FR2645706A1

FR2645706A1 - Photomultiplier tube with N parallel channels without ghosting

Info

Publication number: FR2645706A1
Application number: FR8904979A
Authority: FR
Original assignee: RIC COMPELEC
Current assignee: RIC COMPELEC
Priority date: 1989-04-14
Filing date: 1989-04-14
Publication date: 1990-10-19
Also published as: FR2645706B1

Abstract

Photomultiplier tube with N parallel channels, comprising a photocathode 20 deposited on a substrate 30 and an electron multiplier 40 with stackable dynodes, partitioned into N elementary multipliers 40a and placed within the vicinity of the substrate 30 so as to define on the photocathode 20 N elementary photocathodes 20a by proximity focusing. According to the invention, the said substrate 30 is pierced with N holes 31a arranged opposite the N elementary photocathodes 20a, each hole 31a, cooperating with a vitreous window 32a with which it is at least partially filled, serving as light guide for an incident light beam 60a. Application to multichannel photomultiplier tubes.

Description

DESCRIPTION ZTUBE PHOTOMULTIPLICATEUR A N VOIES PARALLELES SANS DIAPHONIE"
La présente invention concerne un tube photomultiplicateur à N voies parallèles, comportant une photocathode déposée sur un substrat et un multiplicateur d'électrons à dynodes empilables, cloisonné en N multiplicateurs élémentaires et placé au voisinage du substrat de façon à définir sur la photocathode N photocathodes élémentaires par focalisation de proximité.DESCRIPTION ZTUBE PHOTOMULTIPLIER WITH PARALLEL TRACKS WITHOUT CROSS-SECTION "
The present invention relates to a photomultiplier tube with N parallel channels, comprising a photocathode deposited on a substrate and an electron multiplier with stackable dynodes, partitioned into N elementary multipliers and placed in the vicinity of the substrate so as to define on the photocathode N elementary photocathodes by proximity focusing.

L'invention trouve une application particulièrement avantageuse dans le domaine de la physique nucléaire et plus spécialement dans la localisation précise des particules détectées. The invention finds a particularly advantageous application in the field of nuclear physics and more especially in the precise localization of the detected particles.

Dans les tubes photomultiplicateurs à N voies parallèles utilisés pour les expériences de physique nucléaire, on utilise parfois N faisceaux de fibres optiques pour amener la lumière issue d'un scintillateur, par exemple, sur les N photocathodes élémentaires, ce qui permet d'affecter chaque voie de tube à un certain type d'observation en limitant le phénomène parasite de diaphotie entre voies. Toutefois, on observe expérimentalement que, malgré cette précaution, il subsiste une diaphotie non négligeable entre les voies du tube, celle-ci étant due au fait que les fibres optiques ont un angle d'ouverture relativement grand et que la lumière peut ainsi se propager par réflexion totale à l'intérieur du verre constituant le plus souvent le substrat de la photocathode. In N parallel path photomultiplier tubes used for nuclear physics experiments, N beams of optical fibers are sometimes used to bring the light coming from a scintillator, for example, on the N elementary photocathodes, which makes it possible to affect each tube channel to a certain type of observation by limiting the parasitic phenomenon of diaphotia between channels. However, it has been observed experimentally that, despite this precaution, there remains a not insignificant diaphotia between the channels of the tube, this being due to the fact that the optical fibers have a relatively large opening angle and that the light can thus propagate by total reflection inside the glass most often constituting the substrate of the photocathode.

Une solution pour remédier à cet inconvénient consiste à utiliser un substrat lui-même composé de fibres optiques. Si elle permet de résoudre effectivement le problème de diaphotie, cette solution n'est cependant pas exempte de désavantages. D'abord, les fibres optiques sont relativement coûteuses. D'autre part, I'efficacité de transmission d'une fibre est limitée par le rapport de la partie utile, le verre de coeur, à la section totale de la fibre, soit environ 70%. One solution to remedy this drawback consists in using a substrate itself composed of optical fibers. While it effectively solves the problem of crosstalk, this solution is not without its disadvantages, however. First, optical fibers are relatively expensive. On the other hand, the transmission efficiency of a fiber is limited by the ratio of the useful part, the core glass, to the total section of the fiber, that is to say about 70%.

Enfin, dans le domaine spectral de l'application envisagée aux scintillateurs nucléaires, soit entre 400 et 450nm, le matériau de verre de coeur a une transmission qui ne représente que 80 à 85% de celle dans le visible. Globalement, la transmission totale d'un substrat en fibres optiques est donc réduite à 60% environ par rapport à celle d'un substrat en verre au borosilicate, par exemple.Finally, in the spectral range of the application envisaged for nuclear scintillators, that is to say between 400 and 450 nm, the core glass material has a transmission which represents only 80 to 85% of that in the visible. Overall, the total transmission of an optical fiber substrate is therefore reduced to approximately 60% compared to that of a borosilicate glass substrate, for example.

Aussi, le problème technique à résoudre par l'objet de la présente invention est de proposer un tube photomultiplicateur à N voies parallèles conforme au préambule, qui permettrait d'éliminer complètement la diaphotie entre les voies, et ceci de façon bon marché et sans perte sensible de transmission. Also, the technical problem to be solved by the object of the present invention is to propose a photomultiplier tube with N parallel channels conforming to the preamble, which would make it possible to completely eliminate the crosstalk between the channels, and this in a cheap and lossless manner. sensitive transmission.

La solution au problème technique posé consiste, selon la présente invention, en ce que ledit substrat est percé de N trous disposés en regard des N photocathodes élémentaires, chaque trou, en coopération avec une fenêtre vitreuse dont il est au moins partiellement rempli, faisant office de guide de lumière pour un faisceau lumineux incident. The solution to the technical problem posed consists, according to the present invention, in that said substrate is pierced with N holes arranged opposite the N elementary photocathodes, each hole, in cooperation with a glassy window of which it is at least partially filled, acting as light guide for an incident light beam.

Ainsi, comme on le verra plus loin sur des modes de réalisation particuliers, les N trous canalisent directement la lumière arrivant de fibres optiques, par exemple, sur les N photocathodes élémentaires en écartant toute possibilité de diaphotie. Cet effet technique avantageux est obtenu à peu de frais et avec une perte de transmission limitée dans la mesure où l'on peut réaliser les fenêtres vitreuses en verre au borosilicate dont la transmission optique dans le bleu est maximale. Thus, as will be seen below on particular embodiments, the N holes directly channel the light arriving from optical fibers, for example, onto the N elementary photocathodes while ruling out any possibility of crosstalk. This advantageous technical effect is obtained inexpensively and with a limited loss of transmission insofar as it is possible to produce vitreous windows in borosilicate glass whose optical transmission in blue is maximum.

Dans une première variante d'exécution de l'invention, il est prévu, pour des raisons de facilité de réalisation, que le substrat est métallique. Toutefois, dans ce cas, il se produit une perte de lumière provenant de l'absorption, par les parois des troues, des rayons sortant des fibres optiques sous un angle d'ouverture important. Pour surmonter cette difficulté, on peut, d'une part, ne remplir que partiellement les trous de façon à amener l'extrémité des fibres optiques le plus près possible de la photocathode en limitant l'épaisseur de la fenêtre vitreuse. D'autre part1 on peut aussi envisager que ladite fenêtre vitreuse est constituée d'un matériau vitreux central et d'un matériau vitreux périphérique dont l'indice de réfraction est inférieur à celui du matériau vitreux central.De cette manière, le faisceau lumineux incident est complètement guidé par réflexion totale, donc sans perte, sur la photocathode élémentaire correspondante. In a first alternative embodiment of the invention, it is provided, for reasons of ease of implementation, that the substrate is metallic. However, in this case, there is a loss of light from the absorption, by the walls of the holes, of the rays exiting the optical fibers at a large opening angle. To overcome this difficulty, one can, on the one hand, only partially fill the holes so as to bring the end of the optical fibers as close as possible to the photocathode by limiting the thickness of the glassy window. On the other hand1 it can also be envisaged that said vitreous window is made up of a central vitreous material and of a peripheral vitreous material whose refractive index is lower than that of the central vitreous material. In this way, the incident light beam is completely guided by total reflection, therefore without loss, on the corresponding elementary photocathode.

Dans une autre variante d'exécution mettant également à profit le phénomène de réflexion totale1 on prévoit que, le substrat étant réalisé en un premier matériau vitreux, ladite fenêtre vitreuse est réalisée en un second matériau vitreux dont l'indice de réfraction est supérieur à celui dudit premier matériau vitreux. In another alternative embodiment also taking advantage of the phenomenon of total reflection1 it is provided that, the substrate being made of a first glassy material, said glassy window is made of a second glassy material whose refractive index is higher than that of said first glassy material.

La description qui va suivre en regard des dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs, fera bien comprendre en quoi consiste l'invention et comment elle peut hêtre réalisée. The description which follows with reference to the appended drawings, given by way of nonlimiting examples, will make it clear what the invention consists of and how it can be made.

La figure 1 est une vue en coupe d'un tube photomultiplicateur selon l'invention. Figure 1 is a sectional view of a photomultiplier tube according to the invention.

Les figures 2 et 3 sont des vues en coupe de deux variantes de réalisation du substrat du tube de la figure 1. Figures 2 and 3 are sectional views of two alternative embodiments of the substrate of the tube of Figure 1.

La figure 4 est une vue en coupe d'un autre substrat d'un tube photomultiplicateur selon l'invention. Figure 4 is a sectional view of another substrate of a photomultiplier tube according to the invention.

La figure 1 montre, en coupe, un tube photomultiplicateur àN voies parallèles, N pouvant hêtre égal à 64 par exemple. Ce tube comporte une photocathode 20 déposée sur un substrat 30, et un multiplicateur 40 d'électrons à dynodes empilables. Un tel multiplicateur d'électrons, dit multiplicateur "à feuilles', est décrit en détail dans le brevet français n 2 549 288; il comprend, notamment, deux grilles d'entrée GI et G2 de forte transparence et une première demi-dynode multiplicatrice D1 au même potentiel que les grilles G1 et G2. Puis on trouve une série de dynodes constituées de deux demi-dynodes dont l'une, telle que D'2, est la demi-dynode extractrice et l'autre, comme D2, la demi-dynode multiplicatrice.Les deux demi-dynodes d'une même dynode sont au même potentiel électrique. Comme l'indique la figure 1, le multiplicateur 40 est cloisonné en N multiplicateurs élémentaires 40a débouchant sur N anodes adjacentes 50a. Chaque multiplicateur élémentaire 40a est séparé de ses voisins par des cloisons 41a étanches aux électrons réalisées par masquage et photogravure. Le multiplicateur 40 est placé au voisinage du substrat 30 de façon à définir sur la photocathode 20 N photocathodes élémentaires 20a par focalisation de proximité. L'ensemble constitué par la photocathode élémentaire 20a, le multiplicateur élémentaire 40a et l'anode 50a réalise une des N voies parallèles du tube. FIG. 1 shows, in section, a photomultiplier tube with N parallel channels, N possibly being equal to 64 for example. This tube comprises a photocathode 20 deposited on a substrate 30, and an electron multiplier 40 with stackable dynodes. Such an electron multiplier, known as a "leaf multiplier", is described in detail in French Patent No. 2,549,288; it comprises, in particular, two highly transparent input grids GI and G2 and a first multiplier half-dynode D1 has the same potential as the grids G1 and G2. Then we find a series of dynodes made up of two half-dynodes of which one, such as D'2, is the extracting half-dynode and the other, like D2, the The two half-dynodes of the same dynode are at the same electrical potential. As shown in FIG. 1, the multiplier 40 is partitioned into N elementary multipliers 40a leading to N adjacent anodes 50a. Each elementary multiplier 40a is separated from its neighbors by electron-tight partitions 41a produced by masking and photoengraving. The multiplier 40 is placed in the vicinity of the substrate 30 so as to define on the photocathode 20 N elementary photocathodes 20a by proximity focusing. The assembly constituted by the elementary photocathode 20a, the elementary multiplier 40a and the anode 50a produces one of the N parallel paths of the tube.

Conformément à la figure 1, le substrat 30 est métallique et percé de N trous 31a disposés en regard des N photocathodes élémentaires 20a. Dans l'exemple de réalisation de la figure 1, chaque trou 31a est rempli d'une fenêtre vitreuse 32a et fait office de guide de lumière par un faisceau lumineux incident 60a ici composé de fibres optiques, mais qui pourrait être tout autre type de faisceau présentant un angle d'ouverture important. On voit sur la figure 1 que les rayons les plus ouverts qui, dans un tube classique à substrat vitreux sans troues, provoqueraient une diaphotie entre voies par réflexion totale, sont absorbés par les parois des trous 31a. Il en résulte, il est vrai, une certaine perte de lumière que le substrat représenté à la figure 2 permet de réduire en limitant l'absorption de la lumière incidente par les parois des trous. En effet, selon la figure 2, les trous 31a ne sont que partiellement remplis par les fenêtres vitreuses 32a. Le faisceau 60a de fibres optiques peut ainsi être placé plus près de la photocathode élémentaire 20a. In accordance with FIG. 1, the substrate 30 is metallic and pierced with N holes 31a arranged opposite the N elementary photocathodes 20a. In the exemplary embodiment of FIG. 1, each hole 31a is filled with a glassy window 32a and acts as a light guide by an incident light beam 60a here composed of optical fibers, but which could be any other type of beam with a large opening angle. It can be seen in FIG. 1 that the most open rays which, in a conventional tube with a glassy substrate without holes, would cause a crosstalk between channels by total reflection, are absorbed by the walls of the holes 31a. The result, it is true, is a certain loss of light which the substrate shown in FIG. 2 makes it possible to reduce by limiting the absorption of the incident light by the walls of the holes. Indeed, according to Figure 2, the holes 31a are only partially filled by the glassy windows 32a. The bundle 60a of optical fibers can thus be placed closer to the elementary photocathode 20a.

Toutefois il faut souligner que l'épaisseur de la fenêtre vitreuse 32a ne peut etre diminuée à volonté dans la mesure où elle doit rester compatible avec le vide existant à l'intérieur du tube. However, it should be emphasized that the thickness of the vitreous window 32a cannot be reduced at will insofar as it must remain compatible with the vacuum existing inside the tube.

On peut également éliminer totalement les effets néfastes de l'absorption par les parois des trous en utilisant la disposition de substrat montré à la figure 3 dans lequel ladite fenêtre vitreuse 32a est constituée d'un matériau vitreux central 33a et d'un matériau vitreux périphérique 34a dont l'indice de réfraction est inférieur à celui du matériau vitreux central. De cette manière, les rayons les plus ouverts sortant du faisceau 60a subissent une réflexion totale sur le matériau vitreux périphérique 34a et sont donc renvoyés sur la photocathode élémentaire 20a. It is also possible to completely eliminate the harmful effects of the absorption by the walls of the holes by using the arrangement of substrate shown in FIG. 3 in which said glassy window 32a consists of a central glassy material 33a and a peripheral glassy material. 34a whose refractive index is lower than that of the central vitreous material. In this way, the most open rays leaving the beam 60a undergo a total reflection on the peripheral vitreous material 34a and are therefore returned to the elementary photocathode 20a.

De manière tout à fait analogue, la figure 4 montre une autre utilisation avantageuse du phénomène de réflexion totale, dans laquelle, le substrat 30 étant réalisé en un premier matériau vitreux, ladite fenêtre vitreuse 32a est réalisée en un second matériau vitreux dont l'indice de réfraction est supérieur à celui dudit premier matériau vitreux. In a completely analogous manner, FIG. 4 shows another advantageous use of the phenomenon of total reflection, in which, the substrate 30 being made of a first glassy material, said glassy window 32a is made of a second glassy material whose index of refraction is higher than that of said first vitreous material.

Claims

1. Photomultiplier tube with N parallel channels, comprising a photocathode (20) deposited on a substrate (30) and an electron multiplier (40) with stackable dynodes, partitioned into N elementary multipliers (40a) and placed in the vicinity of the substrate ( 30) so as to define on the photocathode t20) N elementary photocathodes (20a) by proximity focusing, characterized in that said substrate (30) is pierced with N holes (31a) arranged opposite the N elementary photocathodes (20a), each hole (31a), in cooperation with a glassy window (32a) with which it is at least partially filled, acting as a light guide for an incident light beam (60a).

2. Photomultiplier tube according to claim 1, characterized in that the substrate (30) is metallic.

3. Photomultiplier tube according to claim 2, characterized in that said vitreous window (32a) consists of a central vitreous material (33a) and a peripheral vitreous material (34a) whose refractive index is lower than that central glassy material (33a).

4. Photomultiplier tube according to claim 1, characterized in that, the substrate (30) being made of a first glassy material, said glassy window (32a) is made of a second glassy material whose refractive index is higher than that of said first glassy material.