de prévoir des moyens particuliers, tels que des cloisons 10 étanches, pour éviter le recouvrement des électrons appartenant à l'un ou l'autre des tubes photomultiplicateurs secondaires. La description qui va suivre en regard des dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs, fera bien 15 comprendre en quoi consiste l'invention et comment elle peut être réalisée. La figure 1 montre en coupe (figure la) et en vue de dessus (figure lb) un premier mode de réalisation d'une plaque multiplicatrice selon l'invention. La figure 2 montre en coupe (figure 2a) et en vue de dessus (figure 2b) un deuxième mode de réalisation d'une plaque multiplicatrice selon l'invention. La figure 3 montre en coupe (figure 3a) et en vue de dessus (figure 3b) une variante d'exécution du mode de 25 réalisation de la plaque multiplicatrice de la figure 1. La figure 4 montre en coupe (figure 4a) et en vue -de dessus (figure 4b) une variante d'exécution du mode de réalisation de la plaque multiplicatrice de la figure 2. La figure 5 est une coupe d'un élément 30 multiplicateur selon l'invention. La figure 6 est une vue en coupe d'un dispositif multiplicateur selon l'invention. La figure 7 montre en coupe un tube photomultiplicateur comportant le dispositif multiplicateur de 35 la figure 6. Les figures la et lb montrent, respectivement en - 5 coupe, (selon la ligne I-I de la figure lb) et en vue de dessus une plaque multiplicatrice 10 d'électrons à émission secondaire, du type 'plaque à trous", comportant des trous 11, dits trous multiplicateurs, présentant une ouverture 12 05 d'entrée, une ouverture 13 de sortie et une paroi multiplicatrice efficace 14 douée de pouvoir émissif. A cet effet, la plaque multiplicatrice 10 est réalisée dans un matériau susceptible d'émission secondaire comme l'allliage cuivre-béryllium, après chauffage, migration du béryllium et 10 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. Comme on peut le voir à la figure lb, ladite plaque multiplicatrice 10 est composée d'au 15 moins d'un motif multiplicateur élémentaire 15 comprenant une pluralité de trous multiplicateurs 11, au moins lesdites parois multiplicatrices efficaces 14a des trous multiplicateurs périphériques 11a du motif 15 étant orientés vers l'intérieur dudit motif. On peut d'ailleurs observer que 20 dans le cas des figures 1 et 2 les parois efficaces de tous les trous multiplicateurs sont orientées vers l'intérieur du motif 15. On entend par parois efficaces les parois des trous multiplicateurs pouvant donner lieu à émission secondaire, c'est à dire celles sur lesquelles les électrons incidents 25 viennent frapper. Cette configuration particulière de la plaque multiplicatrice selon l'invention permet au sein d'un même motif de diriger la multiplication vers l'intérieur du même motif et donc de maintenir, de concentrer les électrons secondaires émis en évitant leur dispersion vers l'extérieur dudit motif. Conformément aux figures 1 et 2 par exemple, ledit motif multiplicateur élémentaire 15 possède un axe 16 de symétrie de rotation d'ordre n = 4, perpendiculaire à la 35 plaque multiplicatrice 10, et tel que les trous multiplicateurs 14 du motif se déduisent 4 à 4 par rotation de - 6 Tr/2 autour dudit axe 16. Les figures 2a et 2b montrent un deuxième mode de réalisation d'une plaque multiplicatrice 10 d'électrons qui se distingue du mode décrit en regard des figures la et lb par le 05 fait que, au moins les trous multiplicateurs 14a périphériques dudit motif élémentaire 15 sont tels que la projection droite 17 de leur ouverture 13 de sortie sur un plan P parallèle à la plaque multiplicatrice 10 est, au moins partiellement, ici entièrement, située à l'extérieur de la 10 projection 18 correspondante de leur ouverture 12 d'entrée. Cette structure avantageuse offre aux électrons incidents dont l'angle d'incidence n'est pas trop grand une surface de capture plus importante par la paroi efficace 14a. En d'autres termes, la plupart des électrons pénétrant au moins dans les 15 trous multiplicateurs périphériques 11a par l'ouverture 12 d'entrée pourront ne pas en sortir directement par l'ouverture 13 de sortie mais donneront lieu à émission secondaire contribuant ainsi à.une augmentation sensible de l'efficacité de collection de la plaque multiplicatrice 10. Ainsi qu'on peut le voir aux figures 1 et 2, une forme d'exécution de la plaque multiplicatrice 10 est telle que le centre du motif multiplicateur élémentaire 15 est occupé par un trou multiplicateur, dit trou multiplicateur central 11b. A l'inverse, les variantes de réalisation montrées aux figures 3 et 4 présentent, au centre du motif multiplicateur élémentaire 15, une partie métallique centrale 19, douée de pouvoir émissif, fournissant une portion de ladite paroi multiplicatrice efficace 14 de chacun des trous multiplicateurs 11c situés le plus au centre du motif 15. 30 La figure 5 montre, en coupe, un élément multiplicateur 20 d'électrons comportant une plaque multiplicatrice 10 du type de celle décrite à la figure 4. Comme l'indique la figure 5, l'élément multiplicateur 20 comporte également une deuxième plaque métallique 21, parallèle à la plaque multiplicatrice 10. Cette deuxième plaque 21 est percée de trous-22, dits trous auxilliaires; - 7 disposés en regard des ouvertures 13 de sortie des trous multiplicateurs 11. Par ailleurs, la deuxième plaque métallique 21 est électriquement isolée de la plaque multiplicatrice 10 et est portée à un potentiel électrique V1 05 supérieur au potentiel VO de ladite plaque multiplicatrice. L'isolation électrique entre la plaque multiplicatrice 10 et la deuxième plaque métallique 21, agissant comme électrode accélératrice, est réalisée, par exemple, à l'aide de petites billes 2 de verre, de 100 à 200 pm de diamètre, scellées à la 10 périphérie desdites plaques. La figure 6 représente, en coupe, un dispositif 23 multiplicateur d'électrons constitué par un empilement parallèle d'éléments multiplicateurs 20 réalisé, par exemple, en superposant de façon alternée des éléments multiplicateurs 15 comportant une plaque multiplicatrice du type de celle montrée à la figure 4 et des éléments multiplicateurs comportant une plaque multiplicatrice du type de celle montrée -à la figure 2. Comme l'indique la figure 6, chaque motif multiplicateur élémentaire 15 de la plaque multiplicatrice 10 du ième élément 20 multiplicateur 20 est disposé en regard d'un motif multiplicateur élémentaire de la plaque multiplicatrice du (i+1)ème élément multiplicateur de façon à former une série de motifs multiplicateurs élémentaires homologues. D'autre-part, l'ouverture 13 de sortie des trous multiplicateurs de la 25 plaque multiplicatrice du ième élément multiplicateur est placée en regard de la paroi multiplicatrice efficace 14 d'un trou multiplicateur de la plaque multiplicatrice du (i+1)ème élément multiplicateur; cette dernière disposition assure en effet un minimum de perte de collection d'un élement multiplicateur à l'autre. Enfin, les potentiels électriques appliqués sont tels que la deuxième plaque métallique 21 du ième élément multiplicateur 20 est porté à un potentiel électrique Vli identique au potentiel VO(i+1) de la plaque multiplicatrice 10 du (i4l)ème élément multiplicateur. Nous 35 avons donc les égalités: Vi = VO(i+1) et VI(i+1) = VO(i+2) 2599557, - 8 Par la possibilité qu'il offre de réaliser des canaux indépendants d'électrons, le dispositif multiplicateur de la figure 5 trouve une application particulièrement avantageuse dans le domaine des tubes photomultiplicateurs, 05 notamment des tubes à focalisation de proximité à anodes multiples. La figure 7 montre, par une vue en coupe, un exemple d'une telle application à un tube photomultiplicateur 24 comportant une photocathode 25 et n (ici n =2) anodes adjacentes 26. Le dispositif multiplicateur 23 est placé à proximité de la photocathode 25 et les motifs multiplicateurs homologues 15 sont disposés en regard d'une desdites anodes adjacentes 26 de façon à réaliser 2 tubes photomultiplicateurs secondaires dans le même tube photomultiplicateur 24. Comme on peut le voir à la figure 7, le tube photomultiplicateur 24 15 n'exige aucune séparation mécanique entre les motifs élémentaires adjacents puisque la conception même des plaques multiplicatrices empêchent tout recouvrement entre électrons issus de motifs- différents. Le tube photomultiplicateur de la figure 7 peut être avantageusement utilisé en physique 20 nucléaire pour la localisation précise des particules élémentaires. - 9 REVENDICATIONS 1. Plaque multiplicatrice (10) d'électrons à émission secondaire, du type "plaque à trous", comportant des trous (11), dits trous multiplicateurs, présentant une ouverture 05 (12) d'entrée, une ouverture (13) de sortie, et une paroi multiplicatrice efficace (14) douée de pouvoir émissif, caractérisée en ce que ladite plaque multiplicatrice (10) est composée d'au moins un motif multiplicateur élémentaire (15) comprenant une pluralité de trous multiplicateurs, au moins 10 lesdites parois multiplicatrices efficaces (14a) des trous multiplicateurs périphériques (11a) du motif (15) étant orientées vers l'intérieur dudit motif. 2. Plaque multiplicatrice d'électrons selon la revendication 1, caractérisée en ce que ledit motif multiplicateur élémentaire (15) possède un axe (16) de symétrie de rotation d'ordre n, perpendiculaire à la plaque multiplicatrice (10), et tel que Ies trous multiplicateurs (14) du motif se déduisent n à n par rotation de 2l/n autour dudit axe (16). 3. Plaque multiplicatrice d'électrons selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que, au moins les trous multiplicateurs périphériques (14a) dudit motif multiplicateur élémentaire (15) sont tels que la projection droite (17) de leur ouverture (13) de sortie sur un plan parallèle (P) à la plaque multiplicatrice (10) est au moins partiellement située à l'extérieur de la projection correspondante (18) de leur ouverture (12) d'entrée. 4. Plaque multiplicatrice d'électrons selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que le 30 centre du motif multiplicateur élémentaire (15J est occupé par un trou multiplicateur, dit trou multiplicateur central (11b). 5. Plaque multiplicatrice d'électrons selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que le centre du motif multiplicateur élémentaire (15) est occupé par 35 une partie métallique centrale (19), douée de pouvoir émissif, fournissant une portion de ladite paroi multiplicatrice - 10 efficace (14) de chacun des trous multiplicateurs (11c) situés le plus au centre du motif (15). 6. Elément multiplicateur (20) d'électrons comportant une plaque multiplicatrice (10) selon l'une quelconque des 05 revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte également une deuxième plaque métallique (21), parallèle à ladite plaque multiplicatrice (10), percée de trous (22), dits trous auxilliaires, disposés en regard des ouvertures (13) de sortie des trous multiplicateurs (11), la deuxième plaque 10 métallique (21), électriquement isolée de la plaque multiplicatrice (10), étant portée à un potentiel électrique (Vl) supérieur au potentiel électrique (VO) de ladite plaque multiplicatrice. 7. Dispositif multiplicateur (23) d'électrons comportant un empilement parallèle d'une pluralité d'éléments multiplicateurs selon la revendication 6, caractérisé en ce que chaque motif multiplicateur élémentaire (15) de la. plaque multiplicatrice (10) du ième élément multiplicateur est disposé en regard d'un motif multiplicateur élémentaire de la 20 plaque multiplicatrice du (i+1)ième élément multiplicateur de façon à former une série de motifs multiplicateurs élémentaires homologues, et en ce que l'ouverture (13) de sortie des trous multiplicateurs de la plaque multiplicatrice du ième élément multiplicateur est placée en regard de la paroi multiplicatrice efficace (14) d'un trou multiplicateur de la plaque multiplicatrice du (i+ 1)ième élément multiplicateur. 8. Dispositif multiplicateur d'électrons selon la revendication 7, caractérisé en ce que ledit empilement 30 parallèle d'éléments multiplicateurs (20) est réalisé par superposition alternée d'éléments multiplicateurs comportant une plaque multiplicatrice selon la revendication 5 et d'éléments multiplicateurs comportant une plaque multiplicatrice selon la revendication 4. 9. Dispositif multiplicateur d'électrons selon l'une des revendications 7 ou 8, caractérisé en ce que la deuxième - 11 plaque métallique (21) du ième élément multiplicateur est portée à un potentiel électrique (Vli) identique au potentiel électrique (VO(i+1)) de la plaque multiplicatrice (10) du (i+1)ième élément multiplicateur. 10. Application d'un dispositif multiplicateur d'électrons selon l'une quelconque des revendications 7 à 9 à un tube photomultiplicateur (24) comportant une photocathode (25) et n anodes adjacentes (26), caractérisée en ce que, ledit dispositif multiplicateur (23) étant placé à proximité 10 de la photocathode (25), les motifs multiplicateurs élémentaires homologues (15) dudit dispositif sont placés en regard d'une desdites anodes adjacentes (26) de façon à réaliser n tubes photomultiplicateurs secondaires dans le même tube photomultiplicateur (24). 15