Brevet FR2635914A1 — publié le 19900302

PROCEDE D'ALIMENTATION D'UN PHOTOMULTIPLICATEUR ET SOURCE D'ALIMENTATION POUR LA MISE EN OEUVRE DE CE PROCEDE. Description La présente invention concerne un procédé d'alimentation d'un photomultiplicateur et une source d'alimentation pour La mise en oeuvre de ce procédé. ElLe s'applique notamment à L'alimentation de photomultiplicateur lors d'une utilisation ou Le taux de comptage des photons incidents est éLevé et La puissance d'alimentation Limitée. Ces conditions sont réunies Lors de l'utiLisation d'un photomultiplicateur en prospection géophysique. Une photocathode, une pluralité de dynodes, et une anode scellees dans un tube sous vide constituent un photomultiplicateur (P.M.). Un couple de dynodes successives forme un étage du P.M. Le premier étage est constitué du couple photocathode et première dynode ; Le dernier étage est constitué du couple dernière dynode et anode. Un photon incident atteignant la photocathode donne lieu à l'émission d'un électron qui, soumis à une différence de potentiel adéquate, percute La première dynode en Lui arrachant aLors plusieurs autres éLectrons. Ce phénomène se produit en cascade d'étage en étage. Le courant débité sur l'anode permet La mesure de L'intensité Lumineuse écLairant la photocathode. On connait pLusieurs types de sources d'alimentation permettant d'appliquer une différence de potentiel aux bornes de chaque étage du P.M. Le pLus simple est une aLimentation par pont de résistances. La figure 1 ilLustre schématiquement ce cas. Les différentes dynodes dl, d2,..., dN du P.M. 10 sont reliées entre elles par des résistances RI, ..., RN. Les résistances forment une channe aux bornes de laquelle est connectée une source de haute tension 16. On sait que ltémission d'un courant d'électrons dans le tube du P.M. a pour effet de diminuer La tension aux bornes du dernier étage, donc d'augmenter La tension appliquée entre La dernière dynode dN et la cathode 12, c'est-à-dire pratiquement la tension de polarisation du P.M. Ce phénomène est considéré sans conséquence si le courant moyen débité par l'anode 14 est négligeable par rapport au courant de polarisation fourni par la source 16. Dans Le cas contraire, La tension de poLarisation est modifiée et une variation non contrôlable du gain du P.M. s'ensuit : Le gain est fonction de l'illumination de la photocathode 12. La figure 2 représente schématiquement un dispositif connu utilisant une diode Zener Z pour fixer La tension de la dernière dynode dN malgré les variations du courant de l'anode 14. D'autres étages parmi les derniers stages "aval") peuvent aussi être munis de diodes Zener. Dans ce type de montage, le calcul du pont incluant la ou les diodes Zener est effectué pour une valeur déterminée de La haute tension. Tout écart à cette va Leur entrain soit une saturation avancée de La caractéristique flux/courant du P.M., soit une surlinéarité, c'est-à-dire une variation du gain avec L'intensité lumineuse incidente. La figure 3 iLLustre schématiquement une autre soLution connue pour conserver la stabiLité du gain du P.M. Une alimentation 18 à faibLe débit ( P.M.). Une alimentation 20 à fort débit ( > 10 mA par exemple) et faible tension (300 à 500 V par exemple) est branchée aux bornes des trois derniers étages par exemple (étages "avaL"), la tension totale appliquée étant de L'ordre de 1500 V. Cette solution permet d'obtenir une bonne stabilité du gain mais au prix d'une complexité, d'un encombrement et d'une consommation importants, qui rendent difficiLe L'usage de ce dispositif en dehors du Laboratoire, sur Le terrain d'une prospection géophysique par exempLe. Dans cette dernière application, ces divers types d'alimentation sont d'un usage fort délicat. La place est Limitée, parfois aussi Les possibiLités de dissipation thermique, Le taux de comptage peut dépasser pLusieurs milliers de coups par seconde ; enfin, la tension de service et la résistance ohmique des câbles de liaison Limitent la puissance disponible. L'invention pallie ces inconvénients. ELle permet de résoudre le problème de dérive de gain tout en limitant La consommation de puissance ; par ailleurs, eLLe propose un dispositif suffisamment compact et réduit pour être intégré au support d'un P.M. De manière plus précise, L'invention concerne un procédé d'aLimentation d'un photomuLtipLicateur possédant pLusieurs étages, cara-ctérise en ce qu'il consiste à aLimenter au moins Le dernier étage du photomuLtipLicateur par une pompe à diodes. Chaque pompe à diodes reLiée sur un étage "aval" du photomuLtipLicateur Lui fournit une aLimentation indépendante. La tension aux bornes de la pompe à diodes fixe donc La tension aux bornes de L'étage auquel elle est reLiée. En particulier, on fixe par Le procédé seLon L'invention, La différence de potentiel aux bornes du dernier étage du photomultipLicateur (aux bornes de La dernière dynode et de L'anode). L'intensité du courant débité par l'anode n'infLue pas sur le gain. L'invention a aussi pour objet une source d'alimentation pour la mise en oeuvre du procédé. Cette source comprend au moins une pompe à diodes. Dans le cas où la source comprend une pLuralité de pompes à diodes, celles-ci sont reliées en série entre elles. Les pompes à diodes sont reliées aux trois ou quatre derniers étages du photomultiplicateur par exemple. Chaque pompe à diodes constitue alors une alimentation indépendante pour L'étage auquel elle est reliée. En pratique, bien que ce soit possible, il n'est pas nécessaire d'alimenter de la sorte tous les étages du photomultiplicateur. Selon un autre aspect de l'invention, La source d'alimentation comprend un multiplicateur de tension branché en série à ladite pompe à diode ou à ladite pluralité de pompes à diodes, reliées en série entre elles. De manière avantageuse, ce multiplicateur est relié par une sortie à un pont de résistances. Ainsi, les étages situés en amont (du côté de la photocathode) sont alimentés via ce pont de résistances. Le courant délivré par les dynodes amont est très faible. De ce fait, la va Leur de résistances du pont peut être de 10 à 20 fois plus éLevée que dans le montage classique de la figure 1. Les pompes à diodes et le muLtipLicateur doivent être alimentés par des sources de tension pulsées, Les pompes et Le multiplicateur peuvent être alimentés par la même source de tension pulsée, Le secteur par exemple. De manière preferee, Les pompes et le multiplicateur sont alimentes par un générateur de creneaux de tension. La double entre, d'une part sur le multiplicateur et d'autre part sur l'une des pompes, permet d'alimenter simultanément les deux types d'étage constituant La source d'alimentation. Cette réalisation présente l'avantage de n'utiliser qu'une source de tension pulsée. L'amplitude des créneaux de tension appliques sur l'une des pompes à diodes (préférentieLLement celle reliée au dernier étage du P.M.) et sur Le multiplicateur est multipliée de manière à ce que chaque étage du P.M. soit porté à sa tension continue de fonctionnement. Les caractéristiques et avantages de l'invention apparaitront mieux après la description qui suit donnée à titre explicatif et nullement limitatif. Cette description se réfère à des dessins annexés dans lesquels : - la figure 1, déjà décrite et relative à L'art antérieur, représente schématiquement un photomultiplicateur alimenté par pont de résistances, - la figure 2, déjà décrite et relative à l'art antérieur, représente schématiquement un photomultiplicateur alimenté par une diode Zener et un pont de résistances, - la figure 3, déjà décrite et relative à L'art antérieur, représente schématiquement un photomultiplicateur alimenté par un pont de résistances relié à deux alimentations, - La figure 4 représente schématiquement un photomultiplicateur relie à une source d'alimentation selon L'invention, - la figure 5 représente schématiquement un premier montage électronique réalisant un générateur de créneaux de tension, - La figure 6 représente schématiquement un second montage électronique réalisant un gnérateur de créneaux de tension. La figure 4 représente schématiquement un photomultiplicateur 10 relié à une source d'alimentation conforme à l'invention. Ce photomultiplicateur peut être du type XP 1911 commercialisé par la société RTC par exemple. Ce dernier possède 10 dynodes référencées de dl à d10. La source d'alimentation comprend un premier et un second étages, référencés 22, 24, respectivement. Ces deux étages sont reliés en série. Comme on le voit sur la figure 4, le premier étage est constitué de trois pompes à diodes branchées en série. On le rappelle, une pompe à diodes est réalisée par deux diodes reliées en série et dans le même sens passant. Entre ces deux diodes, on connecte une armature d'un condensateur alors que l'autre armature du condensateur est soumise à une tension périodique. La sortie, en tension continue, s'effectue en parallèle aux bornes d'un condensateur reliées aux extrémités de la channe formée par les deux diodes en série. Les diodes 50, 51 et les condensateurs 52, 53 forment une telle pompe à diodes (aussi appelée montage de Greinacher). Les trois pompes de ce premier étage 22 sont reliées aux trois derniers étages du P.M. 10. Pour éliminer tout bruit sur les tensions constinues appliquées sur ces trois étages, on fiLtre Les tensions délivrées par les pompes par l'intermédiaire de trois filtres constitués chacun d'un condensateur et d'une diode Zener (Les condensateurs et les diodes Zener de ces filtres sont réferencées Cl, Z1, C2, Z2, C3, Z3). Le premier étage 22 est relié à La sortie d'un génerateur de créneaux de tension 26. Ce généra- teur 26 délivre sur sa sortie des créneaux de tension d'amplitude comprise entre 100 et 250 V à une fréquence de L'ordre de 100 kHz par exemple. Les condensateurs du premier etage 22 à l'exception du condensateur d'entrée relié au générateur 26 ainsi que les condensateurs Cl, C2, C3 ont une capacité de 10 nF et supportent des tensions superieures àt2oo V par exemple. Le condensateur d'entrée a une capacité de 10 nF mais supporte des tensions superieures à 1 500 V par exemple. Les diodes sont par exemple du type ssAV 21, commercialisées par la société SGS Thomson. Le second etage 24 relié en série au premier étage 22 constitue un multiplicateur. Sur la figure 4, Le coefficient de multiplication est egal à 4. Ce multiplicateur est formé de trois pompes à diodes reliées en série. L'entree du multiplicateur est reliée à un montage redresseur formé par une diode 28 du type BAV 21 par exemple, et par un condensateur 30. Les diodes du multiplicateur sont elles aussi du type BAV 21 par exemple. Les différents condensateurs de ce second étage 24 ont une capacité de 10 nF et supportent des tensions supérieures à 200 V par exemple. Le second étage 24 multiplicateur est relie à un pont de résistances connecté au P.M. 10. Le pont de résitances est constitue de huit résistances référencées de RO à R8. Les valeurs de ces résistances dependent du choix par l'utilisateur des tensions fixées aux bornes de chaque étage du P.M. 10. Ce choix est guidé par les conseiLs du fabricant du P.M. qui suggère, si l'on attribue un coefficient 1 à la tension appliquée entre dl et d2, d'appliquer un coefficient 1,9 entre la photocathode 12 et dl, un coefficient 1,5 entre d2 et d3, un coefficient 1 pour les 5 étages suivants et un coefficient 2,35 pour les derniers étages. Les etages 22 et 24 sont isolés électriquement par un blindage. La photocathode 12 est reliée à la masse. Le courant électrique mesuré est débité par l'anode dans un transformateur 32 couplé à un condensateur 34 de 10 nF pouvant supporter une tension supérieure à 1 500 V par exemple. La mesure est effectuée sur le secondaire du transformateur 32. Le générateur 26 peut être réalisé de manière connue par l'Homme de métier suivant plusieurs dispositifs. La figure 5 représente schématiquement un premier montage d'un genérateur de créneaux de tension. Ce montage utilise un circuit intégré 36 de type LM 555, fabriqué par la société National Semiconductor par exemple. Les références 1 à 8 désignent le numéro des broches de connexion du circuit 36. Ce montage de générateur est alimenté par une source électrique 38 délivrant une tension continue de 100 à 250 V par exemple. L'avantage de ce système est que la haute tension obtenue est proportionnelle à la tension de la source 38 d'alimentation. On peut donc faire varier la première en ajustant la seconde. La figure 6 représente schématiquement un second montage d'un générateur de créneaux de tension. Il s'agit ici d'un oscillateur auto-bloquant dit aussi bobine de Ruhmkorff électronique. Le circuit intégré 36 du type LM 555 compose encore ici L'élément central de ce dispositif. Le montage est alimente par une source éLectrique 40 fournissant une tension de 12 V, par exemple. Ces deux types de générateur présentent donc L'avantage de pouvoir fonctionner en étant alimentés par des piles électriques. On notera que, dans l'application à la prospection géophysique, seules les sources électriques d'alimentation primaire 38 (figure 5) et 40 (figure 6) sont à la surface, le reste du montage se trouvant au fond du puits de forage. Dans une source d'alimentation selon la figure 4, munie d'un générateur de créneaux de tension selon la figure 5, on observe une consommation de L'ordre de 400 mW, à comparer avec une consommation de l'ordre de 5 à 10 W pour un montage selon la figure 1 de 10 à 20 W pour un montage selon La figure 3, toutes choses égales par ailleurs. Cette diminution de consommation tire son origine dans Le fait que, dans L'invention, Le courant absorbé dans Les derniers étages ne coule pas dans la channe de résistances dont les valeurs peuvent, de ce fait, être beaucoup moins élevées. Une source d'alimentation pour la mise en oeuvre du procédé d'alimentation d'un photomultiplicateur, selon L'invention, présente bien un faible encombrement. Le problème de L'alimentation primaire par piles d'une telLe source d'une part, Le problème de limitation de puissance dûe au transport de l'éner- gie à travers des câbles d'autre part, sont ainsi résolus. De plus, les derniers étages étant reliés chacun à une alimentation indépendante, Le problème de la stabilité du gain ne se pose plus. Revendications 1. Procédé d'alimentation d'un photomultiplicateur à plusieurs étages, caracterisé en ce qu'il consiste à alimenter au moins Le dernier étage du photomultiplicateur par une pompe à diodes. 2. Source d'alimentation pour La mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend au moins une pompe à diodes. 3. Source d'alimentation selon la revendication 2, caractérisée en ce qu'elle comprend une pluralité de pompes à diodes reliées en série. 4. Source d'alimentation selon l'une quelconque des revendications 2 et 3, caractérisée en ce qu'elle comprend un multiplicateur de tension. 5. Source d'alimentation selon la revendication 4, caractérisée en ce que ledit multiplicateur est relié en série à ladite pompe à diodes ou à ladite pluralité de pompes à diodes, reliées en série entre elles. 6. Source d'alimentation selon la revendication 4, caractérisée en ce que Ledit multiplicateur est relié par une sortie à un pont de résistances. 7. Source d'alimentation selon la revendication 2, caractérisée en ce qu'une desdites pompes à diodes est alimente par un génerateur (26) de créneaux de tensions. 8. Source d'alimentation selon la revendication 4, caractérisée en ce que Le multiplicateur est également alimenté par le genérateur (26) de créneaux de tension. 9. Photomultiplicateur caractérise en ce qu'il incorpore une source d'alimentation conforme à l'une des revendications 2 à 8.