Brevet FR2608836A1 — publié le 19880624

TUBE DE CONVERSION PHOTOELECTRIQUE L'invention concerne un tube de conversion photoélectrique tel qu'un tube photomultiplicateur ou un tube photoélectrique. Dans l'art antérieur, le contenant sous vide d'un tube de conversion photoélectrique comporte une fenêtre pour lumière inci- dente constituée d'une plaque transparente telle qu'une plaque de verre de quartz ou une plaque de verre de silicate de bore qui peut supporter la pression atmosphérique. De plus, une surface photocathe- dicue translJZde d'antimoine ou de métal alcalin est formée sur la paroi intérieure (côté sous vide) de la fenêtre pour lumière inci- dente. En fonctionnement, le faisceau lumineux atteignant la surface photocathedique par la fenêtre pour lumière incidente est absorbé par la surface photoél.trique, o il est converti en photoélec- trons. Les photoélectrons sont émis vers le côté sous vide. La Ficure 1 ces dessins annexés représente une caractéristi- que optique d'une surface photocathodicue à plusieurs alcalis qui es: un exemple ce surface phnotccathodiou. En d'autres termes, la -:_Ore 1 est une représentation graphique indiquant la variation du coefficient d'absorption (k) en fonction de la longueur d'onde (X) pour une surface photocathodiqueà plusieurs alcalis. Comme il res- sort ce la représentation grapnique, la surface photocathodique à plusieurs alcalis a un faible coefficient d'absorption (k) dans la gamme ces longues longueurs d'onde, spécialement dans la gamme des infrarouges; c'est-à-dire qu'elle ne peut absorber suffisamment la lumière.a.s cette gamme. La Figure 2 des dessins annexés est également une représenta- tion graphique indiquant les caractéristiques optiques des surfaces photocatholioues c'est-à-dire, la variation des coefficients Cd'abssrption (k) en fonction des épaisseurs (d) avec les longueurs d'cnde (a co-e paraè-tres. Comme il ressort de la représentation graphique, quand on augmente l'épaisseur (d) d'une surface photo- cathodieue pour augmenter le rendement de conversion photoélectrique, le coefficient d'absorption est également augmenté. Cependant, dans ce cas, la distance entre l'emplacement o sont engendrés les photo- électrons et le côté sous vide augmente, et il en résulte que cer- tains des photoélectrons subissent une recombinaison tout en se dé- plaçant vers le côté sous vide, et le pourcentage des photoélectrons émis dans le vide; c'est-à-dire que le rendement de conversion photo- électrique est diminué. Ainsi, l'augmentation de l'épaisseur de la surface photccathodioue est limitée. Par exemple, une surface photccathodieue à plusieurs alcalis ordinaire a une épaisseur de 30 nanomètres, et son pourcentage d'absorption d'un faisceau lumineux ayant une longueur d'onde égale à 800 nanomètres est égal à 12%. La distance pour laquelle les pho- toélectrons engendrés se déplacent: jusqu'à ce qu'ils soient re- combinés est égale à environ 15 nanomètres, et le rendement quanti- que (rapport du nombre de photoélectrons au nombre de photons inci- dents) est donc égal à 1,5%. Quand un tube de conversion photoélec- trique ayant les valeurs caractéristiques décrites plus haut est utilisé comme instrument scientifique, son rapport S/B n'est pas si élevé. Comme on l'a décrit plus haut, dans le tube de conversion p....:ect:r:e classeque, la surface photocathodiquene peut pas absorbe: un faisceau lumineux incident car l'épaisseur est limitée, ou la vitesse d'émission de photoélectrons dans le vide est faible pour la même raison. $ Ur bt pr.ncipal oe l'invention est ce fournir une surface photocathodique ayant une vitesse élevée de conversion de photons en photoélectrons sans changer l'épaisseur de la surface photocathodi- que et, de la sorte, sans diminuer la vitesse d'émission des photo- électrons dans le vide. Un autre but de la présente invention est d'augmenter le coef- ficient d'absorption pour une surface photccathodicue, spécialement pour des longues longueurs d'onde de lumière. Encore un autre but de la présente invention est de fournir un tube de conversion photoélectrique ayant un rendement de conver- sion photoélectrique élevé. Selon un aspect principal de l'invention, un faisceau lumineux incident sur la surface photccathodique par l'intermédiaire d'une fibre optique est incliné par rapport à la surface photocathodique. Pour atteindre ces buts et en vue de l'invention, telle que réalisée et largement décrite dans la suite, le tube de conversion photoélectrique de l'invention comprend une plaque à. fibresoptiques recouvrant au moins une partie de la fenêtre pour lumière incidente dans laquelle des fibres optiques sont orientées en faisant un angle avec la surface photccathodique. En résumé, le moyen pour résoudre les problèmes décrits plus haut est un tube de conversion photoélectrique dans lequel une sur- face photo cathodiquetranslucide est prévue à l'intérieur d'une fenêtre pour lumière incidente, dans lequel, selon l'invention, au moins une partie de la fenêtre pour lumière incidente est une plaque à fibresoptiques dans laquelle des fibres optiques sont inclinées par rapport à la surface photocathodioue. C'est-à-dire que, dans le tune de conversion photoélectrique, la fenêtre pour lumière inciden- te est constituée d'une plaque de verre, et d'une plaque à fibres optiques soudée au c5t- incident de la plaque de verre, ou elle est constituée de la plaque à fibres optiques seulement. Dans le dernier cas, un matériau de conversion photoélectrique est déposé sous vide sur la surface intérieure (le c5té sous vide) de la plaque à fibres octiques. D'autres caractéristiques et avantages de la présente inven- tion seront mis en évidence dans la description suivante, donnée à 2 t-itre d'exemple nan niDmtatif, en référence aux dessins annexés dans lesquels: la Figure 1 est une représentation graphique indiquant une caractéristique optique d'une surface photocathodique; plus spécifi- quement, la variation du coefficient d'absorption (k) en fonction de la longueur d'onde (>) d'une surface photocathodicue à plusieurs alcalis translucide; la Figure 2 est une représentation graphique indiquant la variation du coefficient d'absorption (k) en fonction de l'épaisseur (d) de surfaces photocathodiques avec les longueurs d'ondes (>) comme paramètres; la Figure 3 est un schéma de principe représentant une vue latérale d'un exemple d'un photomultiplicateur de la présente inven- tion; la Figure 4 est une vue en coupe représentant une partie d'une fenêtre pour lumière incidente dans un photomultiplicateur selon l'invention; la Figure 5 est un tableau du rendement de conversion photo- électrique de l'invention tel qu'appliqué à un premier exemple; la Figure 6 est un tableau des rendements de conversion pho- toélectrique de l'invention tel qu'appliqué à un deuxième exemple;et la Figure 7 est une vue en coupe représentant une modifica- tion d'une partie de la fenêtre pour lumière incidente. La Figure 3 est un schéma de principe représentant une vue latérale d'un exemple d'un photomultiplicateur selon la présente invention et la Figure 4 est un schéma explicatif agrandi représen- tant une partie d'une fenêtre pour lumière incidente contenue dans le photomultiplicateur de la Figure 3. Selon l'invention, un tube de conversion photoélectrique dans lequel est prévue une surface photocathodique translucide (cathode)2 à l'intérieur d'une fenêtre pour lumière incidente 1 telle que re- présentée sur la Figure 3, comprend une plaque à fibres optiques reccuvrant au mclns une partie de la fenêtre pour lumière incidente dans laquelle ces fibres optiques sont orientées en faisant un angle par rapport à la surface photo cathodiue. De préférence, comme le montre la Figure 4, la fenêtre pour lumière incidente 1 du tube de conversion phstoéëectrîque compreno: une plaque de verre 3; et une plaque à fibres optiques 5 ayant une épaisseur de 1 mm et comportant des fibres optiques 6 ayant un diamètre de 5 pm, la plaque à fibres optiques 5 étant soudée au c8té de lumière incidente de la plaque de verre 3 au moyen d'une matière adhésive transparente. L'axe ede cha- cune des fibres optioues 6 forme un angle par rapport à la fenêtre pour lumière incidente ( O= 25 ou 50 dans l'exemple de réalisation). De l'antimoine et un ensemble de sortes de métaux alcalins sont dé- posés sous vide à la surface de la plaque de verre 3 qui se trouve du c5té sous vide 11 du contenant, pour former une surface photocatho- dirue à plusieurs alcalis 2. Un faisceau lumineux incident I appliqué au tube de conversion photoélectrique atteint la surface photocathodique 2 par l'intermé- diaire d'une fibre optique 6 et de la plaque de verre 3. Comme le montre la Figure 4, un faisceau lumineux T incident sur la surface photocathodique 2 est incliné. Par conséquent, le chemin optique du faisceau lumineux incident T est long, et la vitesse de conversion des photons en photoélectrons est élevée. L'angle incidentdu faisceau lumineux par rapport à la surface photocathodique 2 est maximal quand il avance le long d'un chemin optique A et minimal (0 ) quand il avance le long d'un chemin optique B. Des tubes photomultiplicateurs comprenant une surface photo- cathodioue à plusieurs alcalis de 30 nanomètres d'épaisseur formée dans une fenêtre pour faisceau incident 1 ayant un diamètre de 29 mm, et une cathode secondaire du type boite de dix étages se conformant à la surface photo cathodiquede l'invention ont été fabriqués. De plus, on a également fabriqué un tube photomultiplicateur ( de type R374 far=iqjé par "Hamamatsu Photonics (phonetic)")de même construc- tion que les tubes photomultiplicateurs décrits plus haut excepté qu'il ne comporte pas ce plaque à fibres optiques. Les caractéristi- ques de conversion photoélectrique de ce type de tube sont telles q':nfZquées sur la Figure 5. On a fabriqué des tubes photomultiplicateurs comprenant une surface Dhotocathodicue à deux alcalis de 30 nanomètres d'épaisseur formée dans une fenêtre pour lumière incidente 1 ayant un diamètre de 29 mr, et une cathode secondaire du type boite de dix étages se conformant à la surface photocathodique de '1n"vention. De plus, on a fabriqué un tube photomultiplicateur (du type R268 fabriqué par "Hamamatsu Photonics") de même construction que ceux décrits plus haut excepté qu'il ne comporte pas de plaque à fibres optiques. Les caractéristiques de conversion photoélectrique de ce type de tube sont telles qu'indiquées sur la Figure 6. Comme il ressort de la Figure 5, à une longueur d'onde de 800 nanomètres o le coefficient d'absorption optique est minimal, le rendement quantique du tube photomultiplicateur comportant la plaque à fibres optiques dans la fenêtre pour lumière incidente est 32 éga., au maxim.um, à 2,1 fois celui du tube photomultiplicateur ne comportant pas de plaque à fibres optiques dans la fenêtre pour lu- mière incidente. En outre, comme l'indique la Figure 5, même à une longueur d'onde de 350 nanomètres o le coefficient d'absorption op- tique est si grand que l'effet de l'invention est considéré faible, le rendement quantique du tube photomultiplicateur comportant la plaque à fibres optiques dans la fenêtre pour lumière incidente est supérieur de 20% à celui du tube photomultiplicateur ne comportant pas de plaque à fibres optiques dans la fenêtre pour lumière inci- dente. Les Figures 5 et 6 établissent la liste des résultats d'expé- riences données essentiellement dans une gamme de rayons visibles pour des tubes photomultiplicateurs dans chacun desquels est appli- qué le concept optique de l'invention, o un faisceau lumineux est appliqué obliquement à la surface photo..cathodiqui celui-ci étant suffisamment absorbé par cette dernière, et la vitesse d'émission de photoélectrons dans le vide n'est pas diminuée. Par conséquent, quanid on ne prévoit que la plaque à fibres optiques dans la fenêtre pour lumière incidente, aucune réflexion ou dispersion optique non voulue n'est alors produite entre la plaque à fibres optiques et la plaque de verre. En conséquence, le tube de conversion photoélectri- que résultant a des performances bien supérieures. En outre, l'in- vention est Plus efficace Dour des rayons infrarouges car ces der- niers sont plus difficiles à absorber qu'un faisceau lumineux ayant une longueur d'onde de 800 nanomètres. Afin d'augmenter la sensibilité à la lumière, on peut pré- voir un ensemble d'éléments électriquement conducteurs 7 tels que repré- sentés sur la figure 7, de manière à ce que les éléments 7 soient Dositionnés en correspondance avec les revêtements (appelés "clad- dings" en terminologie anglo-saxonne) de la plaque de fibres optiques. L'ensemble des éléments conducteurs 7 sont couplés électriquement entre eux et ils sont maintenus au même potentiel. Dans le tube de conversion photoélectrique de l'invention, un faisceau lumineux incident est appliqué obliquement à la surface photocathodique. En conséquence, il n'est pas nécessaire d'augmenter l'épaisseur de la surface photocathodiaue pour augmenter le coeffi- 3 cient d'absorption optique de la surface photocathodique; c'est-à- dire que le coefficient d'absorption optique est élevé, et la vitesse d'émission d'électrons n'est pas diminuée dans le vide. Ainsi, le tube de conversion photoélectrique de l'invention a un rendement de conversion photoélectrique élevé. En outre, dans le tube de conver- sion photoélectrique de l'invention, on peut utiliser la fenêtre pour lumière incidente, dans sa totalité, pour la plaque à fibres optiques. Cela améliore le rendement quantique sur toute la surface photcathodi- oue. On peut obtenir simplement le tube de conversion photoélec- trique de l'invention en remplaçant la plaque de verre du tube de conversion photoélectrique classique par la fenêtre pour lumière incidente décrite plus haut. L'invention peut être réalisée de façon considérablement facile en soudant la plaque à fibres optiques au côté incident de la plaque de verre dans la fenêtre pour lumière incidente. Ainsi, on peut facilement appliquer l'invention à des tubes de conversion photoélectrique classiques. REVEt4DICATI04S 1. Tube de conversion photoélectrique, caractérisé en ce qu'il comprend: un contenant de tube comportant une fenêtre pour lumière incidente (1); et une surface photocathodique translucide (2) prévue à l'intérieur de la fenêtre pour lumière incidente et ayant un certain coefficient d'absorption; ladite fenêtre pour lumière incidente comprenant une plaque de fibres optiques composée d'un ensemble de fibres optiques pour augmenter le coefficient d'absorption de la surface photo- cathodique et les fibres optiques étant fixées ensemble en étant parallèles entre elles et étant orientées en faisant un angle avec la surface photocathodique, cet angle étant inférieur à 90 degrés. 2. Tube de conversion photoélectrique selon la reven- dication l, dans lequel les fibres optiques sont liées ensemble dans une plaque essentiellement plane (5), une face de la plaque incluant des extrémités réceptrices de lumière des fibres optiques et l'autre face de celle-ci incluant les extrémités émettrices de lumière. 3. Tube de conversion photoélectrique selon la reven- dication 2, dans lequel une glace est attachée à l'autre face de ladite plaque de fibres optiques. 4. Tube de conversion photoélectrique selon la reven- dication 2, dans lequel un ensemble d'éléments électriquement conducteurs (7) sont prévus sur l'autre surface de ladite plaque de fibres optiques de manière à ce que lesdits éléments soient posi- tionnés en correspondance aux revêtements des fibres optiques, lesdits éléments étant portés au même potentiel. 5. Tube de conversion photoélectrique selon la reven- dication 3, dans lequel un ensemble d'éléments électriquement conducteurs (7) sont prévus sur l'autre surface de ladite plaque de fibres optiques de manière à ce que lesdits éléments soient positionnés en correspondance aux revêtements des fibres optiques, lesdits éléments étant portés au même potentiel. 6. Tube de conversion photoélectrique selon la reven- dication 1, dans lequel l'angle est compris entre 25 degrés et degrés. 7. Procédé pour augmenter le coefficient d'absorption d'un tube de conversion photoélectrique caractérisé en ce qu'il consiste à: lier ensemble un ensemble de fibres optiques pour former une plaque de fibres optiques; fixer les fibres optiques au tube de conversion photo- électrique comme une fenêtre pour lumière incidente; prévoir une surface photocathodique translucide à l'intérieur de la fenêtre pour lumière incidente; et transmett e la lumière par les fibres lumineuses jusqu'à la surface photocathodique selon un angle aigu par rapport à la surface photocathodique. 8. Procédé selon la revendication 7, comportant une opération de fixation des fibres à un angle compris entre 25 degrés et 50 degrés par rapport à la surface photocathodique. 9. Procédé selon la revendication 7 consistant en outre à prévoir une plaque de verre entre ladite plaque de fi- bres optiques et ladite surface photocathodique translucide. 10. Procédé selon la revendication 9, comportant une opération de fixation des fibres à un angle compris entre 25 degrés et 50 degrés par rapport à la surface photocathodique.