Brevet FR2708141A1 — publié le 19950127

PROCEDE DE COMMANDE DU GAIN D'UN TUBE PHOTOMULTIPLICATEUR La présente invention concerne les procédés qui permettent de commander le gain des tubes photomultiplicateurs afin notamment de pouvoir détecter un signal optique présentant une très grande variation d'intensité en un temps très bref. En dépit des progrès des détecteurs à l'état solide, les tubes photomultiplicateurs sont toujours utilisés pour détecter des signaux lumineux de faible intensité etlou présentant des variations rapides dans le temps. C'est en particulier le cas pour les signaux optiques issus de la rétrodiffusion des signaux lasers émis vers la surface de la mer pour repérer .les objets divers situés à l'intérieur de la masse marine. Compte tenu de l'absorption importante de l'eau, les signaux lasers généralement utilisés proviennent surtout de lasers pulsés émettant des impulsions intenses de durée très courte. Ces impulsions sont réfléchies ou rétrodiffusées vers un récepteur optique et l'intensité des signaux en retour varie fortement depuis une valeur importante correspondant à la réflexion directe sur l'interface air/eau jusqu'à une valeur très faible correspondant à la rétrodiffusion limite à la profondeur maximale atteinte. Dans la pratique, et en fonction des différents paramètres comprenant en particulier la turbidité de l'eau, la dynamique de ce signal optique peut excéder 100 dB en moins de 150 nanosecondes. Le tube photomultiplicateur généralement utilisé dans la pratique pour détecter ces impulsions lumineuses peut être polarisé soit pour ne pas être ébloui par l'éclat de la réflexion sur la surface air/zau (gain faible), soit pour détecter le très faible signal correspondant à la portée limite de l'impulsion laser (gain fort). S'il est polarisé pour ne pas être ébloui, il ne pourra pas détecter les signaux les plus faibles, et s'il est polarisé pour détecter ceux-ci il sera ébloui par la réflexion en surface. II est donc nécessaire si on veut utiliser un seul tube pour obtenir la détection sur toute la portée du faisceau laser de faire varier le gain du tube pendant la durée de réception de l'impulsion de préférence sur une dynamique approchant le plus possible celle de l'impulsion réfléchie. Les tubes photomultiplicateurs modernes sont justement conçus pour que l'on puisse modifier leur gain par commutation de tension sur une ou plusieurs grilles spécialisées. L'utilisation de ces grilles ne permet toutefois d'obtenir une dynamique que de l'ordre de 20 dB, ce qui est relativement faible. En outre, cette technique de modification de gain du tube entraîne une variation du temps de transit des électrons à l'intérieur du tube, ce qui est rédhibitoire dans certaines applications où l'on est amené à mesurer une différence de temps entre deux signaux, notamment celle citée plus haut. Une autre technique connue pour faire varier le gain du tube photomultiplicateur consiste à relier les dynodes impaires et paires respectivement à deux réseaux de résistances de polarisation et à ajouter une tension de décalage de quelques dizaines de volts (30 par exemple) par rapport à la tension minimale de fonctionnement, pour réduire le gain du tube. En appliquant des impulsions de -30 volts sur le réseau de dynodes paires par l'intermédiaire d'un ensemble de condensateurs, on peut alors commuter le gain d'une valeur minimale à la valeur nominale pour laquelle est prévue le tube. Toutefois cette technique entraîne un temps de réaction à la commutation qui peut dépasser la centaine de microsecondes, en raison de la forte valeur d'impédance du réseau de polarisation ainsi que la forte tension d'alimentation utilisée. Ce temps de réaction est tout à fait prohibitif pour les applications vues plus haut. On a également envisagé d'autres techniques dérivées de ces deux techniques principales, mais elle concernent toutes une commutation de gain d'une valeur minimale à la valeur nominale avec un temps de commmutation supérieur à la ms. Pour pallier ces inconvénients, I'invention propose un procédé de commande du gain d'un tube photomultiplicateur pour obtenir une réponse linéaire sur une dynamique très importante pendant une durée très courte et sans faire varier sensiblement le temps de transit des électrons à l'intérieur de ce tube, caractérisé en ce que l'on polarise certaines des dynodes intermédiaires d3 - d7 du tube 1 par l'intermédiaire d'un transformateur 25 à très large bande passante et faiblement amorti ; ce transformateur étant luimême alimenté par une rampe de courant sensiblement linéaire et les autres dynodes étant polarisées par un réseau résistif 9 - 18 connu. D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront clairement dans la description suivante, présentée à titre d'exemple non limitatif en regard de la figure unique annexée qui représente une vue schématique d'un tube photomultiplicateur et des circuits de polarisation qui lui sont associés pour mettre en oeuvre le procédé selon l'invention. Sur la figure 1 on a représenté une coupe schématique d'un tube photomultiplicateur 1 comportant une photocatode 2 destinée à recevoir les signaux lumineux pour émettre en réponse un flux d'électrons. Ces électrons sont focalisés par une grille de focalisation 3 vers un ensemble 4 de dynodes dl à d12. De manière bien connue, chaque électron qui frappe une dynode vient provoquer l'émission de plusieurs électrons secondaires qui sont dirigés vers la dynode suivante, où cet effet multiplicateur se reproduit, et ainsi de suite. Le flux d'électrons ainsi multipliés sortant de la dernière dynode d12 arrive sur une anode 5 en provoquant dans la connexion de sortie de cette anode un courant relativement intense eu égard aux quelques électrons émis par la photocatode 2. Cette connexion de sortie de l'anode est reliée à la masse par intermédiaire d'une résistance 6, de 1 kn par exemple. Cette masse correspond au pôle positif d'une source de haute tension, 2000 volts par exemple, dont le pôle négatif est relié à la photocathode 2 par l'intermédiaire d'une résistance 7, de 4,7 MQ par exemple. Le courant qui circule dans la résistance 6 provoque une chute de tension aux bornes de celle-ci et cette chute de tension est appliquée à un connecteur de sortie 8 sur lequel on recueille le signal électrique correspondant au signal lumineux arrivant sur la photocatode 2. Pour pouvoir détecter des signaux lumineux de durée très courte, correspondant donc à des impulsions électriques très courtes sur la sortie 7, L'ensemble est prévu pour fonctionner en hyperfréquence et cette sortie est coaxiale. Pour obtenir l'effet d'amplification électronique souhaité, les différentes dynodes doivent être polarisées par un jeu de tensions échelonnées entre la tension de l'anode et celle de la photocatode. Ces tensions sont obtenues de manière classique par un réseau de polarisation conforme aux spécifications du fabricant et alimenté par la source de haute tension. Dans cet exemple, correspondant à un tube Philips du type XP2233, on utilise un ensemble de résistances 9 à 18 reliées en série entre la masse et le pôle négatif de la source de haute tension. Ces résistances ont par exemple comme valeurs respectives 220 k,Q 200 kQ, 130 kQ, 120 k Q, 100 kQ, 82 kQ, 356 kQ, 136 kQ, 68 kQ et 390 kQ . En outre, pour agir comme réservoir d'énergie, on connecte aux bornes des résistances 9 à 14, selon le schéma représenté sur la figure, des condensateurs 19 à 24 ayant respectivement comme valeurs par exemple 4,7 nF, 3,3 nF, 1 nF, 10 nF, 3,3 nF et 1,1 nF. Selon l'invention cette polarisation des dynodes à l'aide de ce réseau de résistances ne concerne que les dynodes dl, d2, d4, et d7 à d12. Les dynodes d3, d5 et d6, ainsi qu'en partie les dynodes d4 et d7, sont polarisées séparément par l'intermédiaire d'un transformateur 25 décrit cidessous. Ce transformateur, qui est à très large bande et faiblement amorti, comprend un enroulement primaire 26 et 2 enroulements secondaires 27 et 28. Les deux bornes de sortie du premier enroulement secondaire 27 sont reliées respectivement aux dynodes d3 et d4. On rappelle que la dynode d4 est elle-même reliée au réseau de polarisation. Les deux bornes du deuxième enroulement secondaire 28 sont reliées respectivement aux dynodes d5 et d7; la dynode d7 étant elle-même reliée au réseau de polarisation. Ces deux bornes sont en outre reliées entre elles par deux résistances 29 et 30, de valeurs égales à 68 kohms par exemple, reliées en séries pour former un pont dont le point central est relié à la dynode d6. Pour filtrer les tensions ainsi appliquées à ces dynodes par les enroulements secondaires et éviter les surtensions, ces enroulements sont shuntés par des condensateurs 31 et 32, de valeur 47 pF par exemple, et par des diodes 33 et 34, du type 11 DF 04 par exemple. L'enroulement primaire 26 est alimenté par une tension de polarisation, de +80 volts par exemple, filtrée par une résistance 35, de 10 Q par exemple, et deux condensateurs 36 et 37, de 22 microfarads et 0,1 microfarad par exemple, reliés à la masse. L'autre extrémité de cet enroulement primaire est relié au drain d'un transistor à effet de champ 38, du type IRF 530 par exemple, dont la source est reliée à la masse. Cet enroulement primaire est en outre shunté par une diode de roue libre 39, du type 11 DF 04 par exemple. Les signaux de commande du transistor 38 sont appliqués sur sa grille depuis une entrée 40, du type coaxial par exemple. Cette grille est également reliée à la masse par une résistance 41, de 200 ohms par exemple. La tension de commande appliquée sur l'entrée 40 vient faire varier la conductance du transistor 38 qui, compte tenu des valeurs des éléments et des tensions, est utilisée dans sa zone de résistance variable. Cette tension de commande se présente sous la forme d'une rampe de tension variant de O V à 6 V pendant la durée prévue pour la variation du gain souhaité pour le photomultiplicateur 1, c'est-à-dire la période de temps prévue pour détecter le signal lumineux correspondant dans l'exemple décrit à la rétrodiffusion du flash laser. Dans ces conditions, sous l'effet de cette rampe de tension la résistance du transistor 38 diminue linéairement et provoque une variation de courant dans le primaire 26 du transformateur 25, ce qui amène des variations de tension sur les enroulements secondaires 27 et 28, qui sont transmises aux dynodes d3 à d7. Les modifications de différence de potentiel au niveau de ces dynodes par rapport à la répartition normalement obtenue par le réseau de polarisation introduisent des variations de gain locales qui permettent de faire varier de manière continue le gain du tube photomultiplicateur depuis une valeur minimale jusqu'à la valeur nominale. Cette variation peut atteindre une valeur supérieure à 90 dB sur une durée qui peut descendre à une valeur aussi petite que 50 ns. En outre cette variation de gain n'entraîne pas de variation notable du temps de transit des électrons dans le tube photomultiplicateur et permet donc de respecter l'échelle des temps du signal lumineux reçu et de procéder à des mesures correctes de durées. En résumé ce montage permet parfaitement de mesurer des signaux lumineux de trés grande dynamique, supérieure à 90dB par exemple, sur des durées trés courtes, 50 ns par exemple. Il est parfaitement adapté en particulier à la détection des échos lumineux provenant de la rétrodiffusion d'une impulsion laser envoyée sur une surface liquide, par exemple la surface de la mer, pour sonder la masse liquide qui s'étend sous cette surface et détecter les objets immergés sur les fonds marins. REVENDICATIONS 1. Procédé de commande du gain d'un tube photomultiplicateur pour obtenir une réponse linéaire sur une dynamique très importante pendant une durée très courte et sans faire varier sensiblement le temps de transit des électrons à l'intérieur de ce tube, caractérisé en ce que l'on polarise certaines des dynodes intermédiaires (d3 - d7) du tube (1) par l'intermédiaire d'un transformateur (25) à très large bande passante et faiblement amorti; ce transformateur étant lui-même alimenté par une rampe de courant sensiblement linéaire et les autres dynodes étant polarisées par un réseau résistif (9 - 18) connu. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on utilise un transformateur comportant un enroulement primaire (26) alimenté par la rampe de courant et deux enroulements secondaires (27, 28) destinés - à polariser séparément deux groupes de dynodes intermédiaires. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le tube photomultiplicateur comporte 12 dynodes repérées respectivement dl à d12, réparties entre une photocathode (2) et une anode (8) avec la dynode dl située du côté de la photocathode, et que l'on polarise avec le premier enroulement secondaire (27) les dynodes d3 et d4 et avec le deuxième enroulement secondaire (28) les dynodes d5 à d7. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'on relie en outre les dynodes d4 et d7 au réseau résistif (9-18) et que l'on polarise la dynode d6 par un pont résistif (23, 30) relié aux bornes du deuxième enroulement secondaire (28). 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'on alimente le transformateur par un transistor à effet de champ (38) utilisé dans sa zone de variation de résistance.