FR2611084A1 - Photomultiplicateur - Google Patents

Abstract

A) PHOTOMULTIPLICATEUR POUR CONVERTIR UN FAIBLE RAYONNEMENT LUMINEUX INCIDENT EN ELECTRONS MULTIPLIES PERMETTANT D'EMETTRE UN SIGNAL ELECTRIQUE CORRESPONDANT A L'INTENSITE DU RAYON LUMINEUX INCIDENT. B) LE PHOTOMULTIPLICATEUR COMPORTE UNE PHOTOCATHODE 4 POUR EMETTRE DES ELECTRONS PRIMAIRES; PLUSIEURS DYNODES 7-18 POUR EMETTRE DES ELECTRONS SECONDAIRES EN REPONSE A L'INCIDENCE DES ELECTRONS PRIMAIRES ET POUR MULTIPLIER LES PREMIERS ELECTRONS SECONDAIRES PASSANT ENTRE LES DYNODES; ET UN MOYEN 26 FORMANT ECRAN POUR EMPECHER LES SECONDS ELECTRONS SECONDAIRES EMIS PAR UNE PREMIERE DYNODE 7 PARMI LES DYNODES 7-18, EN DIRECTION DE LA PHOTOCATHODE, DE RETOURNER VERS LES DYNODES, PERMETTANT AINSI DE REDUIRE LA GENERATION DU COURANT PULSATOIRE RESIDUEL CAUSE PAR LES SECONDS ELECTRONS SECONDAIRES ET DE DETECTER AVEC PRECISION UN COURANT PULSATOIRE PRINCIPAL CAUSE PAR LES PREMIERS ELECTRONS SECONDAIRES. C) L'APPAREIL PERMET D'AMELIORER LA PRECISION D'ANALYSE DES DONNEES RELATIVES AU COMPTAGE DES PHOTONS.

Description

PHOTOMULTIPLICATEUR

La présente invention se rapporte à un photo-

multiplicateur pour analyseur spectroscopique à fluorescence, ou analogue, sur la base d'un comptage, en fonction du temps, de photons détectés isolément (SPC), ou analogues, et se rapporte en particulier à un photomultiplicateur dans lequel une faible lumière, telle q'un rayonnement fluorescent tombant sur une surface d'émission de photoélectrons ou sur une photocathode,est convertieen un courant électrique

correspondant à l'intensité de la faible lumière.

Dans un photomultiplicateur ordinaire, les photoélectrons, ou électrons primaires, qui sont émis par la photocathode sous l'action de la lumière qui tombe sur la photocathode, sont multipliés un grand nombre de fois par les surfaces d'émission d'électrons secondaires d'une pluralité de dynodes, de façon telle que l'on recueille, en provenance d'une anode, un courant électrique correspondant

à l'intensité de la lumière.

-La figure 1 représente une vue en coupe d'un photomultiplicateur conventionnel 51 du type frontal comportant la photocathode 4, une première électrode

de focalisation 52, une seconde électrode de foca-

lisation 53, une électrode en forme de plaque plate 6, des dynodes allant de la première dynode 7 à la douzième dynode 18, présentant des surfaces d'émission d'électrons secondaires, une anode 19 et un boitier

cylindrique 2 qui contient les composants ci-dessus.

Une extrémité du boitier 2 est fermé par une plaque transparente 3 sur laquelle tombe la lumière et l'autre extrémité du bottier est fermée par une embase et couverte par une calotte plastique 23. La surface intérieure de la plaque 3 sur laquelle tombe la lumière est légèrement courbe selon un rayon de courbure qui est 55 mm ou analogue. La photocathode est courbe le long de la surface intérieure de la plaque 3 sur laquelle tombe la lumière et elle est faite d'un matériau conventionnel pour émission de photoélectrons tel qu'un composé bialcalin de compo-

sition K-Sb-Cs et un composé de composition Na-K-

Sb-Cs (le nombre S est 20). Les dynodes 7 à 18 sont faites d'un matériau à base de nickel. Les surfaces intérieures des dynodes sont munies de surfaces d'émission d'électrons secondaires faites en un antimoniure alcalin de composition K-Sb-Cs et sont revêtues d'un film de SbCSs. Les surfaces d'émission des électrons secondaires des dynodes ne sont pas représentées sur la figure 1, à l'exception de la première dynode 7. La première et la seconde électrodes de focalisation 52 et 53 sont de forme cylindrique et sont prévues entre la photocathode 4 et la première dynode 7 de sorte que les photoélectrons, ou électrons primaires,émis par la photocathode viennent converger sur la première dynode. Les parties supérieures de

la première et de la seconde électrodes de focali-

sation 52 et 53 sont ouvertes. La portion centrale de la partie inférieure de la première électrode de focalisation 52 présente une ouverture 54 dans

laquelle est insérée la seconde électrode de focali-

sation 53. La portion centrale de la partie inférieure de la seconde électrode de focalisation 53 présente une ouverture 55 à travers laquelle passent les électrons primaires. L'électrode 6 en forme de plaque plate supporte la première et la seconde électrodes

de focalisation 52 et 53 de façon à séparer électri-

quement la photocathode 4 d'avec les dynodes 7 à 18 et d'avec l'anode 19, et présente une ouverture centale 24 à travers laquelle passent les électrons primaires. Les ouvertures 54, 55 et 24 de la première et de la seconde électrodes de focalisation 52 et 53 et de l'électrode 6 en forme de plaque plate sont installées concentriquement par rapport au boitier 2. La photocathode 4, la première électrode de focalisation 52, la seconde électrode de focali- sation 53, l'électrode 6 en forme de plaque plate, les dynodes 7 à 18 et l'anode 19 sont reliées aux broches correspondantes de connexion K, G, G1, DY1 à DY12 et P par l'intermédiaire de broches d'embase et de conducteurs qui ne sont pas représentés sur

la figure 1.

La figure 2 représente l'état de connexion des

broches de connexion K, G, DY1 à DY12 et P du photo-

multiplicateur 51 et d'un circuit extérieur 37 qui comporte des fiches femelles S14, S15, S1 à S13 correspondant aux broches de connexion. La fiche femelle S14 est reliée à une alimentation puissance (non représentée sur les dessins) pour appliquer une tension (-H V)). Les fiches S15, Si à S12 sont reliées à l'alimentation puissance par l'intermédiaire de résistances diviseuses de tension RI à R16 et de condensateurs Cl à C9. Une borne de la résistance diviseuse de tension R16 est mise à la masse. Les condensateurs Cl à C9 connectés en parallèle aux bornes de résistances diviseuses de tension R10 à R16 sont prévus pour maintenir les fiches S7 à S12 à des potentiels prédéterminés. La fiche S13 est reliée à un câble coaxial CBL. Etant donné que le circuit extérieur 37 sert à détecter une faible lumière, dont le nombre de photons incidents est si faible que les photons peuvent être détectés séparément l'un de l'autre, la fiche S13 prévue pour

recueillir un signal de sortie provenant du photo-

multiplicateur 51 est reliée au câble coaxial CBL par l'intermédiaire duquel le signal pulsatoire de

sortie peut être transmis avec précision.

Lorsque le photomultiplicateur 51 est relié

au circuit extérieur 37, la photocathode 4 du photo-

multiplicateur est maintenue -au potentiel le plus bas de -H V (par exemple -2 500 V) par la broche

K. A ce moment, les potentiels sur la première élec-

trode de focalisation 52 et sur les dynodes 7 à 18 sont maintenus séquentiellement plus hauts que le potentiel le plus bas sur la photocathode 4, par l'intermédiaire des broches G, DY1 à DY12. L'anode 19 est maintenue au potentiel de masse par la broche P et la seconde électrode de focalisation 53 est maintenue au même potentiel que la septième dynode

13 par la broche G1.

On utilise souvent un comptage, en fonction du temps, de photons détectés isolément pour un analyseur spectroscopique à fluorescence ou analogue, de façon à mesurer un rayonnement fluorescent faible de courte durée de vie ou analogue. Dans l'analyseur

spectroscopique à fluorescence, une impulsion lumi-

neuse excitatrice EX d'une durée suffisamment faible comme représenté sur la figure 3(A) tombe sur un échantillon tel qu'une substance de corps vivant et un semiconducteur pour faire passer les molécules de l'échantillon de l'état fondamental à un état excité en fonction de l'énergie de l'impulsion lumineuse excitatrice. Ensuite, les molécules excitées retournent à l'état fondamental, depuis l'état excité, pour émettre un rayonnement fluorescent. d'une longeur d'onde correspondant à un niveau énergétique entre l'état excité et l'état fondamental. Dans le comptage, en fonction du temps, de photons détectés isolément, l'intensité de l'impulsion lumineuse excitatrice EX est préréglée à une niveau réduit de sorte que seul un photo isolé SP de rayonnement fluorescent

2 6 1 1 0 8 4

est détecté pendant la durée de l'observation, en précisant que le photon isolé SP est émis à l'instant t2, comme représenté sur la figure 3(C), après que l'échantillon est excité par l'impulsion lumineuse excitatrice EX à l'instant tl comme représenté sur la figure 3(A). La probabilité de l'émission du photon isolé SP atteint un maximum lorsqu'un temps très court s'est écoulé depuis l'instant tl auquel les molécules sont excitées par l'impulsion lumineuse

excitatrice EX. La probabilité décroit presque expo-

nentiellement au fur et à mesure que le temps s'écoule, en partant du maximum. Dans le comptage, en fonction du temps, de photons détectés isolément, l'impulsion lumineuse excitatrice EX tombe de façon répétitive sur l'échantillon pour que celui-ci émette de façon répétitive le photon isolé SP comme représenté sur la figure 3(C), permettant ainsi de déterminer la fréquence du photon isolé en fonction de l'instant

de son émission et d'obtenir une courbe d'amortis-

sement du rayonnement fluorescent CVo(t) indiquant la caractéristique du rayonnement fluorescent fonction

du temps comme indiqué sur la figure 3(B).

La figure 4 représente une vue schématique d'un appareil pour mesurer la lumière faible telle qu'un rayonnement fluorescent en utilisant le

comptage, en fonction du temps, des photons isolés.

Dans cet appareil, l'instant de l'émission du photon isolé ne fluctue pas en fonction de la probabilité mais est prédéterminé, de sorte que, si on répète la mesure du signal provenant du photomultiplicateur de l'appareil en répétant l'arrivée du photon isolé sur le photomultiplicateur, il apparaitrait idéalement, au lieu de la courbe d'amortissement du rayonnement fluorescent, une distribution dans laquelle une fréquence correspondant au numéro de la répétition

ne se présente qu'à un certain instant.

La figure 5 (A) représente un signal de démarrage STT appliqué à un convertisseur temps-amplitude (TAC) représenté sur la figure 4 et la figure 5(B) représente le signal de sortie provenant du photomultiplicateur 51. La figure 6(A) est un diagramme pour expliquer une valeur de seuil pour le signal de sortie provenant du photomultiplicateur 51 et la figure 6(B) est un diagramme pour expliquer une procédure permettant de ne détecter qu'un courant pulsatoire d'origine lumineuse dans le signal de sortie provenant du photomultiplicateur 51, sur la base de la valeur de seuil comme déterminé sur la

figure 6(A).

Dans l'appareil de mesure représenté sur la figure 4, on n'utilise pas le rayonnement fluorescent provenant d'un échantillon réel, mais la faible lumière, correspondant au rayonnement fluorescent, qui est générée par un générateur d'impulsions 62, ainsi qu'une fibre optique 63 et un filtre 64. Par conséquent, l'instant de l'émission du photon isolé SP ne fluctue pas en fonction de sa probabilité, mais est prédéterminé. L'appareil est commandé par

un ordinateur 58 qui est relié à un analyseur multi-

canal (MCA) 59. Le convertisseur temps-amplitude

est relié à l'analyseur multicanal 59. Le conver-

tisseur temps-amplitude 60 reçoit le signal de démarrage STT comme représenté sur la figure 5(A) et mesure l'intervalle de temps entre la génération du signal de démarrage STT et celle d'un signal d'arrêt STOP comme décrit ci-dessous. Si, pour chaque signal de démarrage STT, deux courants pulsatoires sont émis par le photomultiplicateur 51, puis si

deux signaux d'arrêt STOP sont émis par un discrimi-

nateur de fraction constante (CFD) 66, le conver-

tisseur temps-amplitude 60 ne mesure que l'intervalle de temps entre la génération du signal de démarrage et celle du signal d'arrêt antérieur, en négligeant

le signal d'arrêt postérieur. Un circuit de tempori-

sation 61 envoie le signal de démarrage STT dans - le convertisseur tempsamplitude 60 après qu'une temporisation prédéteminée s'est écoulée à partir

de l'instant o le rayonnement est émis par le géné-

rateur d'impulsions 62. Par exemple, le circuit de temporisation 61 est réglé de façon que latemporisation

prédéteminée soit d'environ 200 nanosecondes.

Le générateur d'impulsions 62 comporte une diode émettrice d'un rayonnement lumineux (non représentée sur les dessins) pour émettre un rayonnement lumineux de longueur d'onde de 410 nanomètres. Le rayonnement lumineux émis par la diode émettrice du rayonnement lumineux est guidé vers le filtre 64 par la fibre optique 63. Avant que le rayonnement lumineux entre dans le photomultiplicateur 51, le filtre 64 fait décroître la quantité de lumière de façon à créer un état (dénommé ci- dessous état SPE), correspondant à l'apparition d'un unique photo - électron, tel qu'un

unique photon puisse être détecté dans le photomulti-

plicateur 51 pendant la durée de l'observation. Il

en résulte que l'unique photon SP arrive sur le photo-

multiplicateur 51 après écoulement du temps prédéter-

miné à partir de l'instant o le rayonnement lumineux

est généré par le générateur d'impulsions 62.

Comme mentionné ci-dessus, les potentiels

prédéterminés sont appliqués aux électrodes du photo-

multiplicateur 51 par le circuit extérieur 37 de façon que les photoélectrons ou électrons primaires soient émis par la photocathode 4 sous l'action de

la faible lumière arrivant sur le photomultiplicateur.

Les électrons primaires émis par la photocathode 4 viennent converger sous l'action de la première et de la seconde électrodes de focalisation 52 et 53 et atteignent la première dynode 7 par l'ouverture de la seconde électrode de focalisation et par l'ouverture 24 de l'électrode 6 en forme de plaque plate. Des électrons secondaires sont émis par la surface 22 d'émission d' électrons secondaires de la première dynode en fonction des électrons primaires qui tombent sur la première dynode. Les électrons secondaires atteignent les surfaces d'émission (non représentées sur les dessins) d'électrons secondaires de la seconde dynode 8 jusqu'à la douzième dynode 18 de sorte q'une multiplication s'effectue en passant

par chaque surface d'émission d'électrons secondaires.

Il en réulte que le signal de sortie est émis sous la forme d'un courant électrique partant de l'anode

19 vers le circuit extérieur 37.

Etant donné que le rayon lumineux qui tombe sur la photocathode 4 est suffisamment faible pour créer l'état d'apparition d'un photoélectron unique SPE, le signal fourni par l'anode 19 est constitué

de courants pulsatoires PC1, PC2 et PC3 comme repré-

senté sur la figure 5(B). Le courant pulsatoire PC1

est un courant pulsatoire principal émis par le photo-

multiplicateur 51 après écoulement du temps nécessaire

pour que les électrons transitent dans le photomul-

tiplicateur, depuis le moment de l'arrivée sur la

photocathode 4 du photon apparu isolément SP.

La plaque 3 du photomultiplicateur 51 sur laquelle arrive le rayonnement lumineux est recouverte d'une bande noire ou analogue A l'exception d'un cercle de diamètre 10 mm de la plaque sur laquelle le rayon lumineux tombe effectivement, pour empêcher

ce rayon lumineux d'atteindre une zone de la photo-

cathode 4 située en dehors de ce cercle de diamètre mm. Le signal de sortie, c'est-à-dire le courant pulsatoire envoyé dans le circuit extérieur 37, est amplifié par un amplificateur 65 puis envoyé dans le discriminateur de fraction constante 66. Le discri- minateur de fraction constante 66 n'envoie que celui des courants pulsatoires provenant de l'amplificateur dont la valeur est supérieure à une valeur de seuil prédéterminée LLD. On place la valeur de seuil

LLD à la hauteur d'impulsion pour laquelle la distri-

bution des hauteurs d'impulsion est minimale comme représentée sur la figure 6(A), et par conséquent les autres courants pulsatoires PC2 et PC3 sont éliminés en tant que bruits causés par les courants d'obscurité du photomultiplicateur 51. Par conséquent, seul le courant pulsatoire PC1 dont la hauteur est supérieure à la valeur de seuil LLD est détecté en tant que courant pulsatoire provenant du rayonnement lumineux. Lorsque le discriminateur de fraction constante

66 détecte le courant pulsatoire, provenant du rayon-

nement lumineux, dont la hauteur est supérieure à la valeur de seuil LLD, comme mentionné ci-dessus, il envoie le signal d'arrêt STOP dans le convertisseur temps-amplitude 60 de sorte que ce convertisseur ne reçoit pas les autres courants pulsatoires,

provenant du rayonnement lumineux, qui suivent.

Le signal de démarrage STT provenant du générateur d'impulsions 62 est envoyé dans le convertisseur temps-amplitude 60 par l'intermédiaire du circuit temporisé 61 avant l'entrée du signal d'arrêt STOP dans le convertisseur 60. En réponse au signal d'arrêt STOP provenant du discriminateur de fraction constante 66, le convertisseur temps-amplitude 60 reconnait que, pour le signal de démarrage STT, le premier courant pulsatoire provenant du rayonnement lumineux est généré. Le convertisseur 60 mesure le temps tt qui s'écoule entre la génération du signal

de démarrage STT et celle du signal d'arrêt STOP.

Etant donné que le signal de démarrage STT est envoyé dans le convertisseur temps-amplitude 60 par le générateur d'impulsions 62 à un certain instant et que le signal d'arrêt STOF doit, idéalement, être émis par le discriminateur de fraction constante après écoulement d'un intervalle de temps prescrit

à partir de l'instant de la génération, par le géné-

rateur d'impulsions, du courant pulsatoire provenant

du rayon lumineux, le temps tt doit être constant.

Par contre, le temps tt fluctue du fait que les orbites des électrons primaires et des électrons secondaires dans le photomultiplicateur 61 sont irrégulières. Quand le convertisseur temps-amplitude 60 a mesuré le temps tt qui s'écoule entre la génération du signal de démarrage STT et celle du signal d'arrêt STOP, le résultat de cette mesure est envoyé, comme

élément des données de mesure, à l'analyseur multi-

canal 59 et la fréquence e d'apparition isolée d'un photon pendant le temps tt augmente d'une unité dans

l'ordinateur 58.

La figure 7 représente les données de comptage de photons obtenues en envoyant de façon répétitive (100.000 fois par exemple) le photon SP, qui apparait isolément, sur le photomultiplicateur 51 et en envoyant au traceur 57 la fréquence d'apparition d'un photon unique pendant le temps tt qui s'écoule entre la génération du signal de démarrage STT et celle du signal d'arrêt STOP. Sur la figure 7, l'instant tt

correspondant à la fréquence la plus élevée d'appa-

rition d'un photono unique a la valeur O nanoseconde.

tl Si les orbites des électrons primaires et des électrons secondaires dans le photomultiplicateur 51 n'étaient pas irrégulières, les données de comptage d'apparition d'un photon, mesurée de façon répétitive, seraient détectées sous forme d'un courant pulsatoire idéal IP dont la fréquence de génération correspondrait au nombre de fois de la répétition, et ceci à l'instant 0 nanoseconde comme représenté sur la figure 7. Toutefois, les orbites des électrons primaires

et des électrons secondaires dans le photomultipli-

cateur 51 sont irrégulières, de sorte qu'en pratique on détecte un courant pulsatoire principal MP1 présentant une fluctuation, dans le temps, de largeur de bande à mi-hauteur FWHM1, comme représenté sur la figure 7, et un courant pulsatoire résiduel AP1 généré peu après la génération du courant pulsatoire principal. Conformément à ce qui se passe pour le photomultiplicateur conventionnel 51, on comprend, à partir des données de comptage des photons comme représenté sur la figure 7, que la largeur de bande à mi-hauteur FWHM1 de la fréquence d'apparition d'un photon unique correspondant au courant pulsatoire principal MP1 est de l'ordre de 500 à 600 picosecondes et que le courant pulsatoire résiduel AP1 est détecté avec une probabilité de génération de 3 à 4%, environ à 20 nanosecondes après la détection du courant pulsatoire principal. La probabilité de génération du courant pulsatoire résiduel AP1 se calcule comme rapport entre les fréquences totales AR2 d'apparition du photon unique pour le courant pulsatoire résiduel AP1 et celles, AR1, d'apparition du photon unique

pour le courant pulsatoire principal MP1.

Les distributions des fréquences d'apparition

du photon unique SP pour le courant pulsatoire prin-

cipal et pour le courant pulsatoire résiduel MP1 et AP1, comme représenté sur la figure 7, sont les résultats de la détection des courants pulsatoires effectuée dans le cas o l'instant de la génération du photon unique SP est prédéterminé et ne fluctue donc pas. Dans la mesure effective du rayonnement fluorescent, par contre, le photon unique SP tombe sur le photomultiplicateur 51 selon la caractéristique en fonction du temps comme représenté sur la figure 3(B), c'est-à-dire selon la courbe d'amortissement du rayonnement fluorescent CVo(t), de sorte que le changement qui se produit, en fonction du temps, dans la fréquence d'apparition du photon unique effectivement détectée par le photomultiplicateur

51 peut être prédite conformément au produit de convo-

lution CV(t) suivant, fonction du temps, résultant du produit de la caractéristique en fonction du temps, ou courbe d'amortissement CVo(t') du ray onnement fluorescent réel et de la courbe de fluctuation, en fonction du temps g(t'-t) du courant pulsatoire principal et du courant pulsatoire résiduel MP1 et AP1. CV(t) JCVOtM) g(t'-tdt' Le produit de convolution fonction du temps

est calculé par l'ordinateur 58 et envoyé simulta-

nément au traceur 47 en tant que données d'amortis-

sement du rayonnement fluorescent CV1(t), comme repré-

senté sur la figure 7.

Conformément à ce qui se produit pour le photo-

multiplicateur conventionnel 51 représenté sur la figure 1, le courant pulsatoire principal MP1 présente une fluctuation, dans le temps, de largeur de bande à mi-hauteur FWHM1 qui est de l'ordre d'environ 500 à 600 picosecondes, et le courant pulsatoire

résiduel AP1 est envoyé avec la probabilité de géné-

ration de 3 à 4% et mesuré en plus du courant

pulsatoire principal.

On a récemment pensé que la génération du courant pulsatoire résiduel AP1 provenait d'un retour du rayonnement lumineux dans lequel le rayonnement lumineux émis par la première dynode 7 allait jusqu'à la photocathode 4 et revenait jusqu'à la première dynode. Le présent inventeur et ses collaborateurs ont découvert la règle selon laquelle le temps qui s'écoule depuis la génération du courant pulsatoire principal MP1 jusqu'à celle du courant pulsatoire résidul AP1 est deux fois plus long que le temps

de transit des éléctrons primaires entre la photo-

cathode 4 et la première dynode 7. Du fait que le temps de transit du rayonnement lumineux entre la photocathode 4 et la première dynode 7 lors du trajet de retour du rayonnement lumineux est plusieurs centaines de picosecondes, ce qui est beaucoup plus court que le temps de transit des électrons, la règle mentionnée ci-dessus ne pourrait pas exister si le courant pulsatoire résiduel AP1 était généré par le trajet de retour du rayonnement lumineux. En s'appuyant sur le fait que le temps qui s'écoule entre la génération du courant pulsatoire principal MP1 et celle du courant pulsatoire résiduel AP1 est deux fois aussi long que le temps de transit des électrons primaires entre la photocathode 4 et la

première dynode 7, le présent inventeur et ses colla-

borateurs ont découvert que le courant pulsatoire résidule n'est pas généré par le trajet de retour du rayonnement lumineux mais qu'il est généré par le phénomène consistant en ce que les électrons secondaires émis par la surface d'émission 22 des électrons secondaires de la première dynode 7 vont jusqu'à la photocathode et reviennent sur la première dynode comme indiqué par les orbites G1, G2, G3,

G4 et G5 comme représenté sur la figure 1.

La figure 8 représente la distribution d'énergie des électrons secondaires qui sont émis par la surface d'émission 22 d'électrons secondaires de la première dynode 7 lorsque les électrons primaires d'une énergie de 100 eV tombent sur la surface d'émission des électrons secondaires. On voit sur la figure 8 que la distribution d'énergie des électrons secondaires peut se classer en trois régions a, b et c.Dans la région a, l'électron secondaire est émis avec une énergie d'environ 2 eV. Dans la région c, l'électron secondaire est émis avec une énergie légèrement inférieure à celle de l'électron primaire. Dans la région a, les électrons secondaires sont des électrons secondaires ordinaires nouvellement émis

par la surface d'émission 22 des électrons secondaires.

Dans la région b, certains des électrons secondaires sont des électrons secondaires ordinaires nouvellement émis et les autres sont des électrons primaires qui sont tombés sur la surface d'émission 22 des électrons secondaires en perdant une partie de leur. énergie dans le processus d'échange d'énergie sur la surface et qui ont été ensuite réfléchis de façon non élastique par la surface. Les électrons secondaires qui sont les électrons primaires réfléchis de façon non élastique par la surface d'émission 22 d'électrons secondaires, comme décrit ci-dessus, sont dénommés électrons de rétrodiffusion. Dans la région c, les électrons secondaires sont des électrons primaires qui ont perdu une très faible quantité d'énergie sur la surface d'émission 22 des électrons secondaires et qui ont donc été réfléchis presqu'élastiquement par cette surface. Les électrons qui sont réfléchis presqu'élastiquement par la surface 22 comme décrit

ci-dessus sont dénommés électrons réfléchis élasti-

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quement. Les électrons secondaires de la région a de la distribution d'énergie correspondent au courant pulsatoire principal MP1 généré comme représenté sur la figure 9(A).Les électrons secondairesde la région b de la distribution d'énergie correspondent à un

courant pulsatoire principal MP', etàun courant pulsa-

toire résiduel AP', généré très peu de temps après

le courant pulsatoire principal MP1 comme repré-

senté sur la figure 9(B). En d'autres termes, les

électrons secondaires qui sont émis en tant qu'élec-

trons secondaires ordinaires dans la région b de la distribution d'énergie et qui correspondent au courant pulsatoire princiapl MP', ainsi que des électrons secondaires qui sont dans la région b de la distribution d'énergie et sont émis en tant qu'électrons de rétrodiffusion, correspondent au courant pulsatoire résiduel AP'. Etant donné que les électrons de rétrodiffusion n'atteignent pas la photocathode 4, mais changent de direction et

retournent à la première dynode 7, le courant pulsa-

toire résiduel APi correspondant aux électrons de rétrodiffusion est généré très peu de temps apres

la génération du courant pulsatoire principal MP.

Touefois, le convertisseur temps-amplitude 60 de l'appareil ne mesure que le temps qui s'écoule entre la génération du signal de démarrage STT et celle du signal d'arrêt STOP sur la base du premier signal émis, c'est-àdire ne mesure que le courant pulsatoire

principal MP, et par conséquent le courant pulsa-

toire résiduel AP', basé sur les électrons de rétro-

diffusion, n'est pratiquement pas mesuré. Les élec-

trons secondaires qui sont dans la région c de la distribution d'énergie et sont les électrons réfléchis élastiquement correspondent au courant pulsatoire

résiduel AP1 comme représenté sur la figure 9(C).

Les électrons réfléchis élastiquement sont émis par la première dynode 7 avec une énergie légèrement inférieure à celle des électrons qui tombent sur la première dynode, de sorte que- les électrons réfléchis élastiquement vont jusqu'au voisinage de la photocathode 4 comme indiqué par les orbites Gl à G5 comme représenté sur la figure 1, changent de direction au voisinage de cette photocathode et reviennent vers lapremière dynode. Par conséquent, un courant pulrgatoire basé sur les électrons réfléchis élastiquement est émis par l'anode 19 avec un retard de temps qui est presque deux fois aussi long que le temps de transit des électrons pour aller de la photocathode 4 à la première dynode 7 et par conséquent le courant pulsatoire est mesuré en tant que courant pulsatoire résiduel AP1 comme représenté sur la figure 7. Du fait que les électrons réfléchis élastiquement n'interviennent pas dans le courant pulsatoire principal MP1, le temps tt qui s'écoule jusqu'à la génération du signal d'arrêt STOP sur la base du courant pulsatoire résiduel AP est pratiquement mesuré par le convertissseur temps-amplitude 60 du

dispositif de mesure.

Les orbites G1 à G5 des électrons réfléchis

élastiquement sont calculéespar simulation informatique.

Dans le calcul on suppose que la distribution des

angles d'émission des électrons réfléchis élasti-

quement par la première dynode 7 dépend des angles d'incidence, sur la première dynode 7, des électrons primaires provenant de la photocathode 4 et qu'un électron réfléchi élastiquement est, avec une haute probabilité, réfléchi dans la même direction que

l'incidence de l'électron primaire.

La figure 10 représente la distribution des

angles d'émission des électrons réfléchis élasti-

quement par la première dynode 7. On voit sur la figure 10 que les distributions ADO, AD1 et AD2

des angles d'émission des électrons réfléchis élasti-

quement correspondant aux électrons primaires qui tombent sur la première dynode 7 sous les angles d'incidence e de O0, 30C et 45 ont leurs directions

principales sous des angles 0 de 0 , 30 et 45 .

Le courant pulsatoire résiduel AP1, généré et mesuré comme décrit cidessus, provoque une diminution de la précision de l'analyse des données de comptage

des photons sur la base du courant pulsatoire prin-

cipal MP1 et le calcul du produit de convolution,

en fonction du temps, de la courbe réelle d'amortis-

sement du rayoonnement fluorescent CVo(t) sur la figure 3(B; donne les données d'amortissement du rayonnement fluorescent CVi(t) représenté sur la figure 7. Par conséquent, il n'est pas possible de prédire avec précision la courbe réelle d'amortissement du ravonnement fluorescent CV (t) et il est préférable o

d'éliminer le courant pulsatoire résiduel AP1.

Toutefois, les électrons réfléchis élastiquement qui arrivent jusqu'au voisinage de la photocathode 4 reviennent sur la première dynode 7 sans obstacle à leur transit et de plus les électrons réfléchis élastiquement sont générés sans être affectés par la présence de la surface d'émission 22 d'électrons

secondaires de la première dynode 7 dans -le photo-

multiplicateur conventionnel 51, de sorte que ce photomultiplicateur présente un problème qui réside

en la difficulté de supprimer efficacement la géné-

ration du courant pulsatoire résiduel AP1.

Un but de la présente invention est donc de

proposer un photomultiplicateur dans lequel la géné-

ration d'un courant pulsatoire résiduel est supprimée efficacement pour améliorer la précision de l'analyse, sur la base d'un courant pulsatoire principal, des données de comptage de photons d'une faible lumière

telle qu'un rayonnement fluorescent.

Pour atteindre le but indiqué ci-dessus, le photomultiplicateur conforme à l'invention comporte un moyen de conversion photo-électrique pour émettre des électrons primaires; un moyen de focalisation pour faire converger les électrons primaires émis par le moyen de conversion photo- électrique; un moyen d'électromultiplication pour recevoir les électrons

primaires provenant du moyen de conversion photo-

électrique et pour, à partir de ces électrons, émettre des électrons secondaires; et un moyen formant écran présentant au moins une ouverture et disposé entre le moyen de conversion photo-électrique et le moyen d'électro-multiplication de façon que les électrons

primaires émis par le moyen de conversion photo-élec-

trique passent à travers l'ouverture, en direction du moyen d'électromultiplication, et que les

électrons secondaires émis par le moyen d'électro-

multiplication, en direction du moyen de conversion

photo-électrique, soient capturés.

Lorsqu'un faible rayonnement lumineux, tel qu'un rayonnement fluorescent, est envoyé sur le moyen de conversion photo-électrique du photomultiplicateur conforme à l'invention, les électrons primaires, c'est-àdire les photo-électrons, sont émis par le moyen de conversion photoélectrique. Les électrons

primaires convergent sous l'action du moyen de foca-

lisation, passent à travers l'ouverture du moyen

formant écran et tombent sur le moyen d'électro-multi-

plication. Lorsque les électrons primaires tombent sur le moyen d'électromultiplication, les électrons

secondaires sont émis par ce moyen d'électro-multipli-

cation. Parmi les électrons secondaires, ceux qui

sont réfléchis élastiquement par le moyen d'électro-

multiplication vont jusqu'au voisinage du moyen de conversion photoélectrique et reviennent vers le moyen d'électro-multiplication.iLes électrons secondaires,

qui sont les électrons primaires réfléchis élasti-

quement par le moyen d'électro-multiplication et qui sont à l'origine de ce qu'un courant pulsatoire résiduel est détecté par l'appareil pour réduire la précision de l'analyse des données de comptage des photons, sont capturés par réflexion sur et absorption par, le moyen formant écran prévu entre le moyen de conversion photo-électrique et le moyen d'électromultiplication. On peut donc diminuer la probabilité que les électrons secondaires réfléchis élastiquement par le moyen d'électro-multiplication

tombent sur le moyen d'électro-multiplication.

La figure 1 est une vue schématique d'un photo-

multiplicateur conventionnel;

la figure 2 montre l'état de connexion du photo-

multiplicateur et d'un circuit extérieur;

les figures 3(A), 3(B) et 3(C) sont des dia-

grammes explicatifs montrant la génération d'un rayon-

nement fluorescent réel par un échantillon, la figure 3(A) représentant une impulsion lumineuse excitatrice tombant sur l'échantillon, la figure 3(B) représentant une courbe d'amortissement du rayonnement fluorescent

et la figure 3(C) représentant le rayonnement fluo-

rescent généré par l'échantillon;

la figure 4 est une vue schématique d'un dispo-

sitif de mesure pour obtenir les données relatives au comptage des photons; la figure 5(A) représente le signal de démarrage dans l'appareil tel que représenté sur la figure 4 et la figure 5(B) représente le signal émis par le photo-multiplicateur; les figures 6(A) et 6(B) sont des diagrammes explicatifs pour décrire l'établissement d'une valeur

de seuil pour le signal émis par le photo-multipli-

cateur, la figure 6(A) étant un diagramme pour décrire une procédure de détermination de la valeur de seuil en termes d'une distribution de hauteur d'impulsion et la figure 6(B) étant un diagramme pour décrire une procédure permettant de ne prélever, dans le signal émis par le photomultiplicateur, sur la base de la valeur de seuil, que le courant pulsatoire résultant du rayonnement lumineux; la figure 7 représente les données relatives

au comptage des photons obtenues à l'aide du photo-

multiplicateur conventionnel représenté sur la figure 1; la figure 8 représente. la distribution d'énergie des électrons secondaires émis par la première dynode du photo-multiplicateur; les figures 9(A), 9(B) et 9(C) représentent les données relatives au comptage des photons sur des électrons secondaires présentant les régions a, b et c de la distribution d'énergie; la figure 10 est un diagramme pour décrire les orbites des électrons réfléchis élastiquement;

la figure 11 est une vue schématique d'un photo-

multiplicateur conforme à la présente invention; les figures 12(A), 12(B) et 12(C) sont des vues

perspectives, à échelle agrandie, des électrodes-

écrans pour le photo-multiplicateur représenté sur la figure 11; la figure 13 représente les données. relatives

au comptage des photons obtenues par le photo-multi-

plicateur représenté sur la figure 11; et les figures 14 et 15 sont des vues partielles des modifications du photo-multiplicateur représenté

sur la figure 11.

On décrit ci-dessous une réalisation de

l'invention en se référant aux dessins joints.

La figure 11 représente un photo-multiplicateur conforme à l'invention. La figure 12(A) est une vue perspective, à échelle agrandie, de l'électrode-écran 26 représentée sur la figure 11 et les figures 12 (B) et 12(C) sont des vues perspectives, à échelle agrandie, des modifications de l'électrode-écran représentée sur la figure 12(A). Les composants mutuellement correspondants, tels que représentés sur les figures 11 et 1, sont désignés par les mêmes références. Le photo- multiplicateur conforme à l'invention, tel que représenté sur la figure 11, comporte, prévus entre la photocathode 4 et une première dynode 7, une électrode de focalisation 25, l'électrode-écran 26, une électrode 6 en forme de plaque plate et un isolant électrique 31 sur l'électrode 6 en forme

de plaque plate.

L'électrode de focalisation 25 fonctionne de

la même façon que la première électrode de focali-

sation 52 représentée sur la figure 1, de sorte que les photo-électrons ou électrons primaires émis par la photocathode 4 lorsque le rayonnement lumineux tombe sur la photocathode sont rendus convergents

en direction de la première dynode 7. La partie infé-

rieure 39 de l'électrode de focalisation 25 présente

une ouverture 30 dans laquelle est insérée l'élec-

trode-écran 26. L'électrode de focalisation 25 est placée, au moyen de broches d'embase 32, à des distances prédéterminées de l'isolant électrique

31 et de l'électrode 6 en forme de plaque plate.

L'électro-écran 26 est placée de façon telle que les électrons réfléchis élastiquement par la première dynode 7 ne puissent pas tomber à nouveau sur la première dynode. Comme représenté sur la figure

12(A), l'électrode-écran 26 comporte une partie supé-

rieure 34 présentant une ouverture supérieure 28, une portion latérale 35 partiellement en forme de tronc de cône, et une partie inférieure 36 présentant une ouverture inférieure 29. La partie supérieure 34 et la partie inférieure 36 de l'électrode-écran

26 ont l'une et l'autre la forme d'un disque.

L'ouverture supérieure et l'ouverture inférieure 28 et 29 sont respectivement concentriques avec la

partie supérieure 34 et la partie inférieure 36.

L'électrode-écran 26 est placée dans une position

telle que les électrons primaires émis par la photo-

cathode 4 passent certainement à travers l'ouverture supérieure 28 de l'électrode-écran, en direction

* de la première dynode 7, et que les électrons secon-

daires réfléchis élastiquement par la première dynode ne reviennent pas sur la photocathode en passant par l'ouverture supérieure 28, mais sontcapturés

par la surface intérieure de l'électrode-écran.

Comme représenté sur la figure 11, la partie supé-

rieure 34 de l'électrode-écran 26 est placée plus près de la photocathode 4 que de la première dynode 7. Pour permettre aux électrons primaires provenant de la photocathode 4 de passer de façon sûre par l'ouverture supérieure 28 de la partie supérieure 34 de l'électrode-écran 26, cette ouverture supérieure doit de préférence être placée dans une position o la section droite de l'orbite des électrons

primaires que fait converger l'électrode de focali-

sation 25 est la plus resserrée. Dans ce but le bord inférieur de la partie en forme de tronc de cône de la portion latérale 35 de l'électrodeécran 26

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est placé presque dans le même plan que la partie inférieure 39 de l'électrode de focalisation 25, et la partie supérieure 34 de l'électrodeécran est placée en dessous du bord supérieur de la portion latérale 38 de l'électrode de focalisation 25. Pour pouvoir placer l'électrode-écran 26 de la façon décrite ci-dessus, on prévoit que la longueur axiale

de la portion latérale 38 de l'électrode de focali-

sation 25 est supérieure à celle de la partie en forme de tronc de cône de la portion latérale 35

de l'électrode-écran 26.

On détermine le diamètre D1 de l'ouverture supérieure 28 de l'électrodeécran 26 de façon à

limiter la surface efficace de la portion de photo-

cathode 4 sur laquelle tombe le rayon lumineux. Si le diamètre D1 de l'ouverture supérieure 28 est plus petit, les électrons réfléchis élastiquement retournent vers la photocathode avec une faible probabilité et, en même temps, les photo-électrons émis par la photocathode 4 lorsque le rayonnement lumineux tombe sur la photocathode atteignent la première dynode 7 avec une probabilité plus faible, de sorte qu'il est impossible de mesurer un courant pulsatoire principal avec précision ou avec une sensibilité élevée. Si le diamètre Di de l'ouverture supérieure 28 est plus grand, les photo-électrons émis par la photocathode 4 tombent sur la première dynode 7 avec une probabilité plus grande pour augmenter le courant pulsatoire principal et en même temps les électrons réfléchis élastiquement par la première dynode 7 retournent à la photocathode avec une plus grande probabilité pour accroître un courant pulsatoire résiduel, de sorte qu'il est impossible

de ne détecter avec précision que le courant pulsa-

toire principal. On détermine par conséquent le diamètre D1 de l'ouverture supérieure 28 de façon

que le passage des photo-électrons émis par la photo-

cathode 4 ne soit pas trop empêché tandis que le retour au voisinage de la photocathode des électrons réfléchis élastiquement est efficacement supprimé. Si, par exemple, on donne environ la valeur 5 mm au diamètre de la portion réelle de surface efficade de la photocathode 4 sur laquelle tombe le rayonnement lumineux, le diamètre D1 de l'ouverture supérieure 28 devient 77 à 67% du diamètre de la portion réelle de surface efficace de la photocathode sur laquelle tombe le rayonnement lumineux, c'est-à- dire devient

environ 3,5 mm.

On définit le diamètre D3 de l'ouverture infé-

rieure 29 de l'électrode-écran 26 de façon que les

photo-électrons qui sont passés par l'ouverture supé-

rieure 28 ne soient pas empêchés de tomber sur la première électrode 7. Par exemple, on définit le diamètre D3 de l'ouverture inférieure 29 de façon que la périphérie de l'ouverture inférieure soit placée sur une surface imaginaire en tronc de cône

s'étendant depuis la périphérie de l'ouverture supé-

rieure 28 jusqu'à celle de l'ouverture 24 de l'électrode 6 en forme de plaque plate. Dans ce cas, le diamètre D3 de l'ouverture inférieure 29 prend

environ la valeur 8 mm.

Les diamètres D2 et D4 de la partie supérieure 34 et de la partie inférieure 36 de l'électrode-écran 26, telle que représentée sur la figure 12(A), ont

comme valeur environ 7 mm et environ 31 mm, respecti-

vement. La hauteur H1 de la partie en tronc de cône de la portion latérale 35 de l'électrode-écran 26

a comme valeur environ 21,35 mm.

Au lieu de l'électrode-écran 26 représentée sur la figure 12(A), on peut prévoir chacune des

SR 4224 JP/RS

électrodes-écrans 71 et 73 représentées sur les

figures 12(B) et 12(C). L'électrode-écran 71 repré-

sentée sur la figure 12(B) est en forme de disque

et présente une ouverture 72 en son centre.

L'électrode-écran 73 représentée sur la figure 12(C)

est en forme de tronc de cône et présente des ouver-

tures définissant sa partie supérieure 74 et sa partie inférieure 75. De même que l'électrode-écran 26 représentée sur la figure 12(A), les électrodes-écrans 71 et 73 représentées sur les figures 12(B) et 12(C) sont placées dans une position telle que lesélectrons primaires émis par la photocathode 4 passent sûrement à travers l'électrode-écran en direction de la première dynode 7 et que les électrons secondaires réfléchis élastiquement par la première dynode ne retournent pas vers la photo-cathode. Dans ce but, on place l'électrode-écran 71 et la partie supérieure 74 de l'électrode-écran 73 plus près de la photocathode 4 que de la. première dynode 7. L'invention n'est pas limitée aux formes des électrodes-écrans 26, 71 et 73, représentées sur les figures 12(A), 12(B) et 12(C), mais peut se réaliser en utilisant d'autres

électrodes-écrans présentant des formes différentes.

De préférence les électrodes-écrans 26, 71 et 73 représentées sur les figures 12(A), 122(B) et 12(C) sont fabriquées en métal et, de plus grande préférence, en un métal présentant un important

travail d'extraction comme l'étain et le cuivre.

Il est en outre préférable que la surface intérieure de chacune des électrodes-écrans 26, 71 et 73 ne soit pas polie miroir, mais soit poreuse pour pouvoir capturer efficacement les électrons secondaires

réfléchis par la première dynode 7.

Chacune des électrodes-écrans 26, 71 et 73, ainsi que l'électrode de focalisation 25, sont placées

à des distances prédéteminées de l'isolateur élec-

trique 31 et de l'électrode 6 en forme de plaque

plate, au moyen des broches d'embase 33.

L'électrode 6 en forme de plaque plate supporte l'électrode de focalisation 25 et les électrodes écrans 26, 71 et 73 au moyen des broches d'embase 32 et 33 et sépare électriquement la photocathode 4 d'avec la première dynode 7 et des suivantes jusqu'à

la douzième dynode 18 et d'avec une anode 19.

La photocathode 4, l'électrode de focalisation , les dynodes 16 à 18 et l'anode 19 sont reliées aux broches de connexion correspondantes K, G, DY1, DY2, DY3, DY4, DY5, DY6, DY7, DY8, DY9, DY10, DYll, DY12, et P par l'intermédiaire des broches d'embase 32 et 33 et de conducteurs non représentés sur les dessins. Chacune des électrodes-écrans 26, 71 et 73 est reliée à une broche de connexion G1

elle-même reliée à la septième dynode 13, par exemple.

L'électrode 6 en forme de plaque plate est reliée à la broche de connexion DY1 prévue pour la première dynode 7. Des potentiels, comme représenté sur le

tableau 1, sont appliqués aux électrodes du photo-

multiplicateur t depuis un circuit extérieur qui est entièrement le même que le circuit extérieur 37 représenté sur la figure 2. Le potentiel de 2500 V est appliqué à la photocathode 4. L'anode 19 est maintenue au potentiel de masse. Chacune des électrodes-écrans 26, 71 et 73 est maintenue au même

potentiel de - 1 220 V que la septieme dynode 13.

Comme le potentiel appliqué à chacune des électrodes-

écrans 26, 71 et 73 est supérieur à celui appliqué à la photocathode 4, l'intensité du champ électrique va en augmentant au voisinage de la photocathode 4. Le tableau 1 montre les valeurs concrètes des

tensions appliquées aux électrodes du photomultipli-

cateur 1 et celles des potentiels des électrodes du photomultiplicateur par rapport à celui de la photocathode. L'état de la connexion des broches de connexion K, G, Gl, DYl à DY12, P du circuit extérieur est le même que celui représenté sur la

figure 2.

Lorsque l'on utilise dans l'appareil représenté sur la figure 4 le photomultiplicateur 1 tel que décrit ci-dessus pour compter des photons au lieu

du photomultiplicateur conventionnel 51 (pour simpli-

dier la description on suppose que c'est l'électrode-

écran représentée sur la figure 12(A) qui est prévue dans le photomultiplicateur), un faible rayonnement lumineux, tel qu'un rayonnement fluorescent, qui est dans l'état d'apparition d'un photoélectron

unique SPE, tombe sur la photocathode 4 du photo-

multiplicateur 1 sous l'action du générateur d'impulsions 62, dela fibre optique 63 et du filtre 64. Il en résulte que les photo-électrons ou électrons primaires sont émis par la photocathode 4 et convergent sous l'action de l'électrode de focalisation 25 pour pénétrer avec précision dans la première ouverture 28 de la partie supérieure 34 de l'électrodeécran 26 et tomber sur la surface 22 d'émission d'électrons secondaires de la première dynode 7 en passant par l'ouverture supérieure, l'ouverture inférieure 29 de la partie inférieure 36 de l'électrode-écran et l'ouverture 24 de l'électrode 6 en forme de plaque plate. A cet instant, les électrons secondaires sont émis par la surface 22 d'émission des électrons secondaires de la première

dynode 7.

Parmi les électrons secondaires, ceux qui sont des électrons secondaires ordinaires, dans la région a de la distribution d'énergie telle que représentée sur la figure 8, vont directement jusqu'à la seconde dynode 8 pour être multipliés par la seconde dynode 8 et les dynodes successives jusqu'à la douzième dynode 18 de façon qu'un courant pulsatoire principal MP2, qui est le même que celui représenté sur la

figure 9(A), soit émis par l'anode 19.

En outre, certains des électrons secondaires situés dans la région b de la distribution d'énergie représentée sur la figure 8 vont directement sur la seconde dynode 8 de sorte que l'anode 19 émet un courant pulsatoire principal qui est le même que celui représenté sur la figure 9(B). Les autres

électrons secondaires de la région b de la distribu-

tion d'énergie représentée sur la figure 8, c'est-

à-dire les électrons de rétrodiffusion, se dirigent vers la photocathode et sont réfléchis ou absorbés par la partie inférieure 36 de l'électrodeécran 26 comme représenté par les orbites L4 et L5 sur la figure 11, ou bien sont réfléchis ou absorbés par la surface intérieure de l'électrodeécran 26 pour être capturés par l'électrode-écran bien qu'ils soient déjà passés à travers l'ouverture inférieure 29 de l'électrode-écran comme représenté par les

orbites L1 et L2 sur la figure 11. Même si des élec-

trons de rétrodiffusion retournent sur la première dynode 7, en pratique on ne mesure pas de courant pulsatoire rédisuel résultant de ces électrons de

rétrodiffusion, comme décrit ci-dessus.

Parmi les électrons secondaires, les électrons réfléchis élastiquement ont tendance à revenir au voisinage de la photocathode 4 mais sont réfléchis ou absorbés par la partie inférieure 36 de l'électrode-écran 26 comme représenté par les orbites L4 et L5, de même que les électrons de rétrodiffusion, sans pouvoir rejoindre la première dynode 7, ou bien les électrons réfléchis élastiquement passent à travers l'ouverture inférieure 29 de l'électrode-écran comme représenté par les orbites L1 et L2 sur la figure

11 et sont ensuite réfléchis ou absorbés par la sur-

face intérieure de l'électrode-écran 26 sans pouvoir rejoindre à nouveau la première dynode 7. Même si les électrons réfléchis élastiquement passent à travers l'ouverture inférieure et l'ouverture supérieure 29 et 28 de l'électrode-écran 26 et reviennent au voisinage de la photocathode comme représenté par une orbite L3 sur la figure 11, les électrons ne peuvent pas atteindre à nouveau la première dynode 7 en passant par l'ouverture supérieure 28 de

l'électrode-écran 26.

Si les électrons réfléchis élastiquement attei-

gnaient à nouveau la première dynode 7, un courant pulsatoire résiduel AP2 serait émis par l'anode 19 comme représenté sur la figure 9(C). Par contre, dans cette invention, l'électrode-écran réfléchit ou absorbe les électrons réfléchis élastiquement pour les capturer, ou bien pour rendre impossible aux électrons réfléchis élastiquement d'atteindre à nouveau la première dynode 7, bien qu'ils soient revenus au voisinage de la photocathode 4, de sorte que la probabilité que le courant pulsatoire résiduel

AP2 soit émis par l'anode 19 est très faible.

Du fait que l'on maintient le potentiel de

l'électrode-écran 26 supérieur à celui de la photo-

cathode 4, on augmente la probabilité que les électrons

secondaires soient absorbés par les électrodes-écrans.

Le signal pulatoire de sortie provenant du photo-

multiplicateur 1, qui est le courant pulsatoire, est amplifié par l'amplificateur 65 puis envoyé dans le discriminateur de fraction constante 66 qui en élimine un bruit tel qu'un courant d'obscurité, sur la base d'une valeur de seuil LLD prédéterminée pour ne détecter qu'un courant pulsatoire résultant du rayonnement lumineux, comme décrit cidessus. Lorsque le courant pulsatoire, d'une valeur non inférieure à la valeur de seuil LLD, est émis par le photomulti- plicateur 1, le discriminateur de fraction constante 66 envoie le signal d'arrêt STOP au convertisseur temps-amplitude 60 puis le convertisseur mesure le temps tt qui s'écoule entre la génération du signal de départ STT et celle du signal d'arrêt et envoie

le temps ainsi mesuré à l'ordinateur 58 par l'inter-

médiaire de l'analyseur multicanal 59. La fréquence d'apparition d'un photon unique pendant le temps tt s'accumule sous forme de données de comptage d'apparition de photons, dans l'ordinateur 58, de sorte que lorsque le convertisseur temps-amplitude envoie, à l'ordinateur un élément de données, c'est-à-dire le temps tt, la fréquence d'apparition d'un photon unique pendant le temps tt augmente de

une unité.

Le photon unique SP est envoyé de façon répéti-

tive sur le photomultiplicateur 1. A chaque envoi, le temps tt qui s'écoule entre la génération du signal de démarrage STT est celle du signal d'arrêt STOP est mesuré, et la fréquence ' d'apparition du photon

unique pendant le temps tt est déterminée par l'ordi-

nateur 58 et envoyée au traceur 47.

La figure 13 montre le résultat de la mesure du signal émis par le photomultiplicateur 1. On voit sur la figure 13 que la largeur de bande à mi-hauteur FMHM2 de la fréquence d'apparition d'un photoon unique pour le courant pulsatoire principal MP2 est

d'énviron 200 à 300 picosecondes. Le courant pulsa-

toire résiduel AP2 est détecté avec sa probabilité de génération de 0,13%, environ 8 à 10 nanosecondes

SR 4224 JP/RS

après détection du courant pulsatoire principal MP2.

En comparant les résultats de la mesure du signal

fourni par le photomultiplicateur 1, tel que repré-

senté sur la figure 13, avec celui de la mesure du signal fourni par le photomultiplicateur conventionnel 51, tel que représenté sur la figure 7, on voit que la largeur de bande à mi-hauteur FWHM2 de la fréquence

d'apparition d'un photon unique pour le courant pulsa-

toire principal MP2 provenant du photomultiplicateur 1 est d'environ la moitié de cette largeur de bande à mi-hauteur FWHM1 de la fréquence d'apparition d'un photon unique pour le courant pulsatoire principal MP2 provenant du photomultiplicateur cnventionnel 51, et que l'intervalle de temps détecté entre la génération du courant pulsatoire principal M?2 et celle du courant pulsatoire résiduel AP2 est d'environ la moitié de celuidétecté entre la génération du courant pulsatoire principal MP1 et celle du courant

pulsatoire résiduel AP1. La probabilité de la géné-

ration du courant pulsatoire résiduel' AP2 est d'environ un trentième de celle du courant pulsatoire

résiduel AP1.

L'électrode-écran 26, présentant les ouvertures des dimensions prescrites selon cette invention, est placée, dans le photomultiplicateur 1, dans une position telle que les électrons primaires émis par la photocathode 4 et rendus convergents par l'électrode de focalisation 25 passent de façon sûre à travers l'électrode-écran, en direction de la première dynode 7, et que les électrons réfléchis

élastiquement, émis par la première dynode en direc-

tion de la photocathode, sont capturés par réflexion ou absorption par l'électrode-écran, de sorte que la probabilité de génération du courant pulsatoire résiduel AP2 est fortement réduite. En outre, le potentiel (qui est maintenu égal à celui de la

septième dynode, par exemple) appliqué à l'électrode-

écran 26 est supérieur à celui appliqué à la photo-

cathode et par conséquent l'intensité du champ électrique près de la photocathode est supérieure

à celle qui régne dans le photomultiplicateur conven-

tionnel51, de sorte que la probabilité d'absorption des électrons réfléchis élastiquement par l'électrode écran 26 est accrue, réduisant ainsi davantage la probabilité de génération du courant pulsatoire résiduel AP2. Du fait que l'intensité du champ électrique près de la photocathode est devenue plus élevée, le temps de transit des électrons pour passer de la photocathode à la première dynode 7 est raccourci pour arriver à environ 4,5 nanosecondes, tandis que

celui du photomultiplicateur conventionnel est d'en-

viron 8 nanosecondes, et par conséquent celui-là raccourcit le temps de transit des électrons à presque la moitié de celui-ci. Il en résulte que l'intervalle de temps détecté qui s'écoule entre la génération du courant pulsatoire principal MP2 et celle du courant pulsatoire résiduel AP2 est réduit presqu'à

la moitié de celui du photomultiplicateur conven-

tionnel 51. En outre, la fluctuation du courant pulsatoire principal MP2 avec le temps est réduite, de sorte que la largeur de bande à mi-hauteur FWHM2 de la fréquence d'apparition d'un photon unique pour le courant pulsatoire principal diminue pour passer à environ la moitié de celle du photomultiplicateur

conventionnel 51.

Sur la figure 13, le produit de convolution, en fonction du temps, résultant du produit de la caractéristique, en fonction du temps, ou de la courbe d'amortissement du rayononement fluorescent CVo(t') (comme représenté sur la figure 3(B)) du faisceau

SR 4224 JP/RS

:3 fluorescent réel et de la courbe de fluctuation dans le temps h(t'-t) du courant pulsatoire principal et du courant pulsatoire résiduel MP2 et AP2, qui sont les données, relatives à l'apparition des photons, obtenues par l'emploi du photomultiplicateur 1, est représenté sous la forme des données d'amortissement du faisceau fluorescent CV2(t). Du fait que la fluctuation dans le temps représentée par la courbe de fluctuation dans le temps h(t'-t) et la fréquence

d'apparition du photon unique pour le courant pulsa-

toire résiduel AP2 sont réduites dans le photomulti-

plicateur 51, les données d'amortissement du rayon-

nement fluorescent CV2(t) sont plus proches de la courbe d'amortissement réel du rayonnement fluorescent CV (t), représenté sur la figure 3(B), que la courbe d'amortissement du rayonnement fluorescent CVl(t)

représentée sur la figure 7.

Grâce à l'électrode-écran 26 de cette invention, la génération du courant pulsatoire résiduel AP2 est efficacement supprimée. En outre, du fait que le potentiel de l'électrode-écran 26 est supérieur à celui appliqué à la photocathode 4, la génération du courant pulsatoire résiduel AP2 est encore plus efficacement supprimée et la fluctuation, dans le

temps, du courant pulsatoire principal MP2 est effica-

cement supprimée. Il en résulte que l'instant de la génération du photon, apparaissant isolément, SP, comme représenté sur la figure 3(C), peut être détecté avec une haute précision. En outre, si l'on utilise le photomultiplicateur 1 pour mesurer le rayonnement fluorescent réel émis par un échantillon,

on peut détecter avec précision la courbe d'amortis-

sement du rayonnement fluorescent CVo(t) telle que représentée sur la figure 3(B) et on peut donc mesurer avec précision la durée de vie du rayonnement fluorescent. Les figures 14 et 15 sont des vues partielles de photomultiplicateurs 40 et 44 qui sont des variantes

du photomultiplicateur 1. -

Dans le photomultiplicateur 40 tel que repré- senté sur la figure 14, une électrode de focalisation 41 est prévue au lieu de l'électrode de focalisation du photomultiplicateur 1 tel que représenté sur la figure 11. La longueur axiale de la portion latérale 42 de l'électrode de focalisation 41 est

inférieure à celle de la portion latérale de l'élec-

trode de focalisation 25. La partie inférieure 43 de l'électrode de focalisation 42 est placée presque dans le même plan que la partie supérieure 34 de l'électrode-écran 26. Le même potentiel de -2 360 V que celui appliqué sur l'électrode de focalisation

est appliqué sur l'électrode de focalisation 41.

Dans le photomultiplicateur 40 tel que représenté sur la figure 14, les photo-électrons ou électrons primaires émis par la photocathode viennent converger en direction de l'axe de photomultiplicateur sous l'action de l'électrode de focalisation 41.de façon que la section droite de l'orbite des électrons

soit plus resserrée que dans le cas du photomulti-

plicateur 1 tel que représenté sur la figure 11.

Par conséquent, ceci fait que les électrons primaires émis par la photocathode 4 du photomultiplicateur vont avec davantage de précision vers la première dynode 7 à travers l'ouverture supérieure 28 de l'électrode-écran 26 et que le diamètre de la surface efficace de la photocathode 4, qui est de 5 mm dans le photomultiplicateur 1, peut être augmenté jusqu'à environ 7 mm, ce qui donne un signal de sortie d'une

plus haute sensibilité.

Dans le photomultiplicateur 44 tel que représenté

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sur la figure 15, il est prévu une plaque 45, sur

laquelle tombe le rayonnement lumineux, et une photo-

cathode 46, dont la forme diffère de celle de la plaque 3, sur laquelle tombe le rayonnement lumineux, et de la photocathode 4 du photomultiplicateur 1 tel que représenté sur la figure 11. La plaque 45, sur laquelle tombe le rayonnement lumineux, diffère de la plaque 3, sur laquelle tombe le rayonnement lumineux, au point de vue forme de la surface courbe intérieure, avec un rayon de courbure de cette surface

plus grand. Le rayon de courbure de la surface inté-

rieure de la plaque 3, sur laquelle tombe le rayon-

nement lumineux, est 55 mm, tandis que celui de la surface intérieure de la plaque 45 est 25 mm. Par conséquent, le rayon de courbure de la surface intérieure de la palque 45 est environ deux fois plus grand que celui de la surface intérieure de la plaque 3. Le rayon de courbure de la photocathode 46 prévue le long de la surface courbe intérieure de la plaque 45 vaut 25 mm. Il en résulte que le rayon de courbure de la photocathode 46 est environ deux

fois plus grand que celui de la photocathode 4.

Du fait que le rayon de courbure de la photocathode 46 est devenu plus grand, la section droite de l'orbite des photo-électrons ou électrons primaires émis par la photocathode est plus resserrée en direction de l'axe du photomultiplicateur 44 de façon

à guider avec précision les électrons vers l'ouver-

ture supérieure 28 de l'électrode-écran 26. Il en résulte que l'on peut augmenter la surface efficace de la photocathode 46 pour donner un signal de sortie

d'une plus haute sensibilité.

Lorsque, pour effectuer une mesure, on utilise l'appareil représenté sur la figure 4 pour chacun des photomultiplicateurs 40 et 44 représentés sur les figures 14 et 15, on obtient des données relatives au comptage des photons avec une faible probabilité de génération d'un courant pulsatoire résiduel et une faible fluctuation dans le temps, comme avec le photomultiplicateur 1 représenté sur la figure il. 4 Selon l'invention, une électrode-écran, présentant

une ouverture d'une dimension prescrite, est posi-

tionnée entre une photocathode et une dynode pour diriger vers la dynode les électrons primaires provenant de la photocathode et pour capturer les électrons secondaires émis, depuis la dynode, en

direction de la photocathode, de sorte que la proba-

bilité de la génération d'un courant pulsatoire résiduel est fortement réduite et que la précision d'analyse des données relatives au comptage des

photons peut être très fortement accrue.

Tableau 1

Electrode Tension appliquée Tension appliquée Electrode __ V (v) (v) Photocathode 4 -2,500 O Electrode de focalisation25 -2,360 139.5 Electrode-écran 26 -1,220 1,279.1 Electrode plaque plate 6 -2,085 465.1 Première dynode 7 -2,035 465.1 Seconde dynode 8 -1,895 604.6 Trosième dynode 9 -1,687 813.9 Quatrième dynode 10 -1,570 930.2 Cinquième dynode il -1,453 1,046.5 Sixième dynode 12 -1,337 1,162.7 Septième dynode 13 -1, 220 1,279.1 Huitième dynode 14 -1,105 1,395.3 Neuvième dynode 15 -990 1, 511.6 Dixième dynode 16 -815 1,686.0 Onzième dynode 17 -640 1,860.5 Douzième dynode 18 -290 2,209.3 Anode 19 0 2,500.0

Claims (11)

REVENDICATIONS

1. Photomultiplicateur caractérisé en ce qu'il comporte: un moyen (4) de conversion photo-électrique pour émettre des électrons primaires en réponse à un rayonnement lumineux incident; des moyens (7-18) de multiplication des électrons pour émettre des électrons secondaires en réponse à l'incidence desdits électrons primaires sur ces moyens de multiplication et pour multiplier les premiers électrons secondaires qui y passent pour émettre un signal électrique correspondant auxdits électrons secondaires multipliés; un moyen de focalisation (25) pour faire converger lesdits électrons primaires dans lesdits moyens (7-18) de multiplication des électrons;

un moyen de séparation (6) pour séparer électri-

quement ledit moyen (4) de conversion photo-électrique d'avec lesdits moyens (7-18) de multiplication des électrons; et un moyen (26) formant écran pour empêcher les seconds électrons secondaires émis par lesdits moyens (7-18) de multiplication des électrons en direction dudit moyen (4) de conversion photo-électrique et réfléchis par lui de retourner vers lesdits moyens (7-18) de multiplication des électrons, ledit moyen (26) formant écran étant placé entre ledit moyen (4) de conversion photoélectrique et lesdits moyens

(7-18) de multiplication des électrons.

2. Photomultiplicateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens (7-18) de multiplication des électrons comportent plusieurs dynodes pour multiplier lesdits premiers électrons secondaires, ainsi qu'une anode (19) pour émettre

ledit signal électrique.

3. Photomultiplicateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit moyen formant écran comporte un élément (26) formant écran pour réfléchir ou capturer lesdits seconds électrons secondaires et au moins une ouverture (28-29) formée dans ledit élément (26) formant écran pour laisser passer à travers elle lesdits électrons primaires en direction

desdits moyens (7-18) de multiplication des électrons.

4. Photomultiplicateur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un isolateur (31) est prévu entre ledit moyen (26) formant écran et ledit moyen

de séparation (6).

5. Photomultiplicateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la partie inférieure dudit moyen (25) de focalisation est placé sensiblement dans le même plan que la partie supérieure dudit

moyen (26)formant écran.

6. Photomultiplicateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit moyen (4) de conversion photo-électrique a un rayon de courbure nécessaire pour faire converger lesdits électrons primaires dans lesdits moyens (7-18) de multiplication des électrons.

7. Photomultiplicateur selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit moyen (26) formant écran est placé dans une position telle que la partie supérieure dudit moyen formant écran est plus proche dudit moyen (4) de conversion photoélectrique que

desdits moyens (7-18) de multiplication des électrons.

8. Photomultiplicateur selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit élément formant écran

est un disque (71).

9. Photomultiplicateur selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit élément formant écran

a la forme d'un tronc de cône (73).

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26 1 1084

10. Photomultiplicateur selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit élément formant écran comporte un premier élément (35) en forme de tronc de cône et un second élément (36) en forme de cylindre.

11. Photomultiplicateur caractérisé en ce qu'il comporte: un moyen (4) de conversion photo-électrique pour

émettre des électrons primaires en réponse à un rayon-

nement lumineux incident; des moyens (7-18) de multiplication des électrons pour émettre des électrons secondaires en réponse à l'incidence desdits électrons primaires sur ces moyens de multiplication et pour multiplier les premiers électrons secondaires qui y passent pour émettre un

signal électrique correspondant auxdits électrons se-

condaires multipliés; un moyen (26) formant écran pour empêcher les seconds électrons secondaires émis par lesdits moyens (7-18) de multiplication des électrons en direction

dudit moyen (4) de conversion photo-électrique et ré-

fléchis par lui, de retourner vers lesdits moyens (7-

18) de multiplication des électrons, ledit moyen (26) formant écran étant placé entre ledit moyen (4) de conversion photo-électrique et lesdits moyens (7-18)

de multiplication des électrons.