Brevet FR2881874A1 — publié le 20060811

TUBE PHOTOMULTIPLICATEUR À MOINDRE ÉCARTS DE TEMPS DE TRANSIT DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE La présente invention est relative à un tube multiplicateur d'électrons monovoie. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE Un tube photomultiplicateur comporte en général à l'intérieur d'une enveloppe étanche vide de gaz, une électrode sensible à la lumière, appelée photocathode, une optique électronique de focalisation, un multiplicateur d'électrons pour multiplier les électrons émis par la photocathode et une anode qui collecte les électrons multipliés. La demande de brevet FR 1.288.477 correspondant au brevet US ayant le numéro de dépôt 27066, attribué à Radio Corporation of America, décrit en liaison avec la figure unique de ce brevet, un tube photomultiplicateur monovoie, comportant une enveloppe étanche 10. L'enveloppe étanche 10 comporte, une paroi formant fenêtre de transparence 12 à des photons. La fenêtre 12 a une face externe et une face interne. La face interne présente une concavité ayant un axe central. La concavité est tournée vers l'intérieur du tube. Elle a un plan de symétrie contenant l'axe central. Une photocathode 14 est disposée sur la face 30 interne de la paroi formant la fenêtre de transparence de façon à recevoir des photons lumineux ayant traversé la fenêtre de transparence, - une optique de focalisation comportant plusieurs électrodes focalise les électrons provenant de la photocathode sur une première dynode 31 d'un multiplicateurs d'électrons à structure linéaire focalisée située en aval de l'optique dans le sens de parcours des électrons. Le multiplicateur comporte une pluralité de dynodes 31-40 dont une première dynode 31, des dynodes intermédiaires, une avant dernière dynode et une dernière dynode. Le tube comporte également une anode 42. Des moyens 18 de raccordement traversent l'enveloppe étanche 10 et comportent des contacts 18 de raccordement extérieurs à l'enveloppe 10, eux même raccordés à des liaisons électriques internes de raccordement, et permettent de raccorder respectivement les dynodes, la photocathode 14, des électrodes 16, 20, 22, 24 formant ensemble l'optique de focalisation, et l'anode 42, à leur tension respective de fonctionnement, Le tube monovoie décrit dans cette demande est employé dans des applications où l'homogénéité de temps de transit entre l'instant où un électron est émis par la photocathode et un instant où un paquet d'électrons résultant de la multiplication de cet électron par le multiplicateur est un facteur important. Un tube parfait aurait des temps de transit égaux entre eux quel que soit le lieux d'émission sur la photocathode et l'énergie initiale de l'électron émis. Dans le tubes monovoie décrit ci-dessus, la dispersion des temps de transit entre photocathode et première dynode du multiplicateur est réduite par le fait que la photocathode est montée sur une surface hémisphérique. Du fait de cette forme la distance entre les différents points de la photocathode et un centre est égale. Cette géométrie contribue à réduire la dispersion des temps de transit en fonction du lieu d'émission d'un électron sur la photocathode. EXPOSÉ DE L'INVENTION L'invention a pour objet un tube photomultiplicateur monovoie présentant une résolution temporelle améliorée par rapport aux tubes monovoie connus de l'art antérieur. Ce but est atteint par le fait que l'on dispose dans le tube un multiplicateur d'électrons composé de plusieurs parties multiplicatrices physiquement distinctes l'une de l'autre, et présentant entre elles une symétrie de révolution par rapport à l'axe central de la concavité. Chaque partie de multiplicatrice constitue en fait un multiplicateur autonome. La photocathode hémisphérique est ainsi divisée de façon virtuelle en autant de parties de cathodes qu'il y a de parties de multiplicateurs. Lorsque la photocathode a une forme de révolution autour d'un axe, les parties de photocathode sont des secteurs angulaires dont le sommet coïncide avec l'axe de révolution. Chaque secteur de photocathode correspond à un multiplicateur dédié. Du fait de la symétrie de révolution les secteurs sont égaux entre eux. Ainsi selon l'invention on dispose dans une zone où les électrons émis par chacun des secteurs de photocathode sont focalisés de façon commune par une 2881874 4 optique de focalisation commune, autant de premières dynodes que de secteurs. Chaque première dynode est une dynode d'un multiplicateur autonome multipliant les électrons en provenance du secteur de photocathode correspondant à cette dynode. Comme l'ensemble des dynodes, ces premières dynodes de chacun des multiplicateurs sont symétriques de révolution par rapport à l'axe du tube. Du fait que les électrons en provenance d'un secteur seulement de photocathode présentent des trajectoires ayant entre elles des angles de divergence moindre que les angles de divergence présentés entre elles par les trajectoires des électrons provenant de la cathode entière, et donc des différences de longueur de parcours moindres, les différences de temps de transit des électrons de la photocathode à la première dynode de chaque multiplicateur sont moindres. D'autre part les trajectoires des électrons entre première dynode Dl et seconde dynode D2 de chaque multiplicateur présentent aussi entre elles des différences de longueurs de parcours qui sont plus petites que les différences de longueurs de parcours que l'on aurait avec une seule grande première dynode renvoyant les électrons vers une seule grande seconde dynode. De ce fait les différences de temps de parcours des électrons entre les première et seconde dynodes de chaque multiplicateur sont réduites également. Il en va de même quoique dans une mesure moindre des temps de parcours entre étages consécutifs de chacun des multiplicateurs. 2881874 5 On obtient ainsi un tube monovoie présentant une dispersion de temps de transit moins grande que celle des tubes de l'art antérieur. En résumé l'invention est relative à un tube 5 photomultiplicateur monovoie à moindres écarts de temps de transit comportant - une enveloppe étanche, ayant une paroi formant une fenêtre de transparence à des photons et comportant une face externe et une face interne présentant une concavité ayant un axe central, tournée vers l'intérieur du tube, et ayant un plan de symétrie contenant l'axe central, - une photocathode disposée sur la face interne de la paroi formant la fenêtre de transparence de façon à recevoir des photons lumineux ayant traversé la fenêtre de transparence, - une optique de focalisation comportant une ou plusieurs électrodes, - un multiplicateur d'électrons à structure linéaire focalisé situé en aval de l'optique dans le sens de parcours des électrons, comportant une pluralité de dynodes dont une première dynode, des dynodes intermédiaires, une avant dernière dynode et une dernière dynode, - une anode, - des moyens de raccordement traversant l'enveloppe étanche et comportant des contacts de raccordement extérieurs à l'enveloppe, eux même raccordés à des liaisons électriques internes de raccordement, pour raccorder respectivement les dynodes, la photocathode, des électrodes formant 2881874 6 l'optique de focalisation, et l'anode, à leur tension respective de fonctionnement, caractérisé en ce que - le multiplicateur d'électrons est composé de parties physiquement distinctes l'une de l'autre, chaque partie formant un multiplicateur autonome, les multiplicateurs autonomes présentant entre eux une symétrie de révolution par rapport à l'axe central de la concavité. Dans un mode de réalisation l'enveloppe étanche comporte un manchon isolant cylindrique centré sur l'axe central de la concavité portant la photocathode, la paroi formant fenêtre de transparence étant raccordée à une extrémité dudit manchon, et l'optique de focalisation comporte une électrode accélératrice et focalisatrice, une électrode correctrice de focalisation formée par une couche mince conductrice en forme de portion de surface cylindrique déposée sur la paroi intérieure du manchon ayant une extrémité proche de la photocathode dans une zone située entre la photocathode et l'électrode accélératrice, favorisant l'accélération initiale des photo-électrons de la zone périphérique en accroissant le champ électrique à leur voisinage. Dans le mode préféré de réalisation, le tube comporte deux multiplicateurs, la concavité est hémisphérique et l'optique de focalisation et les deux multiplicateurs comportent un plan de symétrie qui est un plan de symétrie de la concavité. Cette solution permet de mettre deux multiplicateurs en parallèle avec un axe commun sur le plan de symétrie. 2881874 7 Dans ce mode de réalisation les secteurs angulaires sont de 180 . Dans une variante du mode préféré de réalisation, les premières dynodes de chaque multiplicateur ont une partie qui est la plus proche de la photocathode tangente en un même point audit plan de symétrie et présentent chacune une concavité, les concavités respectives de chacune des premières dynodes n'étant pas tournées l'une vers l'autre. Cette solution permet de mettre deux multiplicateurs en parallèle avec un point commun sur le plan de symétrie. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS L'invention sera maintenant décrite à l'aide des dessins annexés dans lesquels: La figure 1 représente une coupe longitudinale d'un tube photomultiplicateur selon l'invention effectuée selon un plan de symétrie du tube. Des trajectoires d'électrons dans ce plan de symétrie, entre une première moitié d'une photocathode et la première dynode d'un premier multiplicateur d'électrons sont également représentées. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS La figure 1 représente une coupe longitudinale d'un tube photomultiplicateur 1 à deux multiplicateurs 25 selon l'invention. Le tube photomultiplicateur 1 comporte une enveloppe étanche 4, formé par un ensemble de parois assemblées entre elles. Dans l'exemple représenté, une première paroi 3 a une forme de manchon cylindrique, d'axe AA'. Le manchon cylindrique est réalisé de 2881874 8 préférence dans une matière isolante, par exemple du verre. Le manchon est complété à une extrémité par une paroi 5 formant une fenêtre de transparence à des photons. Il est complété à l'autre extrémité par une paroi 8 de fond. Des broches 12 de raccordement des différentes électrodes situées à l'intérieur de l'enveloppe étanche 4 passent de façon étanche, et de façon en elle-même connue au travers de cette paroi 8 de fond. Lorsque le tube est en fonctionnement, ces broches 12 sont respectivement couplées à des sources de tension, appliquant des tensions de fonctionnement aux différentes électrodes du tube. La paroi 5 formant la fenêtre de transparence du tube comporte une face 6 externe plane et une face 7 interne présentant une concavité tournée vers l'intérieur du tube. Cette concavité est dans l'exemple représenté une calotte sphérique, dont le centre est situé sur l'axe AA' du tube. Elle présente donc un plan de symétrie matérialisé sur la figure 1 par l'axe AA'. La figure 1 est une coupe axiale selon un plan contenant cet axe de symétrie. Une photocathode 2 est disposée sur la face interne 7 de la paroi 5 formant la fenêtre 5 de transparence, de façon à recevoir des photons lumineux ayant traversé la fenêtre de transparence 5. De façon en elle-même connue la photocathode 2 est constituée par une couche d'un matériau photoémetteur, par exemple une couche d'un matériau multialcalin ou de l'argent-oxygène-césium, ou du césium-antimoine. Il peut aussi s'agir d'un autre matériau photoémetteur. Le matériau est choisi en fonction de ses caractéristiques spectrales de photo 2881874 9 émission et des longueurs d'onde des photons auxquels le tube photomultiplicateur va être appliqué. De façon fictive, la photocathode 2 comporte deux parties 21, 22 symétriques l'une de l'autre par rapport à un plan de symétrie, dont l'intersection avec le plan de la figure est matérialisée sur la figure 1 par l'axe de symétrie AA' de la calotte sphérique. De la photocathode 2 vers la paroi de fond 8, le tube comporte dans l'ordre, une optique 9 de focalisation comportant une électrode 13 accélératrice et focalisatrice. L'optique 9 de focalisation peut aussi comporter comme dans l'exemple représenté une électrode 15 correctrice de focalisation. Dans l'exemple représenté, cette électrode 15 correctrice de focalisation est formée par une couche mince conductrice en forme de portion de surface cylindrique déposée sur la face intérieure du manchon 3. L'électrode 15 correctrice de focalisation a dans la direction axiale une extrémité proche de la photocathode 2 dans une zone située entre la photocathode 2 et une partie qui est la plus amont de l'électrode 13 accélératrice et focalisatrice. Dans ce qui est décrit ici, l'amont et l'aval s'entendent dans le sens de parcours du flux d'électrons provenant au départ, donc en amont, de la photocathode et dirigés vers l'aval donc l'anode. L'optique de focalisation 9 est ainsi commune aux deux multiplicateurs autonomes 24, 26 du tube 1. En aval de l'optique 9 de focalisation, le tube 1 comporte un multiplicateur 11 d'électrons formé par un ensemble de deux parties multiplicatrices 24, 26 2881874 10 physiquement distinctes l'une de l'autre et symétriques l'une de l'autre par rapport au plan de symétrie du tube. Ces parties multiplicatrices constituent des multiplicateurs autonomes 24, 26. Chacun des multiplicateurs 24, 26 comporte des dynodes en structure linéaire focalisante dite de Rajchman. Par physiquement distincts, on veut dire que les dynodes composant chacun des multiplicateurs sont physiquement distinctes des dynodes composant l'autre multiplicateur. Cela n'exclut pas que des dynodes de même rang des deux multiplicateurs 24, 26 soient raccordées à une même source de tension, et donc qu'il y ait une partie commune de raccordement. Cette partie commune de raccordement peut être à l'extérieur ou à l'intérieur de l'enveloppe 4. De même cela n'exclut pas que deux dynodes de même rang dans chacun des multiplicateurs 24, 26 aient un point ou une zone de contact l'une avec l'autre. Chaque multiplicateur 24, 26 d'électrons comporte une pluralité de dynodes dont une première dynode 31, 32, respectivement, une seconde dynode 23, 25, respectivement des dynodes intermédiaires 33, 34 respectivement, une avant dernière dynode 35, 36 respectivement et une dernière dynode 37, 38 respectivement situées en aval de l'optique 9 dans le sens de parcours des électrons. En aval de la dernière dynode 37, 38, dans le sens de parcours des électrons, le tube comporte une anode 16 formée par deux conducteurs 17, 18 respectivement, électriquement raccordés l'un à l'autre pour former une anode unique du multiplicateur 11. 2881874 11 Ainsi une première voie de multiplication du tube 1 est matérialisée par la première moitié 21 de la photocathode 2, l'optique 9 commune, le premier multiplicateur 24, et la partie 17 de l'anode 16. La seconde voie de multiplication du tube 1 est matérialisée par la seconde moitié 22 de la photocathode 2, l'optique 9 commune, le second multiplicateur 26, et la partie 18 de l'anode 16. Dans l'exemple représenté sur la figure 1, les dynodes, 32, 34, 36, 38 et 31, 33, 35, 37 de même rang des deux multiplicateurs 24, 26 à l'exception d'une dynode 30, 39 de réglage de gain dans chaque multiplicateur sont raccordées à une même broche de raccordement respectivement. les dynodes 30, 39 de réglage respectivement de chacun des deux multiplicateurs 24, 26 ont un raccordement permettant un réglage en tension indépendant pour chacune d'elles. Dans l'exemple représenté figure 1, les premières dynodes 31, 32 de chaque multiplicateur 24, 26 respectivement sont symétriques l'une de l'autre par rapport au plan de symétrie de la concavité de la fenêtre de transparence 5. Chacune de ces premières dynodes 31, 32 a une partie 27, 28 respectivement qui est la plus proche de la photocathode 2. les parties 27, 28 de chacune des premières dynodes 31, 32 sont respectivement tangentes en un même point l'une à l'autre et audit plan de symétrie. Les premières dynodes 31, 32 présentent une concavité dont les centres respectifs de courbure sont symétriques les uns des autres par rapport au plan de symétrie. Les centres de courbure de chacune des premières dynodes 31, 32 2881874 12 respectivement sont situés du même côté du plan de symétrie que la dynode correspondante. On peut voir sur la figure 1, que chacune des premières dynodes est constituée par un ensemble de quatre parties planes, la courbure d'ensemble résultant du fait que deux parties planes consécutives forment un dièdre. Dans le plan de coupe représenté, il est considéré qu'un centre de courbure d'un dièdre est le centre du cercle tangent à chacune des deux faces des parties planes formant le dièdre. Le fonctionnement est le suivant: De façon en elle -même connue, lorsqu'un électron est émis par la photocathode 2, cet électron est accéléré et dirigé par l'optique 9 vers l'une ou l'autre des premières dynodes 31, 32 Des trajectoires temporisées d'électrons émis par la partie 21 de la photocathode 2 sont représentées sur la figure 1. Les électrons provenant de la partie 21 sont majoritairement dirigés vers la première dynode 31 appartenant au premier multiplicateur 24. Les électrons sont multipliés par la première dynode 31 du premier multiplicateur 24. Les électrons provenant de la première dynode 31 sont projetés sur la seconde dynode 23 du premier multiplicateur 24. Les électrons sont ensuite multipliés de dynode en dynode et le flux multiplié atteint la partie 17 de l'anode unique 16. Les moyennes des temps de parcours des différents électrons entre la photocathode 2 et la première dynode 31 du premier multiplicateur 24 figurent en regard des points de départ des électrons sur la photocathode 2. Ces moyennes de temps de 2881874 13 parcours varient entre 6,24 et 6, 40 nanosecondes. Les différences initiales de temps de parcours sont donc très faibles. Ces différences de temps de parcours seront encore atténuées au cours de la multiplication. L'amélioration de l'homogénéité des temps de parcours est due au fait qu'il y a un moindre écart de parcours entre les électrons provenant d'un secteur tel que 21 ou 22 de la photocathode et la première dynode de chaque multiplicateur. Il en va de même entre première et seconde dynode de chaque multiplicateur. Le tube présentant une symétrie, tout ce qui a été dit à propos de la première voie de multiplication s'applique mutatis mutandis à la seconde voie de multiplication. Les électrons émis par la seconde partie 22 de la photocathode sont dirigés majoritairement vers la première dynode 32 du second multiplicateur 26. Le signal est recueilli sur la partie 18 de l'anode unique 16. Malgré les précautions prises pour avoir une symétrie aussi grande que possible entre les deux voies, les tolérances de fabrications font que les deux voies ne sont pas aussi symétriques l'une de l'autre qu'il serait souhaitable. De ce fait, il est avantageux de prévoir dans chacun des multiplicateurs 24, 26 une dynode de réglage de gain, 30, 39 respectivement. Les dynodes de réglage de gain sont des dynodes qui contrairement aux autres dynodes de même rang de chaque multiplicateur ne sont pas raccordées à des sources de tension de même valeur. Ces dynodes 30, 39 disposent donc chacune d'une broche 12 de raccordement qui lui est propre et peut être raccordée à une source de tension qui est propre à chaque dynode de réglage de gain. Les dynodes 30, 39 permettent de faire un équilibrage du gain global de chacun des multiplicateurs 24, 26 et une égalisation des temps de transit entre voies de multiplication. 2881874 15 REVENDICATIONS 1) Tube photomultiplicateur (1) monovoie à moindres écarts de temps de transit comportant - une enveloppe étanche (4), ayant une paroi (5) formant une fenêtre de transparence à des photons et ayant une face (6) externe et une face (7) interne présentant une concavité interne ayant un axe central (AA'), tournée vers l'intérieur du tube, et ayant un plan de symétrie contenant l'axe central (AA'), - une photocathode (2) disposée sur la face interne (7) de la paroi (5) formant la fenêtre de transparence (5) de façon à recevoir des photons lumineux ayant traversé la fenêtre de transparence (5), - une optique (9) de focalisation comportant une ou plusieurs électrodes, - un multiplicateurs (il) d'électrons à structure linéaire focalisée situé en aval de l'optique (9) dans le sens de parcours des électrons, comportant une pluralité de dynodes (23, 25, 30-39) dont une première dynode (31), des dynodes intermédiaires (33), une avant dernière dynode (35) et une dernière dynode (37) - une anode (16), - des moyens (12) de raccordement traversant l'enveloppe étanche et comportant des contacts (12) de raccordement extérieurs à l'enveloppe (4), eux même raccordés à des liaisons électriques internes de raccordement, pour raccorder respectivement la photocathode (2), les dynodes (23, 25, 30-39), des électrodes (13, 15) formant ensemble l'optique (9) de focalisation, et l'anode (16), à leurs tensions respectives de fonctionnement, caractérisé en ce que - le multiplicateur (11) d'électrons est composé de parties (24, 26) physiquement distinctes l'une de l'autre, chaque partie formant un multiplicateur (24, 26) autonome, les multiplicateurs autonomes (24, 26) présentant entre eux une symétrie de révolution par rapport à l'axe central de la concavité. 2) Tube photomultiplicateur (1) selon la revendication 1 dans lequel l'une (30, 39) des dynodes (23, 25, 30-39) de chaque partie (24, 26) de multiplicateur est une dynode (30, 39) d'ajustement de gain, chacune des dynodes (30, 39) d'ajustement de gain ayant son propre moyen (12) de raccordement. 3) Tube photomultiplicateur (1) selon l'une des revendications 1 ou 2 dans lequel l'enveloppe étanche (4) comporte un manchon (3) isolant cylindrique centré sur l'axe central de la concavité portant la photocathode (2), la paroi (5) formant fenêtre de transparence étant raccordée à une extrémité dudit manchon (3), et dans lequel l'optique (9) de focalisation comporte une électrode (13) accélératrice et focalisatrice, une électrode (15) correctrice de focalisation formée par une couche mince conductrice en forme de portion de surface cylindrique déposée sur la face intérieure du manchon (3) ayant une extrémité proche de la photocathode (2) dans une zone située entre la photocathode et l'électrode (13) accélératrice et focalisatrice. 2881874 17 4) Tube photomultiplicateur (1) selon l'une des revendications 1 à 3 dans lequel la concavité interne de la fenêtre de transparence (5) est hémisphérique et où l'optique de focalisation (9) et les deux parties (24, 26) de multiplicateurs comportent un plan de symétrie qui est un plan de symétrie de la dite concavité interne. 5) Tube photomultiplicateur (1) selon la revendication 4 dans lequel les premières dynodes (31, 32) de chaque partie (24, 26) de multiplicateur ont une partie qui est la plus proche de la photocathode (2) tangente en un même point audit plan de symétrie et présentent chacune une concavité, les concavités respectives de chacune des premières dynodes (31, 32) n'étant pas tournées l'une vers l'autre. 6) Tube photomultiplicateur (1) selon l'une des revendications 1 à 5 dans lequel la face externe (6) de la fenêtre de transparence (5) est plane.