Brevet FR2669793A1 — publié le 19920529

La présente invention concerne un dispositif électronique de discrimination, dans un ensemble de N signaux analogiques ai (i=l, ..., N), entre un signal principal d'amplitude al et N-l autres signaux, dits signaux parasites, d'amplitude respective a. (j=2, ..., N) inférieure à al, ledit dispositif comprenant N comparateurs logiques et chacun des N signaux analogiques étant appliqué à une première entrée d'un des N comparateurs logiques dont une deuxième entrée reçoit un signal de polarisation. L'invention concerne également un tube photomultiplicateur multicanal comprenant un multiplicateur d'électrons à p dynodes divisé en M multiplicateurs élémentaires indépendants, et au moins un moyen d'anode situé entre les deux dernières dynodes dudit multiplicateur d'électrons. D'une façon générale, l'invention trouve une application avantageuse à chaque fois que l'on doit sélectionner un signal de plus grande amplitude parmi des signaux parasites d'amplitude plus faible. Plus particulièrement, l'invention permet de réduire très sensiblement la diaphonie entre les différentes voies des détecteurs à canaux multiples, notamment les tubes photomultiplicateurs multicanaux. L'utilisation de détecteurs multi-voies a connu récemment un grand essor lié à la possibilité de détecter simultanément de nombreuses informations avec un dispositif compact unique. En particulier, le détecteur S.O.F.I. (Scintillating Optical Fiber Imager), développé par la Demanderesse et ayant fait l'objet de la demande de brevet français n" 87 18179, met en oeuvre un tube photomultiplicateur multicanal du type de celui décrit dans le préambule. Toutefois, ces détecteurs présentent l'inconvénient de donner lieu au phénomène de diaphonie dû à une indépendance limitée entre les différents canaux de détection : lorsqu'un signal est reçu sur un canal, une fraction de ce signal peut être observée sur des canaux voisins.Ce phénomène, lié à la structure interne du détecteur (et/ou à des couplages capacitifs entre voies) dégrade les performances des appareils qui l'utilisent et limite leur diffusion. A titre d'exemple, dans le cas d'un tube photomultiplicateur multicanal, théoriquement équivalent à des photomultiplicateurs indépendants, la taille réduite du multiplicateur d'électrons de ce tube entraîne une diaphonie inter-voies dont les conséquences dépendent fortement de son mode d'utilisation. En effet, il s'est avéré que lorsque l'on extrait un courant continu issu des différentes voies, la diaphonie reste négligeable. Par contre, pour des applications nécessitant la discrimination d'amplitude (détection d'impulsions), ce problème devient fondamental car pour un seuil de validation faible (cas des grandes dynamiques) le taux de couplage entre deux voies adjacentes peut atteindre près de 100 %. Dans le but de s'affranchir des diaphonies ou du bruit de fond, on peut utiliser le codage en amplitude de toutes les voies, cette méthode est toutefois coûteuse et lente. Aussi, on a généralement recours au dispositif de discrimination conforme au préambule dans lequel le signal de polarisation joue le rôle de seuil discriminateur, la sortie logique des comparateurs étant 1 ou 0 selon que le signal appliqué à la première entrée desdits comparateurs est supérieur ou inférieur au signal de polarisation appliqué à la deuxième entrée. Cette méthode à seuil discriminateur est très efficace lors de la détection de signaux monoamplitudes (transmissions numériques, particules monoénergétiques perdant toute leur énergie dans le détecteur, etc.). Cependant, lorsque les signaux à détecter couvrent une large dynamique, ce qui est le cas pour le détecteur S.O.F.I. utilisé en radiochromatographie à très haute résolution de rayonnements ionisants, un tel système de détection à seuil provoque une perte d'efficacité de détecteur, perte d'autant plus grande que le rapport signal parasite/signal principal est élevé. Aussi, le problème technique à résoudre par l'objet de la présente invention est de réaliser un dispositif électronique de discrimination conforme au préambule qui permettrait d'atteindre un taux de diaphonie beaucoup plus faible que celui des dispositifs connus à seuil, sans nécessiter un codage d'amplitude des impulsions détectées. Une solution au problème technique posé consiste, selon la présente invention, en ce que ledit dispositif comporte également un moyen additionneur analogique fournissant un signal représentatif de la somme S des N signaux, un circuit multiplicateur multipliant par un coefficient de rejet F le signal de sortie S dudit moyen additionneur, un circuit de polarisation fixe P0, et un circuit additionneur dont le signal de sortie, formé par la somme du signal de sortie FxS dudit circuit multiplicateur et de la polarisation fixe Po, constitue ledit signal de polarisation donnée appliqué à la deuxième entrée desdits comparateurs logiques. Ainsi, le principe du dispositif de discrimination, objet de l'invention, qui sera désigné dans la suite par RED1 (RED pour Rejet Electronique de Diaphonie) consiste donc à fabriquer la somme analogique S de tous les signaux de l'ensemble considéré, issus par exemple des canaux d'un tube photomultiplicateur multicanal, et à superposer une fraction F de cette somme au signal de polarisation (ou seuil constant PO) sur la deuxième entrée de chaque comparateur logique. Le signal FxS+Po joue donc le rôle d'un seuil dynamique. L'action de RED1 est particulièrement efficace, car, comme on le montrera plus tard, les problèmes de diaphonie d'amplitude inférieure au signal principal al sont totalement éliminés. En pratique, des effets non-linéaires dus à la dynamique élevée des signaux à traiter peuvent limiter l'efficacité du dispositif de discrimination RED 1. Pour améliorer le taux de rejet, il est prévu, selon la présente invention, que les signaux de sortie des N comparateurs logiques sont appliqués respectivement à N entrées d'une porte OU dont le signal de sortie est à son tour appliqué à un multivibrateur monostable de durée to, la borne de sortie dudit multivibrateur monostable étant connectée à une entrée de blocage de chaque comparateur logique. Les moyens de discrimination temporelle précités, appelés RED2, ont pour effet de sélectionner, dans les impulsions correspondant à un évènement, celle présentant la plus grande amplitude. Le dispositif exploite le décalage temporel entre deux impulsions de hauteur différente pour atteindre un seuil donné. Ainsi, en bloquant instantanément le système de détection dès qu'un des comparateurs a basculé à 1, on sélectionne l'impulsion de plus grande amplitude. La superposition de REDI et RED2 permet d'atteindre une discrimination optimale avec un taux de diaphonie n'excédant pas 2 %. 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 être réalisée. La figure 1 est le schéma d'un dispositif électronique de discrimination de signaux selon l'invention. La figure 2 est le schéma d'un perfectionnement au dispositif de la figure 1. Les figures 3a) à 3d) sont des diagrammes temporels des signaux impliqués dans le fonctionnement du dispositif de la figure 2. La figure 4 est un diagramme donnant le taux de diaphonie en fonction du coefficient de rejet F pour deux valeurs du signal de polarisation Po. La figure 5 est une vue en coupe d'un tube photomultiplicateur multicanal muni du dispositif de discrimination de la figure 2. La figure 6 est une vue en coupe d'une variante du tube photomultiplicateur multicanal de la figure 5. La figure 7 est un graphique donnant les valeurs possibles du coefficient de rejet F en fonction de l'amplitude a des signaux parasites pour un nombre total N de signaux égal à 4. La figure 1 montre un schéma d'un dispositif électronique de discrimination, dans un ensemble de N signaux analogiques a. avec i = 1, N, entre un signal principal d'amplitude al et N-l autres signaux, dits signaux parasites, d'amplitude respective a. (j=2, ..., N) inférieure à al. Comme le montre la figure 1, ledit dispositif de discrimination comprend N comparateurs logiques 1401, .., 140N, chacun des N signaux analogiques, éventuellement amplifiés par des amplificateurs 1001, ..., 100N, est appliqué à une première entrée 1411, ..., 141N d'un des N comparateurs logiques. Une deuxième entrée 1421, ..., 142N des comparateurs 1401, 140N reçoit un signal de polarisation constitué de la façon suivante. Un circuit additionneur analogique 110 fournit un signal S égal à la somme des N signaux ai (le cas échéant multiplié par un coefficient d'amplification qui sera pris ici égal à 1) Un circuit multiplicateur 120 multiplie la somme S par un facteur F, appelé coefficient de rejet.Un deuxième circuit additionneur 130 effectue ensuite la somme du signal FxS issu du circuit multiplicateur 120 et d'une polarisation fixe PO fourni par un circuit 170 de polarisation. Le signal FxS+Po provenant du deuxième circuit additionneur 130 constitue alors le signal de polarisation appliqué à la deuxième entrée desdits comparateurs logiques 1401, ..., 140nu Le dispositif de discrimination par polarisation dynamique ainsi réalisé, que l'on a appelé RED1, permet de sélectionner avec une très grande efficacité un signal principal d'amplitude al parmi des signaux parasites dont l'amplitude a. peut être voisine de al. Cette propriété avantageuse de RED1 sera maintenant illustrée sur un exemple. Considérons un signal principal al normé à 1, et supposons que le phénomène de diaphonie produise N-l signaux parasites d'amplitude normalisée a. En négligeant la polarisation fixe PO généralement petite, la polarisation dynamique appliquée à la deuxième entrée 1421, ..., 142N des comparateurs logiques vaut F (1 + (N-l) a) Pour obtenir un signal logique 1 en sortie du premier comparateur 1401, il faut F (1 + (N-I) a) De même, pour obtenir un signal logique 0 en sortie des comparateurs 1402, .., 140N, il faut F (1 + (N-l) a) > a (2) Les deux conditions (1) et (2) sont résumées sur la figure 7 dans le cas de N = 4 signaux.Les valeurs possibles pour le coefficient de rejet F sont comprises dans la zone hachurée. On peut voir facilement sur la figure 2 qu'avec F = 1, on peut discriminer tous les signaux parasites quelle que soit la N valeur de l'amplitude normalisée a. En conclusion, le dispositif de discrimination REDI illustré à la figure 1 permet donc théoriquement d'éliminer totalement le phénomène de diaphonie. Toutefois, comme cela a été rappelé plus haut, des effets non linéaires viennent limiter l'efficacité de ce dispositif. Pour réduire encore le taux de diaphonie, on a alors recours à un deuxième dispositif, RED2, qui sera maintenant décrit en liaison avec la figure 2. Comme on peut le voir sur la figure précitée, les signaux de sortie des N comparateurs logiques 1401, ..., 140N sont appliqués respectivement à N entrées 1511, ..., 151N d'une porte OU 150 dont le signal de sortie est à son tour appliqué à un multivibrateur monostable 160 de durée to, égale à 4 ps par exemple. La borne de sortie 162 du multivibrateur monostable 160 est connectée à une entrée de blocage 1431, ..., L43N de chaque comparateur logique, de façon à maintenir, pendant la durée to, lesdits comparateurs dans l'état logique où ils se trouvaient au moment de l'application du signal de sortie du multivibrateur monostable 160. Ce dispositif RED2 permet de discriminer les impulsions sur leur temps de sortie. En effet, comme le montre la figure 3a), un signal tel que al de forte amplitude met, pour atteindre une valeur de seuil donnée, un temps tl plus court que celui, t2, mis par un signal parasite a2 d'amplitude plus faible. Le principe du système RED2 est d'exploiter le décalage temporel t2-tl. A l'instant tl, et avant tout autre signal logique parasite, le signal logique a'l correspondant au signal principal al est appliqué à la porte OU 150. Celle-ci active alors le multivibrateur monostable 160, lequel fournit, à un instant compris entre tl et t2 (instant d'arrivée du signal logique correspondant au premier signal parasite), un signal logique de durée to à chaque entrée de blocage des comparateurs 1401, ..., 140N (Fig. 3b). De ce fait, le signal logique al qui était déjà à 1 avant le blocage reste à 1 (Fig. 3c), tandis que le signal logique a2 qui n'était pas encore passé à 1 avant le blocage reste à 0 (Fig. 3d). Le signal parasite a2 se trouve ainsi filtré par discrimination temporelle. La figure 4 illustre les effets produits par les dispositifs REDI et RED2 sur le tlaux T de diaphonie pour des polarisations fixes respectives P de 30 et 40 mV. o En l'absence de toute discrimination dynamique ou temporelle, la sélection des signaux n'est faite que par rapport au signal de polarisation jouant le rôle de seuil, ce qui conduit, compte tenu de la grande dynamique des signaux à un taux T de diaphonie voisin de 100 %. Comme l'indique la figure 4, la mise en oeuvre d'une discrimination temporelle RED2 s'accompagne d'une diminution très sensible de la diaphonie puisque le taux T est ramené à 25 % (PO = 40 mV) et à 40 % (PO = 30 mV). Puis, l'application d'une discrimination dynamique d'amplitude contribue à réduire le taux de diaphonie jusqu'à 2 % environ pour un coefficient de rejet F de 25 %. La figure 5 montre, en coupe, un tube photomultiplicateur multicanal comprenant une fenêtre d'entrée 200, éventuellement à fibres optiques, une photocathode 220 déposée sur la face interne de la fenêtre d'entrée, une optique d'entrée 230 constituée par au moins une grille, un multiplicateur 240 d'électrons à dynodes 241 du type "à feuilles". Le multiplicateur 240 est divisé en M multiplicateurs élémentaires à l'aide de parois étanches 242 aux électrons disposées entre les dynodes. Une grille 210 servant d'anode commune à tous les multiplicateurs élémentaires est placée entre les deux dernières dynodes du multiplicateur 240 d'électrons. Le signal de sortie de chaque multiplicateur élémentaire est pris sur la dernière dynode. Les M sorties du tube sont regroupées par ensemble de N, les N signaux analogiques d'un même ensemble étant appliqués à l'entrée d'un dispositif électronique de discrimination semblable à celui qui a été précédemment décrit en regard de la figure 2. La figure 6 montre une variante avantageuse du tube photomultiplicateur multicanal de la figure 5, dans laquelle l'anode 210 a été divisée en M/N grilles indépendantes 210k (k = 1, ..., M/N), chacune associée à un ensemble de N multiplicateurs élémentaires. L'anode 210k joue alors le rôle de moyen additionneur analogique fournissant, à un facteur multiplicatif près, la somme des N signaux de sortie d'un ensemble k donné. Il en résulte une simplification de mise en oeuvre du dispositif électronique de discrimination. REVENDICATIONS 1. Dispositif électronique de discrimination, dans un ensemble de N signaux analogiques ai (i=I, ..., N), entre un signal principal d'amplitude al et N-l autres signaux, dits signaux parasites, d'amplitude respective a. (i = 2, ..., N), inférieure à al, ledit dispositif comprenant N comparateurs logiques (1401, ..., 140N) et chacun des N signaux analogiques étant appliqué à une première entrée (1411 ..., 141ni d'un des N comparateurs logiques dont une deuxième entrée (1421, ..., 142N) reçoit un signal de polarisation, caractérisé en ce que ledit dispositif comporte également un moyen additionneur analogique (110 ;; 21Ok) fournissant un signal représentatif de la somme S des N signaux ai, un circuit multiplicateur (120) multipliant par un coefficient de rejet F le signal de sortie S dudit moyen additionneur (110), un circuit (170) de polarisation fixe POX et un circuit additionneur (130) dont le signal de sortie, formé par la somme du signal de sortie FxS dudit circuit multiplicateur (120) et de la polarisation fixe P0, constitue ledit signal de polarisation appliqué à la deuxième entrée (1421, ..., 142N) desdits comparateurs logiques (1401, ....., 140N). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les signaux de sortie des N comparateurs logiques (1401, .., 140N) sont appliqués respectivement à N entrées (151î, ..., 151N) d'une porte OU (150) dont le signal de sortie est à son tour appliqué à un multivibrateur monostable (160) de durée to, la borne de sortie (162) dudit multivibrateur monostable étant connectée à une entrée de blocage (1431, ..., 143N) de chaque comparateur logique. 3. Tube photomultiplicateur multicanal comprenant un multiplicateur (240) d'électrons à p dynodes divisé en M multiplicateurs élémentaires indépendants, et au moins un moyen (210) d'anode situé entre les deux dernières dynodes dudit multiplicateur (240) d'électrons, caractérisé en ce que ledit tube photomultiplicateur comprend un dispositif électronique de discrimination selon l'une des revendications 1 ou 2, lesdits N signaux analogiques dudit ensemble étant constitués par les signaux de sortie pris sur les dernières dynodes de N multiplicateurs élémentaires pris parmi les M. 4. Tube photomultiplicateur selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit moyen d'anode est constitué par une grille indépendante (210k, k = 1, ..., M) associée à l'ensemble des N multiplicateurs élémentaires, ladite grille formant ledit moyen additionneur analogique.