Brevet FR2645706A1 — publié le 19901019

DESCRIPTION ZTUBE PHOTOMULTIPLICATEUR A N VOIES PARALLELES SANS DIAPHONIE" La présente invention concerne un tube photomultiplicateur à N voies parallèles, comportant une photocathode déposée sur un substrat et un multiplicateur d'électrons à dynodes empilables, cloisonné en N multiplicateurs élémentaires et placé au voisinage du substrat de façon à définir sur la photocathode N photocathodes élémentaires par focalisation de proximité. L'invention trouve une application particulièrement avantageuse dans le domaine de la physique nucléaire et plus spécialement dans la localisation précise des particules détectées. Dans les tubes photomultiplicateurs à N voies parallèles utilisés pour les expériences de physique nucléaire, on utilise parfois N faisceaux de fibres optiques pour amener la lumière issue d'un scintillateur, par exemple, sur les N photocathodes élémentaires, ce qui permet d'affecter chaque voie de tube à un certain type d'observation en limitant le phénomène parasite de diaphotie entre voies. Toutefois, on observe expérimentalement que, malgré cette précaution, il subsiste une diaphotie non négligeable entre les voies du tube, celle-ci étant due au fait que les fibres optiques ont un angle d'ouverture relativement grand et que la lumière peut ainsi se propager par réflexion totale à l'intérieur du verre constituant le plus souvent le substrat de la photocathode. Une solution pour remédier à cet inconvénient consiste à utiliser un substrat lui-même composé de fibres optiques. Si elle permet de résoudre effectivement le problème de diaphotie, cette solution n'est cependant pas exempte de désavantages. D'abord, les fibres optiques sont relativement coûteuses. D'autre part, I'efficacité de transmission d'une fibre est limitée par le rapport de la partie utile, le verre de coeur, à la section totale de la fibre, soit environ 70%. Enfin, dans le domaine spectral de l'application envisagée aux scintillateurs nucléaires, soit entre 400 et 450nm, le matériau de verre de coeur a une transmission qui ne représente que 80 à 85% de celle dans le visible. Globalement, la transmission totale d'un substrat en fibres optiques est donc réduite à 60% environ par rapport à celle d'un substrat en verre au borosilicate, par exemple. Aussi, le problème technique à résoudre par l'objet de la présente invention est de proposer un tube photomultiplicateur à N voies parallèles conforme au préambule, qui permettrait d'éliminer complètement la diaphotie entre les voies, et ceci de façon bon marché et sans perte sensible de transmission. La solution au problème technique posé consiste, selon la présente invention, en ce que ledit substrat est percé de N trous disposés en regard des N photocathodes élémentaires, chaque trou, en coopération avec une fenêtre vitreuse dont il est au moins partiellement rempli, faisant office de guide de lumière pour un faisceau lumineux incident. Ainsi, comme on le verra plus loin sur des modes de réalisation particuliers, les N trous canalisent directement la lumière arrivant de fibres optiques, par exemple, sur les N photocathodes élémentaires en écartant toute possibilité de diaphotie. Cet effet technique avantageux est obtenu à peu de frais et avec une perte de transmission limitée dans la mesure où l'on peut réaliser les fenêtres vitreuses en verre au borosilicate dont la transmission optique dans le bleu est maximale. Dans une première variante d'exécution de l'invention, il est prévu, pour des raisons de facilité de réalisation, que le substrat est métallique. Toutefois, dans ce cas, il se produit une perte de lumière provenant de l'absorption, par les parois des troues, des rayons sortant des fibres optiques sous un angle d'ouverture important. Pour surmonter cette difficulté, on peut, d'une part, ne remplir que partiellement les trous de façon à amener l'extrémité des fibres optiques le plus près possible de la photocathode en limitant l'épaisseur de la fenêtre vitreuse. D'autre part1 on peut aussi envisager que ladite fenêtre vitreuse est constituée d'un matériau vitreux central et d'un matériau vitreux périphérique dont l'indice de réfraction est inférieur à celui du matériau vitreux central.De cette manière, le faisceau lumineux incident est complètement guidé par réflexion totale, donc sans perte, sur la photocathode élémentaire correspondante. Dans une autre variante d'exécution mettant également à profit le phénomène de réflexion totale1 on prévoit que, le substrat étant réalisé en un premier matériau vitreux, ladite fenêtre vitreuse est réalisée en un second matériau vitreux dont l'indice de réfraction est supérieur à celui dudit premier matériau vitreux. La description qui va suivre en regard des dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs, fera bien comprendre en quoi consiste l'invention et comment elle peut hêtre réalisée. La figure 1 est une vue en coupe d'un tube photomultiplicateur selon l'invention. Les figures 2 et 3 sont des vues en coupe de deux variantes de réalisation du substrat du tube de la figure 1. La figure 4 est une vue en coupe d'un autre substrat d'un tube photomultiplicateur selon l'invention. La figure 1 montre, en coupe, un tube photomultiplicateur àN voies parallèles, N pouvant hêtre égal à 64 par exemple. Ce tube comporte une photocathode 20 déposée sur un substrat 30, et un multiplicateur 40 d'électrons à dynodes empilables. Un tel multiplicateur d'électrons, dit multiplicateur "à feuilles', est décrit en détail dans le brevet français n 2 549 288; il comprend, notamment, deux grilles d'entrée GI et G2 de forte transparence et une première demi-dynode multiplicatrice D1 au même potentiel que les grilles G1 et G2. Puis on trouve une série de dynodes constituées de deux demi-dynodes dont l'une, telle que D'2, est la demi-dynode extractrice et l'autre, comme D2, la demi-dynode multiplicatrice.Les deux demi-dynodes d'une même dynode sont au même potentiel électrique. Comme l'indique la figure 1, le multiplicateur 40 est cloisonné en N multiplicateurs élémentaires 40a débouchant sur N anodes adjacentes 50a. Chaque multiplicateur élémentaire 40a est séparé de ses voisins par des cloisons 41a étanches aux électrons réalisées par masquage et photogravure. Le multiplicateur 40 est placé au voisinage du substrat 30 de façon à définir sur la photocathode 20 N photocathodes élémentaires 20a par focalisation de proximité. L'ensemble constitué par la photocathode élémentaire 20a, le multiplicateur élémentaire 40a et l'anode 50a réalise une des N voies parallèles du tube. Conformément à la figure 1, le substrat 30 est métallique et percé de N trous 31a disposés en regard des N photocathodes élémentaires 20a. Dans l'exemple de réalisation de la figure 1, chaque trou 31a est rempli d'une fenêtre vitreuse 32a et fait office de guide de lumière par un faisceau lumineux incident 60a ici composé de fibres optiques, mais qui pourrait être tout autre type de faisceau présentant un angle d'ouverture important. On voit sur la figure 1 que les rayons les plus ouverts qui, dans un tube classique à substrat vitreux sans troues, provoqueraient une diaphotie entre voies par réflexion totale, sont absorbés par les parois des trous 31a. Il en résulte, il est vrai, une certaine perte de lumière que le substrat représenté à la figure 2 permet de réduire en limitant l'absorption de la lumière incidente par les parois des trous. En effet, selon la figure 2, les trous 31a ne sont que partiellement remplis par les fenêtres vitreuses 32a. Le faisceau 60a de fibres optiques peut ainsi être placé plus près de la photocathode élémentaire 20a. Toutefois il faut souligner que l'épaisseur de la fenêtre vitreuse 32a ne peut etre diminuée à volonté dans la mesure où elle doit rester compatible avec le vide existant à l'intérieur du tube. On peut également éliminer totalement les effets néfastes de l'absorption par les parois des trous en utilisant la disposition de substrat montré à la figure 3 dans lequel ladite fenêtre vitreuse 32a est constituée d'un matériau vitreux central 33a et d'un matériau vitreux périphérique 34a dont l'indice de réfraction est inférieur à celui du matériau vitreux central. De cette manière, les rayons les plus ouverts sortant du faisceau 60a subissent une réflexion totale sur le matériau vitreux périphérique 34a et sont donc renvoyés sur la photocathode élémentaire 20a. De manière tout à fait analogue, la figure 4 montre une autre utilisation avantageuse du phénomène de réflexion totale, dans laquelle, le substrat 30 étant réalisé en un premier matériau vitreux, ladite fenêtre vitreuse 32a est réalisée en un second matériau vitreux dont l'indice de réfraction est supérieur à celui dudit premier matériau vitreux. REVENDICATIONS 1. Tube photomultiplicateur à N voies parallèles, comportant une photocathode (20) déposée sur un substrat (30) et un multiplicateur (40) d'électrons à dynodes empilables, cloisonné en N multiplicateurs élémentaires (40a) et placé au voisinage du substrat (30) de façon à définir sur la photocathode t20) N photocathodes élémentaires (20a) par focalisation de proximité, caractérisé en ce que ledit substrat (30) est percé de N trous (31a) disposés en regard des N photocathodes élémentaires (20a), chaque trou (31a), en coopération avec une fenêtre vitreuse (32a) dont il est au moins partiellement rempli, faisant office de guide de lumière pour un faisceau lumineux incident (60a). 2. Tube photomultiplicateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le substrat (30) est métallique. 3. Tube photomultiplicateur selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite fenêtre vitreuse (32a) est constituée d'un matériau vitreux central (33a) et d'un matériau vitreux périphérique (34a) dont l'indice de réfraction est inférieur à celui du matériau vitreux central (33a). 4. Tube photomultiplicateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que, le substrat (30) étant réalisé en un premier matériau vitreux, ladite fenêtre vitreuse (32a) est réalisée en un second matériau vitreux dont l'indice de réfraction est supérieur à celui dudit premier matériau vitreux.