EP0165119A1 - Dispositif multiplicateur d'électrons, à localisation par le champ électrique - Google Patents

Dispositif multiplicateur d'électrons, à localisation par le champ électrique Download PDF

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EP0165119A1
EP0165119A1 EP85400897A EP85400897A EP0165119A1 EP 0165119 A1 EP0165119 A1 EP 0165119A1 EP 85400897 A EP85400897 A EP 85400897A EP 85400897 A EP85400897 A EP 85400897A EP 0165119 A1 EP0165119 A1 EP 0165119A1
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EP
European Patent Office
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stage
dynode
lamellae
stages
secondary electrons
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EP85400897A
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German (de)
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EP0165119B1 (fr
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Kei-Ichi Kuroda
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Bpifrance Financement SA
Original Assignee
Agence National de Valorisation de la Recherche ANVAR
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J43/00—Secondary-emission tubes; Electron-multiplier tubes
    • H01J43/04—Electron multipliers
    • H01J43/06—Electrode arrangements
    • H01J43/18—Electrode arrangements using essentially more than one dynode
    • H01J43/22—Dynodes consisting of electron-permeable material, e.g. foil, grid, tube, venetian blind

Definitions

  • the invention relates to electron multiplier devices, more particularly photomultiplier tubes.
  • French Patent 78 36148 published under No. 2,445,018, describes an electron multiplier tube capable of "localization".
  • the center of the distribution of secondary electrons on the exit anode corresponds, to a certain extent, to the position of the point of impact of the radiation to be amplified on the entry window of the tube.
  • the word "radiation” is taken here in the broad sense, since it can be photons as well as electrons or other charged particles, capable of causing the extraction of secondary electrons.
  • the electron multiplier previously described gives complete satisfaction, in particular in terms of the spatial resolution that it makes it possible to obtain; but for this it uses the superposition of a magnetic field on the accelerating electric field which the device naturally comprises.
  • the means necessary to obtain this magnetic field tend to complicate the structure of the electron multiplier device, at the same time as increasing its cost. In addition, by their own size, they also tend to reduce the space available for the multiplication of electrons, as well as the width of the input window of the device and / or the access thereof.
  • the present invention comes to solve the problem consisting in producing an electron multiplier device, capable of localization, which functions without an added magnetic field, while making it possible to achieve localization properties which are comparable or almost to those of the previously known electric and magnetic field device.
  • the electron multiplier device comprises, in a vacuum tube, a succession of parallel planar electrodes, which define several stages of dynodes, capable of secondary electronic emission, between an input window and an output anode, and means connected to these electrodes in order to establish between them an electron accelerating field whose general direction is perpendicular to the electrodes.
  • the proposed electron multiplier device has, in certain respects, a structural relationship with the previous device making use of a magnetic field: in both cases, each dynode stage is defined in two successive planes, each consisting of parallel strips interconnected, and these strips are offset from one plane to another so that these two planes together define a baffle obstacle for the electronic paths which are perpendicular to them. It is important to note immediately that, despite this structural relationship, the functioning is not at all the same in the two cases, because the electronic trajectories obtained by jointly using an electric field and a magnetic field are totally different from those obtained with an electric field alone. In the latter case, the location is essentially defined by the lateral path of the secondary electrons due to the transverse component of the initial velocity.
  • the present invention has made it possible to solve, using an appropriate geometric structure of dynodes, the problem of finding a compromise between gain and spatial resolution, which involve this parameter in opaque directions. This therefore constitutes a first element of the invention.
  • each dynode stage is arranged so that the majority of the secondary electrons actually leaving a lamella of its foreground does not strike a lamella of its second plane, while the distance between two stages of consecutive dynodes, large compared to the distance between the two planes of the same stage, is chosen, according to the electric field, so that the secondary electrons coming from the stage upstream strike according to a concentrated distribution a number restricted of slats of the downstream floor.
  • the slats which are prismatic or cylindrical, have a cross section which projects from the side of the entry window, with two flanks capable of secondary emission and which present themselves in a substantially symmetrical manner relative to the general direction of the electric field; the distance between dynode stages is chosen so that the secondary electrons coming from the upstream stage strike in a substantially balanced manner the flanks of lamellae of the downstream stage which have symmetrical inclinations, which makes it possible to avoid a systematic drift of the location.
  • the cross section of the strips is substantially in the form of an isosceles triangle, where the two equal angles are between 40 ° and 70 ° approximately. It can of course be a curvilinear triangle, or whose sides are deformed in another way, taking into account the machining tolerances applicable to the scale of the lamellae.
  • the secondary electrons coming from a side of a lamella of an upstream stage strike mainly only two lamellae neighboring the first plane of the next downstream stage, and a lamella of the second plan of the same downstream floor.
  • the distance between stages of consecutive dynodes is chosen to slightly unbalance the impact symmetry, on the downstream stage, of the secondary electrons thus coming from the upstream stage, in order to avoid a shift in the spatial location due to the inclination of the sides.
  • All the lamellae of the tube can be parallel, but the localization properties can also be improved by orienting them in different directions along the different stages of dynodes, in a regular manner.
  • the easiest way is to make the slats of a dynode stage perpendicular to those of the previous stage.
  • the invention also allows good detection for an isolated photo-electron (or an isolated incident charged particle). To this end, it is expected that the electrical voltage prevailing between the two planes of the same stage of dynodes is at most equal to about 50 volts, at least for the first stages of dynodes.
  • means are provided for adjusting the feed of the electrodes in order to optimize the spatial resolution of the multiplier El p ctrons.
  • the latter may include a cathode or a photocathode near the first dynode.
  • a conventional anode comprises, as anode, a divided anode with multiple connections, an electroluminescent surface, a resistive anode or any equivalent means allowing the use of the location property.
  • the incident signal is delivered by photons, which we know can excite the dynodes of an electron multiplier, either directly or through a photocathode.
  • the present invention may have applications other than photonics, because, more generally, it may be the electrons themselves, or other types of charged particles, which define the input signal of an electron multiplier tube. .
  • the photomultiplier tube comprises a vacuum chamber TPM, which houses its main constituents.
  • Figure 1 shows that this enclosure has in the upper part a flat FE entry window. Just behind this window is placed a proximity photocathode denoted PPC.
  • PPC proximity photocathode
  • FIGS. 1 and 2 the photomultiplier tube comprises a vacuum chamber TPM, which houses its main constituents.
  • Figure 1 shows that this enclosure has in the upper part a flat FE entry window. Just behind this window is placed a proximity photocathode denoted PPC.
  • PPC proximity photocathode
  • FIGS. 1 and 2 the photomultiplier tube comprises a vacuum chamber TPM, which houses its main constituents.
  • FIGS. 1 and 2 the photomultiplier tube comprises a vacuum chamber TPM, which houses its main constituents.
  • FIGS. 1 and 2 the photomultiplier tube comprises a vacuum chamber TPM, which houses its main constituents.
  • Figure 1 shows that this enclosure has in the upper part a
  • FIG. 2 also shows the generally circular shape of the support structure SP which supports the dynodes; this structure is provided with insulating columns such as CP.
  • FIG. 3 illustrates the electrical diagram associated with the photomultiplier, the TPM enclosure of which is recalled in dashed lines. It is easier to see that each dynode stage such as D 1 comprises, according to the invention, two levels or planes of electrodes such as D 11 and D 12 , placed one after the other along the axis F electric field tube, and perpendicular to this axis.
  • the proximity photocathode PPC is connected to a voltage - HT by the electrical connection E 1 .
  • the electrical connection E 2 is connected to ground.
  • a voltage divider network with resistors is mounted between line E 2 and line E 1 in order to provide each of the dynode planes with an appropriate electrical voltage.
  • the high supply voltage defines the potential difference, therefore the electric field, between the different dynode planes.
  • the resistors are adjusted so that this electric field is made as uniform as possible.
  • a resistance R 1 is provided between the first plane of each dynode (for example the plane D 21 of the dynode D 2 ), and the last plane of the previous dynode (in this case the plane D 12 of the dynode D 1 ).
  • a lower resistance R 2 is provided between the two planes of each stage of dynodes (for example between the planes D 21 and D 22 of the dynode D 2 ).
  • the addition of capacities may possibly be required at certain points of this series resistive network, in particular on the top floors.
  • the anodes A n are connected to ground by individual resistors.
  • FIG. 4 illustrates on a larger scale two stages of consecutive dynodes, which are supposed to be stages D 1 and D 2 .
  • the stage D 1 comprises two planes D 11 and D 12 of dynode elements.
  • the stage D 2 also includes two planes D 21 and D 22 of dynode elements.
  • the dynode elements are prismatic or cylindrical lamellae, parallel to each other, and of course coplanar within the same plane of dynodes. These slats are properly treated to have the property of secondary electronic emission, on their faces oriented towards the side of the FE input window, that is to say for any arrival in the direction P of a photon or of a charged particle such as 'an electron. This direction P is parallel or slightly inclined to the general direction of the axis F, along which the electric field inside the tube is established approximately.
  • the base B adjacent to the two equal angles of the isosceles triangle, is perpendicular to the general direction F. It is turned downstream.
  • the two equal sides L and R of the isosceles triangle are made capable of secondary electronic emission, and it is observed that they face symmetrically with the general direction of incidence P.
  • the anal ⁇ is advantageously understood between 40 and 70 ° approximately.
  • the lamellae have a cross section in an isosceles right triangle.
  • the "apparent width" of the slats can be defined as the overall width that they present, perpendicular to the direction F. This width is here equal to the base B of the isosceles right triangle, which measures approximately 0.5 mm in this example. A spacing of 0.5mm is also provided between the adjacent vertices (of angle ⁇ ) of two strips of the same plane of dynodes.
  • the lamellae of the second plane of a dynode stage for example the plane D 12 of the stamen D 1 , are interspersed with those of the previous plane, here D 11 . Therefore, all the dynode elements of the two planes of the same dynode stage appear as an obstacle, or a baffle, for the (electronic) trajectories parallel to the direction F.
  • Z 0 the distance between two planes of d y no d D 11 and D 12 of the same floor, distance taken in the direction F.
  • Z 1 the distance taken in the same way between two floors consecutive dynodes, that is to say for example between the first plane D 11 of the stage D 1 and the first plane D 21 of the stage q e D 2 .
  • Z 1 is approximately equal to four times Z 0 .
  • N denotes the normal to this right flank, at the starting point of its electrons.
  • ob holds the kind of trajectories T and T lmin lmax. corresponding respectively to 5 electron volts and 15 electron volts. These trajectories practically strike only the two lamellae D 211 and D 212 which form part of the first plane D 21 of the dynode stage following D 2 . The trajectory with energies close to these extreme values hits the same lamellae.
  • part of the intermediate energy trajectories pass between the lamellas D 211 and D 212 , to strike, in a substantially symmetrical manner, the two sides of the lamella D 222 , which is part of the second plane D 22 of the D2 dynode stage.
  • the intermediate trajectory corresponding to an energy of about 10 electron volts has been shown in T med .
  • Careful observation shows that one of the trajectories T ex would pass between the lamellae D 212 and D 222 . In fact, this is a very small fraction (in terms of probability) of the secondary electrons emitted. A secondary electron which propagates along this trajectory would moreover be picked up by the next dynode stage.
  • the edge effects produced on the electric field by the tips of the strips D 212 and D 222 would in fact allow the effective capture of the secondary electron at the level of the dynode D 2 , as a result of which it can then emit secondary electrons again, as will have done the other trajectories arriving on the dynode D 2 .
  • the resolution obtained is approximately 12 mm in the X direction transverse to the large dimension of the lamellae, and approximately 10 mm in the Y direction parallel to the large dimension of the lamellae. In fact, the same resolution is obtained in these two directions X and Y, although the structure of a given plane of lamellae is not at all isotropic.
  • the optimal spatial resolution can be easily obtained by adjusting the high voltage, which acts globally on the electric field, or even by a finer action on the electric field at the level of each of the stages and the dynode planes.
  • the photomultiplier thus obtained has a very large sensitive surface, for a sensitivity which can become comporable to that of the prior device. Indeed, an improved spatial resolution can be further obtained by reducing the dimension r of the dynode strips, and by acting in a corresponding manner on the electric field and the vertical dimensions (or longitudinal) of the device.
  • Such resolution characteristics are sufficient for a large part of the applications. They are particularly suitable for applications such as X-ray or Y-ray imaging.
  • the spatial resolution obtained after calculation of the barycenter is at best of the order of 4mm. Under these conditions, it is observed that the spatial resolution is dominated by the resolution of the detector, approximately 50 mm, which is too small compared to the size of the spot of the scintillation beams which is approximately twice the thickness of the crystal. , or 20 mm.

Landscapes

  • Electron Tubes For Measurement (AREA)
  • Electron Sources, Ion Sources (AREA)
  • Common Detailed Techniques For Electron Tubes Or Discharge Tubes (AREA)
  • Analysing Materials By The Use Of Radiation (AREA)
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  • Radar Systems Or Details Thereof (AREA)
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Abstract

Les dynodes (D1, D2 . . .) du photomultiplicateur comportent chacune deux plans espacés (D11 et D12), dont les lamelles élémentaires ont une section droite en forme de triangle isocèle, tournées symétriquement vers la fenêtre d'entrée du tube photomultiplicateur. Les lamees de deux plans consécutifs sont intercalées en chicane, et agencées de sorte que les électrons partant du premier plan traversent le second sans en frapper les lamelles. La distance Z1 entre deux étages de dynodes, qui est grande par rapport à la distance Z0 entre deux plans d'une même dynode, est choisie, en fonction du champ électrique, de sorte que les électrons secondaires provenant de l'étage amont frappent selon une distribution concentrée un nombre limité de lamelles de l'étage aval.

Description

  • L'invention concerne les dispositifs multiplicateurs d'électrons, plus particulièrement les tubes photomultiplicateurs.
  • Le Brevet français 78 36148, publié sous le N° 2 445 018, décrit un tube multiplicateur d'électrons capable de "localisation". Dans un tel tube, le centre de la distribution des électrons secondaires sur l'anode de sortie correspond, dans une certaine mesure, à la position du point d'impact du rayonnement à amplifier sur la fenêtre d'entrée du tube. Le mot "rayonnement" est pris ici au sens large, puisqu'il peut s'agir aussi bien de photons que d'électrons ou d'autres particules chargées, capables de provoquer l'extraction d'électrons secondaires. Le multiplicateur d'électrons antérieurement décrit donne entière satisfaction, en particulier au plan de la résolution spatiale qu'il permet d'obtenir; mais il utilise pour cela la superposition d'un champ magnétique au champ électrique accélérateur que comporte naturellement le dispositif. Les moyens nécessaires à l'obtention de ce champ magnétique tendent à compliquer la structure du dispositif multiplicateur d'électrons, en même temps qu'à en augmenter le coût. De plus, par leur encombrement propre, ils tendent aussi à réduire la place disponible pour la multiplication d'électrons, ainsi que la largeur de la fenêtre d'entrée du dispositif et/ou l'accès de celle-ci.
  • Ainsi qu'on le verra plus loin, la présente invention vient résoudre le problème consistant à réaliser un dispositif multiplicateur d'électrons, capable de localisation, qui fonctidnne sans champ magnétique surajouté, tout en permettant d'atteindre des propriétés de localisation comparables ou presque à celles du dispositif à champs électrique et magnétique antérieurement connu.
  • Le dispositif multiplicateur d'électrons comporte, dans un tube à vide, une succession d'électrodes planes parallèles, qui définissent plusieurs étages de dynodes, capables d'émission électronique secondaire, entre une fenêtre d'entrée et une anode de sortie, et des moyens connectés à ces électrodes afin d'établir entre elles un champ accélérateur d'électrons dont la direction générale est perpendiculaire aux électrodes.
  • Par ailleurs, le dispositif multiplicateur d'électrons proposé comporte, à certains égards, une parenté structurelle avec le dispositif antérieur faisant usage d'un champ magnétique : dans les deux cas, chaque étage de dynode est défini en deux plans successifs, constitués chacun de lamelles parallèles interconnectées, et ces lamelles sont décalées d'un plan à l'autre de façon que ces deux plans définissent ensemble un obstacle en chicane pour les trajectoires électroniques qui leur sont perpendiculaires. Il importe de remarquer immédiatement que, malgré cette parenté structurelle, le fonctionnement n'est pas du tout le même dans les deux cas, car les trajectoires électroniques obtenues en utilisant conjointement un champ électrique et un champ magnétique sont totalement différentes de celles qu'on obtient avec un champ électrique seul. Dans ce dernier cas, la localisation est définie essentiellement par le parcours latéral des électrons secondaires dû à la composante transversale de la vitesse initiale. La présente invention a permis de résoudre, à l'aide d'une structure géométrique appropriée de dynodes, le problème de trouver un compromis entre le gain et la résolution spatiale, qui font intervenir ce paramètre dans des sens opoosés. Ceci constitue donc un premier élément de l'invention.
  • A côté de cela, l'invention prévoit aussi que chaque étage de dynode est agencé de sorte que la majorité des électrons secondaires partant effectivement d'une lamelle de son premier plan ne frappe pas une lamelle de son second plan, tandis que la distance entre deux étages de dynodes consécutifs, grande par rapport à la distance entre les deux plans d'un même étage, est choisie, en fonction du champ électrique, de sorte que les électrons secondaires provenant de l'étage amont frappent selon une distribution concentrée un nombre restreint de lamelles de l'étage aval.
  • L'expression partant "effectivement" d'une lamelle d'un plan de lamelles donné est utilisée ici pour tenir compte du fait qu'un électron secondaire peut être recapturé soit par la lamelle qui lui a donné naissance, soit par une autre lamelle du même plan.
  • Selon une autre caractéristique de l'invention, les lamelles, qui sont prismatiques ou cylindriques, ont une section droite qui fait saillie du côté de la fenêtre d'entrée, avec deux flancs capables d'émission secondaire et qui se présentent de façon sensiblement symétrique par rapport à la direction générale du champ électrique; la distance entre étages de dynodes est choisie de sorte que les électrons secondaires provenant de l'étage amont frappent de manière sensiblement équilibrée les flancs de lamelles de l'étage aval qui ont des inclinaisons symétriques, ce qui permet d'éviter une dérive systématique de la localisation.
  • Dans un mode de réalisation particulier, que l'on préfère actuellement, la section droite des lamelles est sensiblement en forme de triangle isocèle, où les deux angles égaux valent entre 40° et 70° environ. Il peut s'agir bien entendu d'un triangle curviligne, ou dont les côtés sont déformés d'une autre manière, compte tenu des tolérances d'usinage applicables à l'échelle des lamelles.
  • Selon une autre caractéristique particulière de l'invention, les électrons secondaires provenant d'un flanc d'une lamelle d'un étaqe amont ne frappent en majorité que deux lamelles voisines du premier plan de l'étage aval suivant, et une lamelle du second plan de ce même étage aval.
  • Avantageusement, la distance entre étages de dynodes consécutifs est choisie pour déséquilibrer légèrement la symétrie d'impact, sur l'étage aval, des électrons secondaires provenant ainsi de l'étage amont, afin d'éviter un décalage de la localisation spatiale dû à l'inclinaison des flancs.
  • Bien que ces paramètres puissent dépendre de la réalisation particulière concernée, il est actuellement considéré que :
    • - la distance entre étaaea de dynodes consécutifs doit être de l'ordre de huit à dix fois la largeur apparente des lamelles ;
    • - la distance entre les deux plans d'un même étage de dynode doit être de l'ordre du quart de la distance entre deux étages de dynodes consécutifs:
    • - la largeur apparente (sensiblement la largeur hors tout) des lamelles doit être au plus égale à environ 0,5mm:
    • - le champ électrique moyen à l'intérieur du tube électronique doit être au moins égal à environ 500 volts/centimètres;
    • - l'énergie initiale des électrons secondaires effectivement émis est, de préférence, au moins égale à 5 électrons-volt environ, et peut aller jusqu'à quelques dizaines d'électrons-volt.
  • Toutes les lamelles du tube peuvent être parallèles, mais on peut aussi améliorer les propriétés de localisation en les orientant dans des directions différentes le long des différents étages de dynodes, d'une manière réqulière. Le plus simple est de rendre alors les lamelles d'un étage de dynode perpendiculaires à celles de l'étage précédent.
  • L'invention permet également une bonne détection pour un photo-électron isolé (ou une particule chargée incidente isolée). A cet effet, il est prévu que la tension électrique régnant entre les deux plans d'un même étage de dynodes soit au plus égale à environ 50 volts, tout du moins pour les premiers étages de dynodes.
  • Selon une autre caractéristngue encore de l'invention, on prévoit des moyens pour ajuster l'alimentation des électrodes, afin d'optimiser la résolution spatiale du dispositif multiplicateur d'élpctrons.
  • Suivant les applications, ce dernier peut comprendre une cathode ou une photocathode à proximité de la première dynode.
  • Bien qu'une anode classique suffise en certains cas, il comprend en principe, comme anode, une anode divisée à connexions multiples, une surface électroluminescente, une anode résistive ou tout moyen équivalent permettant d'utiliser la propriété de localisation.
  • D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée ci-après, et des dessins annexés, sur lesquels :
    • - la figure 1 est une vue en coupe verticale d'un photomultiplicateur selon l'invention;
    • - la figure 2 est une vue en coupe horizontale du photomultiplicateur de la figure 1;
    • - la figure 3 est un schéma électrique illustrant l'interconnexion des électrodes du même photomultiplicateur;
    • - la figure 4 est un schéma partiel de deux étages de dynodes consécutifs du photomultiplicateur des figures 1 et 2; et
    • - la figure 5 est un diagramme tendant à permettre une interprétation de la résolution spatiale dans la direction X perpendiculaire à grande dimension des lamelles.
  • Dans la présente invention, la qéométrie des principaux constituants du tube multiplicateur d'électrons est importante. En conséquence, les dessins sont à considérer comme incorporés à la présente description, pour contribuer, le cas échéant, à compléter celle-ci, ainsi qu'à définir l'invention.
  • La description détaillée ci-après s'intéresse à un tube photomultiplicateur. Dans un tel tube, le signal incident est délivré par des photons, dont on sait qu'ils peuvent exciter les dynodes d'un multiplicateur d'électrons, soit directement, soit par l'intermédiaire d'une photocathode. Mais la présente invention peut avoir des applications autres que photoniques, car, plus généralement, ce peuvent être les électrons eux-mêmes, ou d'autres types de particules chargées, qui définissent le signal d'entrée d'un tube multiplicateur d'électrons.
  • Sur les figures 1 et 2, le tube photomultiplicateur comporte une enceinte à vide TPM, qui loge ses constituants principaux. La figure 1 montre que cette enceinte possède en partie supérieure une fenêtre d'entrée plane FE. Juste derrière cette fenêtre est placée une photocathode de proximité notée PPC. Au-dessous de celle-ci (figure 1), se trouvent prévus dix étages de dynodes Dl à D10. Ces derniers sont suivis, plus bas encore, d'une anode divisée en "mosaique" Cette anode comporte un grand nombre d'éléments tels que A et Ai, respectivement reliés à des connexions électriques de sortie individuelles EA1 et EAi. Dans leur ensemble, les éléments d'anode sont notés A . Enfin, d'autres connexions électriques telles que E1 et E permettent de porter les électrodes internes duphotomultiplicateur aux potentiels convenables pour son fonctionnement.
  • La figure 2 montre en plus la forme généralement circulaire de la structure porteuse SP qui soutient les dynodes; cette structure est munie de colonnes isolantes telles que CP.
  • La figure 3 illustre le schéma électrique associé au photomultiplicateur, dont l'enceinte TPM est rappelée en trait tireté. On y voit mieux que chaque étage de dynode tel que D1 comporte, selon l'invention, deux niveaux ou plans d'électrodes tels que D11 et D12, placés l'un après l'autre le lonq de l'axe F de champ électrique du tube, et perpendiculairement à cet axe.
  • La photocathode de proximité PPC est reliée à une tension - HT par la connexion électrique E1. A l'autre extrémité, la connexion électrique E2 est reliée à la masse. Un réseau diviseur de tension à résistances est monté entre la ligne E2 et la ligne E1 afin d'apporter à chacun des plans de dynodes une tension électrique appropriée. Par la haute tension d'alimentation, on définit la différence de potentiel, donc le champ électrique, entre les différents plans de dynodes. Les résistances sont ajustées de manière que ce champ électrique soit rendu aussi uniforme que possible.
  • En pratique, en dehors des résistances d'extrémités RO et R31 on prévoit une résistance R1 entre le premier plan de chaque dynode (par exemple le plan D21 de la dynode D2), et le dernier plan de la dynode précédente (en l'espèce le plan D12 de la dynode D1). Une résistance R2, plus faible, est prévue entre les deux plans de chaque étage de dynodes (par exemple entre les plans D21 et D22 de la dynode D2). L'adjonction de capacités pourra éventuellement être requise en certains points de ce réseau résistif série, en particulier aux derniers étages. Les anodes An sont connectées à la masse par des résistances individuelles.
  • La figure 4 illustre à plus qrande échelle deux étages de dynodes consécutifs, qui sont supposés être les étages D1 et D2. Comme précédemment indiqué, l'étage D1comprend deux plans D11 et D12 d'éléments de dynodes. L'étage D2comprend lui aussi deux plans D21 et D 22 d'éléments de dynodes.
  • Individuellement, les élements de dynodes sont des lamelles prismatiques ou cylindriques, parallèles entre elles, et bien entendu coplanaires à l'intérieur d'un même plan de dynodes. Ces lamelles sont convenablement traitées pour posséder la propriété d'émission électronique secondaire, sur leurs faces orientées du côté de la fenêtre d'entrée FE, c'est-à-dire pour toute arrivée dans la direction P d'un photon ou d'une particule chargée telle qu'un électron. Cette direction P est parallèle ou faiblement inclinée sur la direction générale de l'axe F, selon lequel s'établit approximativement le champ électrique à l'intérieur du tube.
  • Il est actuellement considéré comme préférable d'utiliser des éléments de dynodes dont la section droite est en forme de triangle isocèle. La base B, adjacente aux deux angles égaux du triangle isocèle, est perpendiculaire à la direction générale F. Elle est tournée vers l'aval. Les deux côtés égaux L et R du triangle isocèle sont rendus capables d'émission électronique secondaire, et l'on observe qu'ils font face symétriquement à la direction générale d'incidence P. Pour sa part, l'anale α est avantageusement compris entre 40 et 70° environ. Dans l'exemple illustré, les lamelles ont une section droite en triangle rectangle isocèle.
  • La "largeur apparente" des lamelles peut être définie comme la largeur hors tout qu'elles présentent, perpendiculairement à la direction F. Cette largeur est ici égale à la base B du triangle rectangle isocèle, qui mesure environ 0,5mm dans cet exemple. Un espacement de 0,5mm est également prévu entre les sommets adjacents (d'angle α ) de deux lamelles d'un même plan de dynodes. Enfin, les lamelles du second plan d'un étage de dynode, par exemple le plan D12 de l'étam D1, sont intercalées avec celles du plan précédent, ici D11. De ce fait, l'ensemble des éléments de dynodes des deux plans d'un même étage de dynode apparait comme un obstacle, ou une chicane, pour les trajectoires (électroniques) parallèles à la direction F.
  • Par ailleurs, on note Z0 la distance entre deux plans de dynodes D11 et D12 d'un même étage, distance prise selon la direction F. On note Z1 la distance prise de la même manière entre deux étages de dynodes consécutifs, c'est-à-dire par exemple entre le premier plan D11 de l'étage D1 et le premier plan D21 de l'étaqe D2. De préférence, Z1 est à peu près égal à quatre fois Z0.
  • Dans un mode de réalisation particulier, on prend Z0 = 1 mm, et Z1 = 4 mm, si bien que la distance entre deux étages de dynodes est de l'ordre de huit à dix fois la largeur apparente des lamelles formant les éléments de dynodes individuels.
  • Sur la figure 4, on considère maintenant les trajectoires des électrons secondaires qui partent du flanc droit de la lamelle D110. N désigne la normale à ce flanc droit, au point de départ de ses électrons.
  • Il convient de définir aussi les limites inférieures de l'énergie initiale des émissions secondaires, ainsi que de l'angle d'émission, compté dans le sens trigonométrique par rapport à la normale N. Cet angle d'émission est bien entendu limité aux électrons secondaires utiles, c'est-à-dire ceux qui ne sont pas recapturés par le même plan de lamelles. Il a été observé que l'énergie initiale doit être supérieure à environ 5 électrons-volt, et que l'angle d'émission initial doit être inférieur à 45°, c'est-à-dire que les élections secondaires utiles sont compris dans un cone dont l'ouverture angulaire est de 45° par rapport à la normale.
  • Il a été également observé que la largeur des lamelles doit alors être au plus éqale à 0.5mm. pour un champ électrique de 500 volts/cm. A cette valeur du champ correspond une tension de 50 volts entre les deux plans D11 et D12 de la dynode D1, puisque Zo = 1 mm.
  • Au-delà de cette limite supérieure pour la valeur , une partie importante des électrons secondaires émis par la lamelle sera recapturée par la surface émissive d'origine, en raison du fort champ électrique qui rèqne. Ce qui précède tient compte d'une loi angulaire d'émission des électrons secondaires autour de la normale N qui s'établit en cosinus θ.
  • Par ailleurs, un filtrage en énergie des électrons intervient, du fait de la présence de la lamelle adjacente D111' Il a été observé que l'énergie maximale des électrons secondaires partant effectivement de la lamelle D110 s'établit à quelques dizaines d'électrons-volt, en l'espèce environ 15 électrons-volt.
  • Pour un angle d'émission donné, par exemple =0°, on obtient de la sorte des trajectoires Tlmin et Tlmax. correspondant respectivement à 5 électrons-volt et 15 électrons-volt. Ces trajectoires frappent pratiquement seulement les deux lamelles D211 et D212 qui font partie du premier plan D21 de l'étage de dynode suivant D2. La trajectoire possédant des énergies proches de ces valeurs extrêmes frappe les mêmes lamelles. Par contre, une partie des trajectoires d'énergie intermédiaire passent entre les lamelles D211 et D212, pour venir frapper, de manière sensiblement symétrique, les deux flancs de la lamelle D222, laquelle fait partie du second plan D22 de l'étage de dynode D2. On a représenté en Tmed la trajectoire intermédiaire correspondant à une énergie d'euviron 10 électrons-volt. Une observation attentive montre que l'une des trajectoires Tex passerait entre les lamellesD212 et D222. En fait, il s'agit d'une très petite fraction (en termes de probabilité) des électrons secondaires émis. Un électron secondaire qui se propaqerait suivant cette trajectoire serait d'ailleurs capté par l'étaqe de dynode suivant. De plus, on peut estimer que les effets de bords produits sur le champ électrique par les pointes des lamelles D212 et D222 permettraient en fait la capture effective de l'électron secondaire au niveau de la dynode D2, à la suite de quoi il peut alors émettre à nouveau des électrons secondaires, comme l'auront fait les autres trajectoires arrivant sur la dynode D2.
  • Alors que ce qui précède concerne le premier plan d'un étage de dynodes, il a été observé que le second plan permet aussi une localisation (Figure 4.).
  • Les conditions de fonctionnement qui viennent d'être décrites ne font intervenir que la projection des trajectoires électroniques sur le plan X-Z. Il a été observé cependant que l'on obtient ainsi un fonctionnement correct, en termes de localisation, non seulement dans la direction X, mais aussi dans la direction Y.
  • La description ci-dessus montre que :
    • - la distance Z1 entre deux étages de dynodes consécutifs, qui est grande par rapport à la distance Z0 entre les deux plans d'un même étage, peut être ajustée en fonction du champ électrique de sorte que les électrons secondaires provenant de l'étage amont D1 frappent selon une distribution concentrée un nombre restreint de lamelles de l'étage aval D2;
    • - de plus, lorsqu'on utillse, comme c'est le cas ici, des lamelles dont la spction droite est symétrique autour de l'axe F, il a été observé que la distance Z1 peut être choisie de sorte que les électrons secondaires provenant du premier plan de l'étage amont frappent de manière sensiblement équilibrée des flancs des lamelles de l'étage aval qui ont des inclinaisons symétriques. Et ceci s'étend aux électrons secondaires provenant du second plan de l'étage amont.
  • Par ailleurs, il a été constaté que la distribution dans la direction Y parallèle à la grande dimension des lamelles est interprétée par une simple convolution des parcours latéraux des électrons secondaires au niveau de chacun des étages aval.
  • Il est maintenant fait référence à la figure 5.
  • Celle-ci montre la distribution probabiliste binomiale caractérisée par p=q, où p et q sont les probabilités qu'un électron secondaire frappe le flanc droit et le flanc gauche, respectivement, de lamelles de l'étaqe suivant. Les chiffres mis à l'mtérieur d'un cercle sont proportionnels à la probabilité de production des électrons secondaires à partir d'un seul électron partant du premier étaqe de dynode (n=l), les autres étaqes étant numérotés de manière croissante sur l'axe vertical orienté vers le bas jusqu'à l'anode . L'axe horizontal correspond à des distances exprimées en unité du parcours latéral moyen des électrons secondaires au niveau de l'étage suivant. Ces distances sont notées X(p).
  • Dans la direction X, il apparait donc qu'on obtient au niveau de l'anode une distribution très concentrée des électrons secondaires, cette distribution étant pratiquement centrée sur l'axe initial F0. Le décalage tient principalement à l'inclinaison du flanc de la lamelle qui donné le preauer électron secondaire. Mais on n'observe pas, par la surte, une dérive globale du flux d'électrons secondaires par tappport à l'axe F0, dérive qui s'amplifierait d'un étage à l'autre (à condition que p=q). Il en résulte finalement un léger décalage latéral, puisque si le nombre cerclé 126 de gauche se trouve bien sur l'axe F0 à la figure 5, le nombre 126 cerclé de droite est légèrement décalé, ce qui correspond à un décalage de la distribution. Il a été observé que ce décalage peut être corrigé en faisant varier d'environ 10% les valeurs de p et de q. Ceci peut être obtenu en agissant sur la distance Z1, ainsi que le comprendra l'homme de l'art. Mais cette action joue de la même manière, quelle que soit l'inclinaison de la face ou flanc de lamelle ayant produit l'électron initial.
  • Le parcours latéral moyen,p (E,Z) des électrons secondaires joue un rôle essentiel dans ce dispositif. Il s'est avéré en effet que la géométrie de dynodes peut être définie à partir de ce paramètre; par exemple :
    • - la largeur de lamelles £ est choisie de façon que o (E,Z= ℓ/2) soit plus grand que ℓ/2 (pour un gain élevé), mais que p(E,Z=Z1) soit le plus petit possible (pour une bonne localisation).
    • - la distance Z1 est également choisie par un compromis entre la résolution, o (E,Z=Z1), et la largeur de la distribution des électrons,qui est également proportionnelle àc, et qui doit être suffisamment qrande par rapport à ℓpour éviter la dérive systématique en X.
  • Un dispositif photomultiplicateur constitué comme décrit ci-dessus peut être loqé dans un tube constitué comme suit:
    • - hauteur environ 65 mm;
    • - diamètre extérieur 139 mm
    • - fenêtre d'entrée de diamètre 100 mm, munie d'une photocathode de proximité:
    • - étages de dynode comme décrit plus haut, avec une différence de potentiel d'environ 50 volts entre deux plans d'un même étage de dynode, et une différence de potentiel d'environ 200 volts entre étages de dynodes:
    • - anode divisée en 164 éléments d'environ 7 x 7mm2, séparés d'un intervalle d'environ 0,5mm;
    • - on obtient ainsi un gain de 106 à 107 pour dix étages de dynodes.
  • A la base, la résolution obtenue est d'environ 12 mm dans la direction X transversale à la grande dimension des lamelles, et d'environ 10 mm dans la direction Y parallèle à la grande dimension des lamelles. On obtient en effet sensiblement la même résolution dans ces deux directions X et Y, bien que la structure d'un plan de lamelles donné ne soit pas du tout isotrope.
  • Pour égaliser encore la résolution en X et en Y, on peut bien entendu croiser alternativement le sens des lamelles dans les étages de dynodes successifs. La résolution spatiale optimale peut être obtenue aisément en ajustant la haute tension, ce qui agit globalement sur le champ électrique, voire même par une action plus fine sur le champ électrique au niveau de chacun des étages et des plans de dynodes.
  • Le photomultiplicateur ainsi obtenu présente une surface sensible très grande, pour une sensibilité qui peut devenir comporable à celle du dispositif antérieur. En effet, une résolution spatiale améliorée peut être encore obtenue en réduisant la dimension r des lamelles de dynodes, et en agissant de manière correspondante sur le champ électrique et les dimensions verticales (ou longitudinales) du dispositif.
  • De telles caractéristiques de résolution sont suffisantes pour une grande partie des applications. Elles conviennent particulièrement bien pour des applications comme l'imagerie en rayons X ou en rayons Y.
  • Par exemple, lorsqu'on effectue une imaqerie en rayons Y à l'aide d'une caméra du type Anger, constituée par un cristal d'iodure de sodium dont l'épaisseur est de 10 mm, et, comme détecteur, un réseau de photomultiplicateurs 2 pouces (50 mm), couplé directement au cristal, la résolution spatiale obtenue après calcul de barycentre est au mieux de l'ordre de 4mm. Dans ces conditions, on observe que la résolution spatiale est dominée par la résolution du détecteur, environ 50 mm, ce qui est trop faible par rapport à la taille du spot des faisceaux de scintillation qui est d'environ deux fois l'épaisseur du cristal, soit 20 mm.
  • A ce niveau, même une résolution limitée des détecteurs peut améliorer la résolution finale par un facteur important. En effet, avec une résolution de 10 mm du photodétecteur, on peut atteindre une résolution finale de 1,6 mm.
  • C'est précisément ce que peut faire le dispositif photomultiplicateur décrit en détail plus haut.
  • Il convient enfin de noter par ailleurs les excellentes propriétés obtenues par le multiplicateur d'électrons selon l'invention, ib termes de temps de réponse et de linéarité du oain, en plus de la résolution spatiale déjà mentionnée.

Claims (13)

1. Dispositif multiplicateur d'électrons, comportant, dans un tube à vide, une succession d'électrodes planes parallèles, qui définissent plusieurs étages de dynodes (D1-D10) capables d'émission électronique secondaire, entre une fenêtre d'entrée (FE) et une anode de sortie (An) et des moyens (E1,E1, R0-R3) connectés à ces électrodes (D-1-D10,An) afin d'établir entre elles un champ électrique accélérateur d'électrons, dont la direction générale est perpendiculaire aux électrodes, caractérisé en ce que chaque étage de dynode (D1-D10) est défini en deux plans successifs (D11, D12,...) constitués chacun de lamelles parallèles interconnectées, et que ces lamelles (D110,D120...) sont décalées d'un plan à l'autre de façon que ces deux plans définissent ensemble un obstacle en chicane pour les trajectoires électroniques qui leur sont perpendiculaires, et
en ce que, chaque étaqe de dynode (D1-D10) étant agencé de sorte que la majorité des électrons secondaires partant effectivement d'une lamelle (D110...) de son premier plan ne frappe pas une lamelle (D121,D122) de second plan,
la distance (Z1) entre deux étages de dynodes consécutifs (D1-D2), grande par rapport à la distance (ZO) entre les deux plans (D11-D12) d'un même étage, est choisie, en fonction du champ électrique, de sorte que les électrons secondaires provenant de l'étage amont (D1) frappent selcn une distribution concentrée un nombre restreint de lamelles de l'étage aval (D2).
2. Dispositif sellon la revendication 1, caractérisé en ce que les lamelles, prismatiques ou cylindriques, ont une section droite qui fait saillir du côté de la fenêtre d'entrée, avec deux flancs (L,R) capables d'émission secondaire et sensiblement symétriques par rapport à la direction générale (F) du champ électrique, et en ce que la distance (Z1) entre étages de dynodes est choisie de sorte que les électrons secondaires provenant de l'étage amont (D1) frappent de manière sensiblement équilibrée des flancs des lamelles de l'étage aval qui ont des inclinaisons symétriques (D211R, D212L, D 222 R et L).
3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la section droite des lamelles est sensiblement en forme de triangle isocèle, où les deux angles égaux valent entre 40 et 70° environ.
4. Dispositif selon l'une des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que la distance (Z1) entre étages de dynodes consécutifs est choisie pour déséquilibrer légèrement la symétrie d'impact, sur l'étage aval, des électrons secondaires provenant de l'étage amont, afin d'éviter un décalage de la localisation spatiale dù à l'inclinaison des flancs.
5. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la largeur apparente des lamelles est au plus égale à environ 0,5 mm.
6. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le champ électrique moyen est au moins égal à environ 500 v/cm.
7. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'énerqie initiale des électrons secondaires effectivement émis est au moins égale à 5 électrons-volt, enviton.
8. Dispositif selon la revendication 7, caractérise en ce que l'énergie initiale des électrons secondaires effectivement émis est limitée à quelques dizaines d'électrons-volt.
9. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'au moins deux étages de dynodes consécutifs ont leurs lamelles orientées dans des directions différentes, de préférence perpendiculaires.
10. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la tension électrique régnant entre les deux plans d'un même étage de dynode est au plus égale à environ 50 volts, au moins pour les premiers étages, ce qui permet une bonne détection d'un photo-électron isolé.
11. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par des moyens pour ajuster l'alimentation des électrodes afin d'optimiser la résolution.
12. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend une cathode ou photocathode (PPC) à proximité de la première dynode.
13. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend, comme anode (An), une anode divisée à connexions multiples, une surface électro-luminescente, ou une anode résistive.
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