EP2329511A1 - Système de contrôle de dérive de gain de photomultiplicateur et procédé associé - Google Patents

Système de contrôle de dérive de gain de photomultiplicateur et procédé associé

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Publication number
EP2329511A1
EP2329511A1 EP09815675A EP09815675A EP2329511A1 EP 2329511 A1 EP2329511 A1 EP 2329511A1 EP 09815675 A EP09815675 A EP 09815675A EP 09815675 A EP09815675 A EP 09815675A EP 2329511 A1 EP2329511 A1 EP 2329511A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
photomultiplier
input
output
signal
integrator
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP09815675A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Stéphane NORMAND
Anne-Marie Frelin
Hassen Hamrita
Vladimir Kondrasovs
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Commissariat a lEnergie Atomique CEA, Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA filed Critical Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Publication of EP2329511A1 publication Critical patent/EP2329511A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J43/00—Secondary-emission tubes; Electron-multiplier tubes
    • H01J43/04—Electron multipliers
    • H01J43/30—Circuit arrangements not adapted to a particular application of the tube and not otherwise provided for
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J43/00—Secondary-emission tubes; Electron-multiplier tubes
    • H01J43/04—Electron multipliers

Definitions

  • the present invention provides a photomultiplier gain drift control system and a photomultiplier gain drift control method.
  • the invention applies to stabilizing the gain of a photomultiplier used for spectrometry or photon counting measurements in the fields of nuclear measurement and medical measurement.
  • the invention is also applicable to the stabilization of neutron measurement systems using photomultipliers as well as the stabilization of the gain of photomultipliers used in optical spectroscopy applications.
  • a photomultiplier is a device for the detection of photons. It is in the form of an electron tube. Under the action of light, electrons are torn from a bialkalimetal by photoelectric effect to a photocathode, the low electric current thus generated is amplified by a series of dynodes using the secondary emission phenomenon to obtain a significant gain. Such a detector makes it possible to count the photons individually.
  • Figure la shows a conventional photomultiplier. It consists of a glass vacuum tube 100 containing a photocathode 110, a focusing electrode 115, an "electron multiplier" consisting of a set of electrodes 120, called dynodes, and an anode 130.
  • a photocathode is a material capable of converting radiation into an electron by secondary emission.
  • the photomultiplier is coupled to a scintillator 140.
  • a scintillator is a material that emits light photons as a result of the absorption of radiation.
  • the photomultiplier operates as will be indicated hereinafter.
  • the scintillator 140 is illuminated, that is to say subjected to radiation. Under the effect of this radiation, the atoms of the material constituting the scintillator are "excited", that is to say that the electrons pass to a higher energy level.
  • Incident photons 150 strike the material constituting the photocathode, which forms a thin layer deposited on the input window of the device. Electrons 117 are then produced by photoelectric effect. The electrons 117 are directed towards the electron multiplier by the focusing electrode 115. The electrons 117 leave the photocathode with an energy corresponding to that of the incident photon, minus the energy of the operation of the photocathode 110. The electrons 117 are accelerated by the electric field and arrive on the first dynode with a much higher energy, for example a few hundred electronvolts. When the electrons touch the dynode, they cause a mechanism called secondary emission.
  • Fig. 1b represents a histogram illustrating the relationship between the wanted signal and the noise in a photomultiplier.
  • the axis x is the axis of the amplitudes of the pulses delivered by the photomultiplier and the axis y is the axis of the quantities of pulses which are associated with the amplitudes of the pulses.
  • the curve C1 represents the noise of the photomultiplier and the curve C2 represents the signal consisting of the wanted signal and the noise signal.
  • FIG. 1b it can be seen that there is a relevant difference between the derivative of the curve comprising only the noise and the curve including the noise and the useful signal. It is this difference that indicates the drift of the photomultiplier.
  • Photomultipliers are widely used in measuring devices in the nuclear and medical fields. The general characteristics of a photomultiplier make it a very powerful tool in terms of light / electron conversion efficiency. However, intrinsically, photomultipliers exhibit drifts related to their own functioning (problems of temperature and aging). These drifts generally result in a change in the overall gain of the photomultiplier. Gain is the fundamental parameter describing the overall efficiency of the photomultiplier.
  • a second drawback is, in low level measurement, that having a source present in the scintillator adds a contribution of background noise which is detrimental to the quality of the overall measurement.
  • a second disadvantage is that the coupling between the LED and the photomultiplier and the scintillator can cause implementation problems by making the construction more complex by adding elements.
  • a third drawback lies in the fact that the quantity of photons emitted by the LED does not match what is emitted by a scintillator.
  • the LED as an active system is itself subject to drifts that must be corrected. There is therefore a gain drift correction system which itself must be corrected and stabilized in temperature, which hampers the simplicity of implementation and multiplies the sources of errors.
  • the photomultiplier gain drift control system of the invention does not have the disadvantages mentioned above.
  • the invention relates to a photomultiplier gain drift control system, the system comprising:
  • the invention also relates to a photomultiplier gain drift control method comprising
  • the method of the invention stabilizes the gain of a photomultiplier using properties intrinsic to the photomultiplier.
  • the stabilization method according to the invention is advantageously based on the correlation that exists between the noise internal to the photomultiplier and the gain of the photomultiplier.
  • Figure la already described, represents a photomultiplier according to the prior art
  • Figure Ib already described, represents a diagram illustrating the relationship between the signal and the noise in a photomultiplier
  • Figure 2a shows a photomultiplier gain drift control system according to a first embodiment of the invention
  • Figure 2b shows different processed signals in a system according to the system shown in Figure 2a;
  • FIG. 3 shows a photomultiplier gain drift control system according to a variant of the first embodiment of the invention
  • FIG. 4 represents a photomultiplier gain drift control system according to a second embodiment of the invention
  • Fig. 5 shows a photomultiplier gain drift control system according to a third embodiment of the invention.
  • Fig. 6 shows various processed signals in a photomultiplier gain drift control system according to the system shown in Fig. 5;
  • Figure 7 shows an integrator used in variants of the invention
  • FIGS 8a and 8b show filters suitable for use in the photomultiplier gain drift control systems of the invention.
  • Figure 2a shows a photomultiplier gain control system according to a first embodiment of the invention.
  • a scintillator 1 has an output connected to the input of a photomultiplier 2 whose output is connected, on the one hand, to a first integrator 35 comprising an amplifier 5 connected in parallel with a capacitor 25 and a first switch 27, and, on the other hand, to a discriminator 6.
  • a preamplifier 4 is placed at the output of the photomultiplier so that it is then the output of the preamplifier 4 which is connected to the first integrator 35 and the discriminator 6.
  • the discriminator 6 drives the first switch 27 and a second switch 7 whose input is connected to the output of the first integrator 35 and whose output is connected to the input of a filter 8.
  • the output of the filter 8 is connected to a first input of a second integrator 9.
  • An example of an integrator which can be used in this embodiment is illustrated in FIG. 7 and will be described later.
  • a reference voltage 10 is connected to a second input of the second integrator 9.
  • the second integrator 9 has its output connected to the input of an adjustable high voltage device 3 which is known per se and whose output is connected to a photomultiplier voltage control input 2.
  • the function of the device 3 is to supply the photomultiplier 2 with high voltage as a function of the signal delivered at the output of the second integrator 9, and thereby to adjust the total gain of the photomultiplier per action. on the high voltage and the different dynodes of the tube according to the result of the analysis of the signal by the system described above.
  • FIG. 2b shows various ls-7s signals which are processed in a device according to the device of FIG. 2a.
  • a first signal Is comprising the useful signal Su from the scintillator 1 and the noise signal Sb coming from the photomultiplier is simultaneously transmitted at the input of the first integrator 35 and at the input of the discriminator 6.
  • the discriminator 6 measures, in a manner known per se, the amplitude and the duration of the pulses delivered by the photomultiplier.
  • the discriminator 6 can be triggered either according to a clock signal predefined by the user (not shown in the figure) or according to the output signal of the photomultiplier.
  • the discriminator 6 simultaneously sends a logic signal 3s to the first switch 27 belonging to the integrator 35 and a logic signal 4s to the second switch 7.
  • the logic signal 3s has the function of closing the first switch 27 (tripping the first integrator 35) and the logic signal 4s has the function of closing the second electronic switch 7.
  • the first integrator 35 integrates the noise pulses to obtain the surface of each pulse, that is to say to obtain the energy of each signal noise.
  • the first integrator 35 sends an integrated output signal 2s to the second electronic switch 7.
  • the amplitude of the signal 2s is then proportional to the energy of the noise signals.
  • a fifth analog signal 5s from the first integrator is sent to the filter 8.
  • the filter 8 determines the amplitudes of the signal 5s from the first integrator 5 and sends a sixth filtered signal 6s to the second integrator 9.
  • the sixth signal 6s is a function of amplitude.
  • the sixth signal 6s can be analog or digital.
  • the second integrator 9 integrates the difference between the signal 6s and the reference voltage 10, the sixth signal 6s being a function of the intrinsic noise of the photomultiplier.
  • the integrator 9 compares the amplitude of the sixth signal 6s with the reference voltage 10. According to the result of this comparison, the integrator 9 integrates the difference between its two inputs and generates a seventh signal 7s of constant value.
  • the seventh signal 7s is supplied at the input of the device 3 and its function is to indicate to the device 3 the voltage to be applied to the control of the photomultiplier 2.
  • the stabilization of the drift of the photomultiplier is effected by controlling the intrinsic noise Sb of the photomultiplier 2. In a first step, the noise Sb is separated from the useful signal Su. In a second step, the intrinsic noise of the photomultiplier is measured. Then, in a third step, this noise is stabilized at a constant value.
  • Figure 3 shows a variant of the first embodiment of the invention.
  • This variant differs from the embodiment of the invention shown in FIG. 2a by the presence of an optical time expander 11 located between the scintillator 1 and the photomultiplier 2.
  • the output of the scintillator 1 is connected to the entry of the expander 11, whose output is connected to the input of the photomultiplier 2.
  • the optical expander 11 comprises a material capable of temporally expanding the light pulses emitted by the scintillator.
  • the presence of an optical expander is necessary in the case of very fast scintillating material whose temporal performance leads to useful signal shapes comparable to the noise signals.
  • the optical expander then induces a change in the temporal distribution of the photons which facilitates the separation of the useful light pulse and the noise signals.
  • FIG. 4 represents a photomultiplier gain drift control system according to a second embodiment of the invention.
  • the output of the scintillator 1 is connected to the input of the photomultiplier 2 whose output is connected to the input of an amplitude spectrometer 31 which is connected, moreover, to a first input of an integrator 9, a second The input is connected to a reference voltage 10.
  • a preamplifier 4 is placed between the output of the photomultiplier and the input of the spectrometer 31.
  • the integrator 9 has its output connected to the input of an adjustable high voltage device 3 whose output is connected to a control input of the photomultiplier 2.
  • a first signal Is is sent from the photomultiplier 2 to the amplitude spectrometer 31.
  • the spectrum analysis by the Amplitude spectrometer 31 in the region of low amplitudes consists in performing, by a calculation of decrease of the spectrum observed, the distribution of the distribution of the amplitudes. Since the amplitude decrease of the spectrum in this region depends on the distribution of the amplitudes of the noise signals generated by the photomultiplier and the distribution of the amplitudes of the noise signals also depends on the gain of the photomultiplier 2, the stabilization of the decay in this region makes it possible to stabilize the gain of the photomultiplier.
  • FIG. 5 represents a photomultiplier gain drift control system according to a third embodiment of the invention.
  • the output of the scintillator 1 is connected to an input of a Kerr-effect-type optical switch 12, an output of which is connected to the input of the photomultiplier 2.
  • the output of the photomultiplier 2 is connected to an input of a switch 14
  • a preamplifier 4 is placed in series between the output of the photomultiplier and the input of the switch.
  • the switch 14 has two outputs, among which a first output is connected to an input of a measurement chain 13 and a second output is connected to an input of a filter 8.
  • An output of a clock 15 is connected, d on the one hand, to a high-voltage setting unit 16 of the Kerr cell and, on the other hand, to the control input of the switch 14.
  • the clock signal transmitted from the clock 15 to the switch 14 has the function to control the periodicity of the link between, on the one hand, the photomultiplier and the measuring chain 13 and, on the other hand, the photomultiplier and the filter 8.
  • the output of the unit 16 is connected to a control input of the Kerr effect cell 12.
  • the unit 16 operates in a similar manner to the unit 3 and controls the Kerr effect cell 12 as a function of a clock signal from the clock 15.
  • An output of the filter 8 is connected to a first input of an integrator 9, a second input of which is connected to a voltage of reference 10.
  • the integrator 9 has an output connected to the high voltage control device 3, an output of which is connected to the control input of the photomultiplier 2.
  • Figure 6 illustrates the signals Is, 15s, 9s, 10s and 6s which are shown in Figure 5 (third embodiment of the invention).
  • the scintillator 1 sends a useful signal Su to the cell Kerr 12 which axs the incident signal it receives. Then, a first signal Is comprising said useful signal Su, which has been temporally chopped, and the signal noise Sb from the photomultiplier 2, is sent from the photomultiplier 2 to the switch 14.
  • the clock 15 controls the setting of the switch 14 with a signal 15s consisting of a series of pulses. When a pulse arrives on the switch 14, a signal 10s consisting only of the noise pulses Sb which are delivered by the photomultiplier 2 is sent to the filter 8.
  • the photomultiplier and the measurement chain 13 are electrically connected to each other and a 9s signal including the noise Sb and the useful signal Su is supplied to the measurement chain 13 for standard signal processing, known per se to those skilled in the art.
  • the clock 15 also sends this signal 15s to the setting unit 16 of the high voltage of the cell Kerr.
  • the system according to the invention is in a period of adjustment of the high voltage, that is to say the gain of the photomultiplier, and the control unit sets the Kerr cell 16 under high voltage.
  • the clock 15 delivers no pulse, no adjustment is made, and the measurement chain 13 measures the signal 9s comprising the useful signal Su and the noise Sb from the photomultiplier.
  • the circuit when a pulse is delivered, no signal is supplied to the measurement chain 13, and simultaneously, the signal 10s comprising only the noise Sb of the photomultiplier 2 is supplied to the filter 8.
  • the measurement period can be, for example, example, equal to ten minutes, and the adjustment period can be, for example, example, equal to one second. Subsequently, beyond the filter 8, the circuit operates as described above with reference to Figure 2a.
  • FIG 7 shows an integrator that can be used as integrator 35 or as integrator 9 in the previously described embodiments of the invention.
  • the integrator comprises an amplifier A having an inverting input (-), a non-inverting input (+) and an output.
  • a capacitor C is placed between the inverting input (-) and the output of the amplifier.
  • a resistor R has a first terminal and a second terminal, the first terminal being connected to the inverting input (-).
  • the signal 6s is applied to the second terminal of the resistor R and the reference voltage 10 is applied to the non-inverting input (+).
  • FIG. 8a shows an example of a filter 8 known per se to those skilled in the art.
  • the filter 8 is connected to the output of the second switch 7 according to the configuration illustrated in FIG. 3.
  • the filter 8 comprises a resistor R having a first terminal and a second terminal.
  • the first terminal of the resistor R is connected to the second switch 7.
  • the second terminal of the resistor R is also connected to a first terminal of a capacitor C whose second terminal is connected to ground.
  • the filter also includes an amplifier A having an input and an output.
  • the input of the amplifier A is connected to the second terminal of the resistor R and to the first terminal of the capacitor C.
  • the output of the amplifier is connected to the integrator 9.
  • the filter receives the signal 5s and delivers the signal 6s.
  • FIG 8b shows an example of filter 8 functioning as a rectifier.
  • This filter comprises a diode D having an input and an output and a resistor R having a first terminal and a second terminal.
  • the output of the diode D is connected to the first terminal of the resistor R whose second terminal is connected, moreover, to a first terminal of a capacitor C.
  • the capacitor C has a second terminal which is connected to ground.
  • the second terminal of the resistor R and the first terminal of the capacitor C are connected to the integrator 9.
  • the filter receives the signal 5s and delivers the signal 6s.

Landscapes

  • Measurement Of Radiation (AREA)

Abstract

L' invention concerne un système de contrôle de dérive de gain de photomultiplicateur (2), caractérisé en ce qu' il comprend : - des premiers moyens (4, 5, 6, 7, 8) pour mesurer un signal de bruit du photomultiplicateur (2) et délivrer un signal de mesure (5s, 6s) représentatif du signal de bruit du photomultiplicateur (2); et - des seconds moyens (9, 3) pour maintenir, à partir du signal de mesure (5s, 6s), le signal de bruit mesuré à un niveau constant. L'invention s'applique à la stabilisation du gain des photomultiplicateurs et, plus particulièrement, à la stabilisation des systèmes de mesure neutronique utilisant des photomultiplicateurs.

Description

SYSTEME DE CONTROLE DE DERIVE DE GAIN DE PHOTOMULTIPLICATEUR ET PROCÉDÉ ASSOCIÉ
DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUE ET ART ANTÉRIEUR
L' invention concerne un système de contrôle de dérive de gain de photomultiplicateur ainsi qu'un procédé de contrôle de dérive de gain de photomultiplicateur.
L'invention s'applique à la stabilisation du gain d'un photomultiplicateur utilisé pour les mesures de spectrométrie ou de comptage de photons dans les domaines de la mesure nucléaire et de la mesure médicale.
L'invention s'applique également à la stabilisation des systèmes de mesure neutronique utilisant des photomultiplicateurs ainsi qu'à la stabilisation du gain des photomultiplicateurs utilisés dans les applications de spectroscopie optique.
Un photomultiplicateur est un dispositif permettant la détection de photons. Il se présente sous la forme d'un tube électronique. Sous l'action de la lumière, des électrons sont arrachés d'un bialkalimétal par effet photoélectrique à une photocathode, le faible courant électrique ainsi généré est amplifié par une série de dynodes utilisant le phénomène d'émission secondaire pour obtenir un gain important. Un tel détecteur permet de compter les photons individuellement. La figure la montre un photomultiplicateur classique. Il est constitué d'un tube à vide en verre 100 contenant une photocathode 110, une électrode de focalisation 115, un « multiplicateur d'électrons » constitué d'un ensemble d'électrodes 120, appelées dynodes, et une anode 130. En référence à la figure la, en allant de la gauche vers la droite de la figure, chaque dynode est maintenue à une valeur de potentiel plus importante que la précédente. Une photocathode est un matériau capable de convertir un rayonnement en électron par émission secondaire. Le photomultiplicateur est couplé à un scintillateur 140. Un scintillateur est un matériau qui émet des photons lumineux suite à l'absorption d'un rayonnement. Le photomultiplicateur fonctionne comme cela va être indiqué ci-après. Le scintillateur 140 est illuminé, c'est-à-dire soumis à un rayonnement. Sous l'effet de ce rayonnement, les atomes du matériau constituant le scintillateur sont « excités », c'est-à- dire que les électrons passent à un niveau d'énergie supérieur. Des photons incidents 150 frappent le matériau constituant la photocathode, celui-ci formant une fine couche déposée sur la fenêtre d'entrée du dispositif. Des électrons 117 sont alors produits par effet photoélectrique. Les électrons 117 sont dirigés vers le multiplicateur d'électrons par l'électrode de focalisation 115. Les électrons 117 quittent la photocathode avec une énergie correspondant à celle du photon incident, moins l'énergie du fonctionnement de la photocathode 110. Les électrons 117 sont accélérés par le champ électrique et arrivent sur la première dynode avec une énergie beaucoup plus importante, par exemple quelques centaines d' électronvolts . Quand les électrons touchent la dynode, ils provoquent un mécanisme appelé émission secondaire. Un électron qui arrive ainsi avec une énergie de quelques centaines d' électronvolts génère quelques dizaines d'électrons de beaucoup plus faible énergie qui, du fait de la différence de potentiel qui existe entre la première dynode et la seconde dynode, vont en accélérant vers la seconde dynode pour provoquer de nouveau le même mécanisme. En réitérant ce mécanisme le long des différents étages de dynode, on peut alors obtenir, à partir des 4 ou 5 premiers électrons émis par la photocathode, quelques millions d'électrons ou plus. La structure de la chaine de dynodes est telle que le nombre d'électrons émis augmente toujours à chaque étape de la cascade. Finalement, l'anode 130 est atteinte et la variation de charges ainsi générée en fonction du temps crée une impulsion de courant qui marque l'arrivée d'un photon sur la cathode.
La figure Ib représente un histogramme illustrant la relation entre le signal utile et le bruit dans un photomultiplicateur. L'axe x est l'axe des amplitudes des impulsions délivrées par le photomultiplicateur et l'axe y est l'axe des quantités d' impulsions qui sont associées aux amplitudes des impulsions. La courbe Cl représente le bruit du photomultiplicateur et la courbe C2 représente le signal constitué du signal utile et du signal de bruit. Sur la figure Ib, on voit qu' il y a une différence pertinente entre la dérivée de la courbe comprenant uniquement le bruit et la courbe comprenant le bruit et le signal utile. C'est cette différence qui indique la dérive du photomultiplicateur.
Les photomultiplicateurs sont très largement répandus dans les dispositifs de mesure du domaine nucléaire et du domaine médical. Les caractéristiques générales d'un photomultiplicateur en font un outil très performant en termes de rendement de conversion lumière/électrons. Cependant, intrinsèquement, les photomultiplicateurs présentent des dérives liées à leur propre fonctionnement (problèmes de température et de vieillissement) . Ces dérives se traduisent généralement par une modification du gain général du photomultiplicateur. Le gain est le paramètre fondamental décrivant le rendement global du photomultiplicateur .
Il existe plusieurs méthodes connues pour stabiliser le gain d'un photomultiplicateur
Glenn F Knoll décrit dans « Radiation Détection and Measurement » (ISBN 0-47-07338-5 ; John Willey & Sons, Inc) un système qui utilise une source émettrice alpha disposée au sein même du matériau scintillant. L'avantage de cette méthode réside dans le fait que la stabilisation s'effectue sur une mesure de type radioactive ce qui, normalement, est représentatif de ce qui est mesuré par le photomultiplicateur lors de son exploitation. Un premier inconvénient d'un tel système réside dans le fait que le matériau scintillant vieillit significativement du fait de son exposition permanente au rayonnement et que, de ce fait, le rendement de conversion entre l'énergie déposée par le rayonnement et la quantité de lumière émise par le matériau scintillant varie au fur et à mesure que l'ensemble vieillit. En conséquence, le suivi de pic généralement effectué ne permet plus de corriger de façon nominale le gain du photomultiplicateur. Un second inconvénient est, lors de mesure de bas niveau, que le fait d' avoir une source présente dans le scintillateur, ajoute une contribution de bruit de fond qui est nuisible à la qualité de l'ensemble de la mesure.
Le document US 5 548 111 « Photomultiplier Having Gain Stabilisation Means » de Nurmi et al. décrit un système qui utilise une diode électroluminescente LED en mode continu ou puisé pour stabiliser le gain du photomultiplicateur, dans lequel le signal est détecté à la cathode et à l'anode. Le gain est stabilisé en tenant le quotient des deux signaux à une valeur constante. L'avantage d'un tel système est que, dans ce cas, on utilise un système non radioactif. Un premier inconvénient réside dans le fait que la longueur d'onde émise par la LED est limitée à une certaine longueur d' onde et ne permet donc pas de couvrir l'ensemble de la gamme de longueur d'onde. De plus, la distribution temporelle correspondant à l'émission du scintillateur est fortement différente de celle de la LED. Un second inconvénient est que le couplage entre la LED et le photomultiplicateur et le scintillateur peut poser des problèmes de mise en œuvre par le fait de rendre la construction plus complexe en rajoutant des éléments. Un troisième inconvénient réside dans le fait que la quantité de photons émis par le LED ne correspond pas à ce qui est émis par un scintillateur . La LED en tant que système actif est donc lui-même soumis à des dérives qu' il convient de corriger. On a donc un système de correction de dérive de gain qui lui-même doit être corrigé et stabilisé en température, ce qui nuit à la simplicité de mise en œuvre et multiplie les sources d'erreurs.
Le système de contrôle de dérive de gain de photomultiplicateur de l'invention ne présente pas les inconvénients mentionnés ci-dessus.
EXPOSE DE L' INVENTION
En effet invention concerne un système de contrôle de dérive de gain de photomultiplicateur, le système comprenant :
- des premiers moyens pour mesurer un signal de bruit du photomultiplicateur et délivrer un signal de mesure représentatif du signal de bruit du photomultiplicateur; et - des seconds moyens pour maintenir, à partir du signal de mesure, le signal de bruit mesuré à un niveau constant.
L' invention concerne également un procédé de contrôle de dérive de gain de photomultiplicateur comprenant
- une étape de mesure d'un signal de bruit du photomultiplicateur pour délivrer un signal de mesure représentatif du signal de bruit du photomultiplicateur ; et une étape pour maintenir, à partir du signal de mesure, le signal de bruit mesuré à un niveau constant .
Le procédé de l'invention stabilise le gain d'un photomultiplicateur en utilisant des propriétés intrinsèques au photomultiplicateur. Le procédé de stabilisation selon l'invention est avantageusement basé sur la corrélation qui existe entre le bruit interne au photomultiplicateur et le gain du photomultiplicateur.
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de modes de réalisation de l'invention faits en référence aux figures jointes, parmi lesquelles :
La figure la, déjà décrite, représente un photomultiplicateur selon l'art antérieur ;
La figure Ib, déjà décrite, représente un diagramme illustrant la relation entre le signal et le bruit dans un photomultiplicateur ;
La figure 2a représente un système de contrôle de dérive de gain de photomultiplicateur selon un premier mode de réalisation de l'invention ; La figure 2b représente différents signaux traités dans un système conforme au système représenté en figure 2a ;
La figure 3 représente un système de contrôle de dérive de gain de photomultiplicateur selon une variante du premier mode de réalisation de 1' invention ; La figure 4 représente un système de contrôle de dérive de gain de photomultiplicateur selon un deuxième mode de réalisation de l'invention ;
La figure 5 représente un système de contrôle de dérive de gain de photomultiplicateur selon un troisième mode de réalisation de l'invention ;
La figure 6 représente différents signaux traités dans un système de contrôle de dérive de gain de photomultiplicateur conforme au système représenté en figure 5 ;
La figure 7 représente un intégrateur utilisé dans des variantes de l'invention ;
Les figures 8a et 8b représentent des filtres susceptibles d'être utilisés dans les systèmes de contrôle de dérive de gain de photomultiplicateur de 1' invention .
Sur toutes les figures les mêmes références désignent les mêmes éléments.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
La figure 2a représente un système de contrôle de gain de photomultiplicateur selon un premier mode de réalisation de l'invention.
Un scintillateur 1 a une sortie connectée à l'entrée d'un photomultiplicateur 2 dont la sortie est connectée, d'une part, à un premier intégrateur 35 comprenant un amplificateur 5 connecté en parallèle à un condensateur 25 et à un premier interrupteur 27, et, d'autre part, à un discriminateur 6. Dans un mode de réalisation particulier (cas où le photomultiplicateur ne délivre pas un signal de niveau suffisant) un préamplificateur 4 est placé en sortie du photomultiplicateur de sorte que c'est alors la sortie du préamplificateur 4 qui est connectée au premier intégrateur 35 et au discriminateur 6. Le discriminateur 6 pilote le premier interrupteur 27 et un second interrupteur 7 dont l'entrée est reliée à la sortie du premier intégrateur 35 et dont la sortie est reliée à l'entrée d'un filtre 8. La sortie du filtre 8 est connectée à une première entrée d'un second intégrateur 9. Un exemple d'intégrateur qui peut être utilisé dans ce mode de réalisation est illustré en figure 7 et sera décrit ultérieurement. Une tension de référence 10 est connectée à une deuxième entrée du second intégrateur 9. Le second intégrateur 9 a sa sortie connectée à l'entrée d'un dispositif réglable de haute tension 3 qui est connu en soi et dont la sortie est connectée à une entrée de commande de tension du photomultiplicateur 2. Le dispositif 3 a pour fonction d'alimenter en haute tension le photomultiplicateur 2 en fonction du signal délivré en sortie du second intégrateur 9 et, de ce fait, de régler le gain total du photomultiplicateur par action sur la haute tension et les différentes dynodes du tube en fonction du résultat de l'analyse du signal par le système précédemment décrit .
La figure 2b représente différents signaux ls-7s qui sont traités dans un dispositif conforme au dispositif de la figure 2a.
En fonctionnement, quand le photomultiplicateur est activé, un premier signal Is comprenant le signal utile Su issu du scintillateur 1 et le signal de bruit Sb provenant du photomultiplicateur est transmis simultanément en entrée du premier intégrateur 35 et en entrée du discriminateur 6. Le discriminateur 6 mesure, de manière connue en soi, l'amplitude et la durée des impulsions délivrées par le photomultiplicateur. Le discriminateur 6 peut être déclenché soit en fonction d'un signal d'horloge prédéfini par l'utilisateur (non représenté sur la figure) soit en fonction du signal de sortie du photomultiplicateur. Le discriminateur 6 envoie simultanément un signal logique 3s au premier interrupteur 27 appartenant à l'intégrateur 35 et un signal logique 4s au second interrupteur 7. Le signal logique 3s a pour fonction de fermer le premier interrupteur 27 (déclenchement du premier intégrateur 35) et le signal logique 4s a pour fonction de fermer le second interrupteur électronique 7. Le premier intégrateur 35 fait l'intégration des impulsions de bruit pour obtenir la surface de chaque impulsion, c'est-à-dire pour obtenir l'énergie de chaque signal de bruit. En fonction de l'opération d'intégration, le premier intégrateur 35 envoie un signal intégré de sortie 2s au second interrupteur électronique 7. L'amplitude du signal 2s est alors proportionnelle à l'énergie des signaux de bruit. Quand le second interrupteur électronique 7 est passant, un cinquième signal 5s analogique en provenance du premier intégrateur est envoyé au filtre 8. Le filtre 8 détermine les amplitudes du signal 5s en provenance du premier intégrateur 5 et envoie un sixième signal filtré 6s au second intégrateur 9. Le sixième signal 6s est une fonction de l'amplitude. Le sixième signal 6s peut être analogique ou numérique. Le second intégrateur 9 fait une intégration de la différence entre le signal 6s et la tension de référence 10, le sixième signal 6s étant une fonction du bruit intrinsèque du photomultiplicateur. L'intégrateur 9 compare l'amplitude du sixième signal 6s avec la tension de référence 10. En fonction du résultat de cette comparaison, l'intégrateur 9 intègre la différence entre ses deux entrées et génère un septième signal 7s de valeur constante. Le septième signal 7s est fourni à l'entrée du dispositif 3 et a pour fonction d' indiquer au dispositif 3 la tension à appliquer sur la commande du photomultiplicateur 2. La stabilisation de la dérive du photomultiplicateur s'effectue en contrôlant le bruit intrinsèque Sb du photomultiplicateur 2. Dans une première étape, le bruit Sb est séparé du signal utile Su. Dans une seconde étape, le bruit intrinsèque du photomultiplicateur est mesuré. Ensuite, dans une troisième étape, ce bruit est stabilisé à une valeur constante .
La figure 3 montre une variante du premier mode de réalisation de l'invention. Cette variante diffère du mode de réalisation de l'invention représenté en figure 2a par la présence d'un élargisseur temporel optique 11 situé entre le scintillateur 1 et le photomultiplicateur 2. La sortie du scintillateur 1 est connectée à l'entrée de l' élargisseur optique 11, dont la sortie est connectée à l'entrée du photomultiplicateur 2. L' élargisseur optique 11 comprend un matériau apte à élargir temporellement les impulsions lumineuses émises par le scintillateur . La présence d'un élargisseur optique est nécessaire dans le cas de matériau scintillant très rapide dont les performances temporelles conduisent à des formes de signaux utiles comparables aux signaux de bruit. L' élargisseur optique induit alors une modification de la distribution temporelle des photons qui facilite la séparation de l'impulsion lumineuse utile et des signaux de bruit.
La figure 4 représente un système de contrôle de dérive de gain de photomultiplicateur selon un deuxième mode de réalisation de l'invention.
La sortie du scintillateur 1 est connectée à l'entrée du photomultiplicateur 2 dont la sortie est connectée à l'entrée d'un spectromètre d'amplitude 31 qui est connecté, par ailleurs, à une première entrée d'un intégrateur 9 dont une deuxième entrée est reliée à une tension de référence 10. De même que précédemment, dans un mode de réalisation particulier où le photomultiplicateur ne délivre pas un signal de niveau suffisant, un préamplificateur 4 est placé entre la sortie du photomultiplicateur et l'entrée du spectromètre 31. L'intégrateur 9 a sa sortie connectée à l'entrée d'un dispositif réglable de haute tension 3 dont la sortie est connectée à une entrée de commande du photomultiplicateur 2.
En fonctionnement, quand le photomultiplicateur est activé, un premier signal Is est envoyé du photomultiplicateur 2 au spectromètre d'amplitude 31. L'analyse du spectre par le spectromètre d'amplitude 31 dans la région des amplitudes basses (région des impulsions de bruit, cf. figure Ib) , consiste à effectuer, par un calcul de décroissance du spectre observé, la répartition de la distribution des amplitudes. Étant donné que la décroissance en amplitude du spectre dans cette région dépend de la distribution des amplitudes des signaux de bruit générés par le photomultiplicateur et que la distribution des amplitudes des signaux de bruit dépend également du gain du photomultiplicateur 2, la stabilisation de la décroissance dans cette région permet de stabiliser le gain du photomultiplicateur. Après l'analyse du spectre dans la région des basses amplitudes, le spectromètre 31 envoie un sixième signal 6s, numérique ou analogique, ayant une tension proportionnelle à la décroissance dans la région de bruit, à l'intégrateur 9. Le reste du circuit fonctionne comme décrit ci-dessus, en référence à la figure 2a. La figure 5 représente un système de contrôle de dérive de gain de photomultiplicateur selon un troisième mode de réalisation de l'invention.
La sortie du scintillateur 1 est reliée à une entrée d'un interrupteur optique de type cellule à effet Kerr 12 dont une sortie est reliée à l'entrée du photomultiplicateur 2. La sortie du photomultiplicateur 2 est reliée à une entrée d'un commutateur 14. Comme déjà mentionné ci-dessus, dans le cas où le signal délivré par le photomultiplicateur est insuffisant, un préamplificateur 4 est placé en série entre la sortie du photomultiplicateur et l'entrée du commutateur. Le commutateur 14 a deux sorties, parmi lesquelles une première sortie est reliée à une entrée d'une chaine de mesure 13 et une seconde sortie est reliée à une entrée d'un filtre 8. Une sortie d'une horloge 15 est reliée, d'une part, à une unité 16 de réglage de haute tension de la cellule Kerr et, d'autre part, à l'entrée de commande du commutateur 14. Le signal d'horloge transmis de l'horloge 15 au commutateur 14 a pour fonction de contrôler la périodicité du lien entre, d'une part, le photomultiplicateur et la chaine de mesure 13 et, d'autre part, le photomultiplicateur et le filtre 8. La sortie de l'unité 16 est reliée à une entrée de commande de la cellule à effet Kerr 12. L'unité 16 fonctionne de manière similaire à l'unité 3 et pilote la cellule à effet Kerr 12 en fonction d'un signal d'horloge provenant de l'horloge 15. Une sortie du filtre 8 est reliée à une première entrée d'un intégrateur 9, dont une deuxième entrée est reliée à une tension de référence 10. L'intégrateur 9 a une sortie reliée au dispositif 3 de réglage de haute tension dont une sortie est reliée à l'entrée de commande du photomultiplicateur 2.
La figure 6 illustre les signaux Is, 15s, 9s, 10s et 6s qui sont indiqués sur la figure 5 (troisième mode de réalisation de l'invention).
En fonctionnement, quand le photomultiplicateur 2 est activé, le scintillateur 1 envoie un signal utile Su à la cellule Kerr 12 qui hache temporellement le signal incident qu'elle reçoit. Ensuite, un premier signal Is comprenant ledit signal utile Su, qui a été temporellement haché, et le signal de bruit Sb en provenance du photomultiplicateur 2, est envoyé du photomultiplicateur 2 au commutateur 14. L'horloge 15 pilote le réglage du commutateur 14 avec un signal 15s constitué d'une suite d'impulsions. Quand une impulsion arrive sur le commutateur 14, un signal 10s composé uniquement des impulsions de bruit Sb qui sont délivrées par le photomultiplicateur 2 est envoyé au filtre 8. Quand aucune impulsion n'est fournie au commutateur 14, le photomultiplicateur et la chaine de mesure 13 sont électriquement reliés l'un à l'autre et un signal 9s comprenant le bruit Sb et le signal utile Su est fourni à la chaine de mesure 13 pour une exploitation standard du signal, connue en soi par l'homme du métier. L'horloge 15 envoie aussi ce signal 15s à l'unité de réglage 16 de la haute tension de la cellule Kerr. Quand une impulsion est délivrée en provenance de l'horloge 15, le système selon l'invention se trouve dans une période de réglage de la haute tension, c'est-à-dire du gain du photomultiplicateur, et l'unité de réglage met la cellule Kerr 16 sous haute tension. Quand l'horloge 15 ne délivre aucune impulsion, aucun réglage n'est effectué, et la chaine de mesure 13 mesure le signal 9s comprenant le signal utile Su et le bruit Sb en provenance du photomultiplicateur. Par contre, quand une impulsion est délivrée, aucun signal n'est fourni à la chaine de mesure 13, et simultanément, le signal 10s comprenant uniquement le bruit Sb du photomultiplicateur 2 est fourni au filtre 8. La période de mesure peut être, par exemple, égale à dix minutes, et la période de réglage peut être, par exemple, égale à une seconde. Par la suite, au-delà du filtre 8, le circuit fonctionne comme décrit ci-dessus en référence à la figure 2a.
La figure 7 montre un intégrateur qui peut être utilisé comme intégrateur 35 ou comme intégrateur 9 dans les exemples de réalisation de l'invention décrits précédemment. L'intégrateur comprend un amplificateur A ayant une entrée inverseuse (-) , une entrée non inverseuse (+) et une sortie. Un condensateur C est placé entre l'entrée inverseuse (-) et la sortie de l'amplificateur. Une résistance R a une première borne et une deuxième borne, la première borne étant reliée à l'entrée inverseuse (-) . Le signal 6s est appliqué sur la deuxième borne de la résistance R et la tension de référence 10 est appliquée sur l'entrée non inverseuse (+) .
La figure 8a montre un exemple de filtre 8 connu en soi par l'homme du métier. Le filtre 8 est connecté à la sortie du second interrupteur 7 selon la configuration illustrée en figure 3. Le filtre 8 comprend une résistance R ayant une première borne et une seconde borne. La première borne de la résistance R est reliée au second interrupteur 7. La seconde borne de la résistance R est par ailleurs reliée à une première borne d'un condensateur C dont la seconde borne est reliée à la masse. Le filtre comprend aussi un amplificateur A ayant une entrée et une sortie. L'entrée de l'amplificateur A est reliée à la seconde borne de la résistance R et à la première borne du condensateur C. La sortie de l'amplificateur est reliée à l'intégrateur 9. Le filtre reçoit le signal 5s et délivre le signal 6s.
La figure 8b montre un exemple de filtre 8 fonctionnant comme un redresseur. Ce filtre comprend une diode D ayant une entrée et une sortie et une résistance R ayant une première borne et une seconde borne. La sortie de la diode D est reliée à la première borne de la résistance R dont la seconde borne est reliée, par ailleurs, à une première borne d'un condensateur C. Le condensateur C a une seconde borne qui est reliée à la masse. La seconde borne de la résistance R et la première borne du condensateur C sont reliées à l'intégrateur 9. Le filtre reçoit le signal 5s et délivre le signal 6s.

Claims

REVENDICATIONS
1. Système de contrôle de dérive de gain de photomultiplicateur (2), caractérisé en ce qu'il comprend :
- des premiers moyens (4, 5, 6, 7, 8, 31,
14, 15) pour mesurer un signal de bruit du photomultiplicateur (2) et délivrer un signal de mesure
(5s, 6s) représentatif du signal de bruit du photomultiplicateur (2); et des seconds moyens (9, 10, 3) pour maintenir, à partir du signal de mesure (5s, 6s) , le signal de bruit mesuré à un niveau constant.
2. Système selon la revendication 1, dans lequel les seconds moyens comprennent un intégrateur (9), ayant une sortie reliée à une entrée d'un dispositif de réglage de tension (3) , une sortie du dispositif de réglage de tension (3) étant reliée à une entrée de commande du photomultiplicateur (2), l'intégrateur (9) ayant une première entrée reliée à une tension de référence (10) et une seconde entrée adaptée pour recevoir le signal de mesure (5s, 6s) .
3. Système selon la revendication 1 ou 2, dans lequel les premiers moyens comprennent un intégrateur (35) ayant une entrée et une sortie et qui comprend un amplificateur (5) connecté en parallèle à un condensateur (25) et à un premier interrupteur (27), et un discriminateur (6) ayant une entrée reliée à l'entrée de l'intégrateur, dont une première sortie pilote le premier interrupteur (27) et dont une seconde sortie pilote un second interrupteur (7) dont une entrée est reliée à la sortie du premier intégrateur (35) .
4. Système selon la revendication 3, dans lequel les premiers moyens comprennent en outre un filtre (8) .
5. Système selon l'une des revendications 3 ou 4, dans lequel les premiers moyens comprennent un élargisseur temporel et optique (11) ayant une entrée et une sortie, localisé entre un scintillateur (1) et le photomultiplicateur (2), l'entrée de l' élargisseur temporel et optique (11) étant connectée à la sortie du scintillateur (1) et la sortie de l' élargisseur temporel et optique (11) étant connectée à une entrée du photomultiplicateur (2).
6. Système selon la revendication 1 ou 2, dans lequel les premiers moyens comprennent un spectromètre d'amplitude (31) dont une sortie est connectée à une première entrée des second moyens (10, 9, 3) .
7. Système selon la revendication 1 ou 2, dans lequel les premiers moyens comprennent une cellule à effet Kerr (12) ayant une entrée et une sortie, localisée entre un scintillateur (1) et le photomultiplicateur (2), l'entrée de la cellule à effet Kerr (12) étant reliée à la sortie du scintillateur (1) et la sortie de la cellule à effet Kerr (12) étant reliée à une entrée du photomultiplicateur (2), la sortie du photomultiplicateur (2) étant reliée à une entrée d'un commutateur (14) ayant deux sorties, une première sortie du commutateur étant reliée à une entrée d'une chaine de mesure (13) et une seconde sortie du commutateur étant reliée à une entrée des second moyens (3, 9, 10), une sortie d'une horloge (15) étant reliée, d'une part, à une unité (16) de réglage de haute tension de la cellule à effet Kerr et, d'autre part, à l'entrée de commande du commutateur (14), l'unité (16) de réglage de haute tension de la cellule à effet Kerr étant reliée à une entrée de commande de la cellule à effet Kerr (12) .
8. Système selon la revendication 7, dans lequel les premiers moyens comprennent un filtre (8) .
9. Procédé de contrôle de dérive de gain de photomultiplicateur (2) comprenant :
- une étape de mesure d'un signal de bruit du photomultiplicateur (2) pour délivrer un signal de mesure représentatif du signal de bruit du photomultiplicateur (2) ; et - une étape pour maintenir, à partir du signal de mesure, le signal de bruit mesuré à un niveau constant .
10. Procédé selon la revendication 9, comprenant une étape supplémentaire, exécutée avant l'étape de mesure, pour élargir des impulsions lumineuses émises par un scintillateur placé en amont du photomultiplicateur.
11. Procédé selon la revendication 9, comprenant une étape supplémentaire, exécutée avant l'étape de mesure, pour hacher temporellement un signal incident qui entre dans le photomultiplicateur.
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