FR2653269A1 - MULTICHANNEL PHOTOMULTIPLIER TUBE WITH HIGH RESOLUTION BETWEEN SIGNALS. - Google Patents
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Abstract
Tube photomultiplicateur à N voies parallèles, comportant une fenêtre (10) d'entrée et un multiplicateur (20) d'électrons du type "à plaques à trous", cloisonné en N multiplicateurs élémentaires (20a), et dont le premier étage comprend une électrode (30) d'entrée et une première électrode émettrice (40). Selon l'invention, les parois (41) des trous (42) de ladite première électrode émettrice (40) sont recouvertes d'un matériau photoémissif (43). Application à la détection des particules élémentaires en physique nucléaire.Photomultiplier tube with N parallel channels, comprising an input window (10) and an electron multiplier (20) of the "hole-plate" type, partitioned into N elementary multipliers (20a), and the first stage of which comprises a input electrode (30) and a first emitter electrode (40). According to the invention, the walls (41) of the holes (42) of said first emitting electrode (40) are covered with a photoemissive material (43). Application to the detection of elementary particles in nuclear physics.
Description
La présente invention concerne un tube photomulti-The present invention relates to a photomulti-tube
plicateur à N voies parallèles, comportant une fenêtre d'en- plicator with N parallel tracks, comprising a window
trée et un multiplicateur d'électrons du type "à plaques à trous", cloisonné en N multiplicateurs élémentaires, et dont trée and an electron multiplier of the "hole plate" type, partitioned into N elementary multipliers, and of which
le premier étage comprend une électrode d'entrée et une pre- the first stage includes an input electrode and a pre-
mière électrode émettrice.first emitting electrode.
L'invention trouve une application particulièrement avantageuse dans le domaine de la physique nucléaire et, plus spécialement, dans la détection et la localisation précise des The invention finds a particularly advantageous application in the field of nuclear physics and, more particularly, in the detection and precise localization of
particules élémentaires.elementary particles.
On connait du brevet européen n O 131 339 un tube photomultiplicateur conforme au préambule dont la première électrode émettrice est une première demi-dynode émettrice, et dont les étages supérieurs, au-delà du premier étage, sont There is known from European Patent No. 131,339 a photomultiplier tube conforming to the preamble, the first emitting electrode of which is a first emitting half-dynode, and the upper stages of which, beyond the first stage, are
constitués de dynodes formées de deux demi-dynodes se présen- made up of dynodes made up of two half-dynodes present
tant, de même que la première demi-dynode émettrice, comme des plaques conductrices percées de trous; la première demi-dynode as much, as the first emitting half-dynode, like conductive plates pierced with holes; the first half-dynode
est une demi-dynode extractrice, tandis que la deuxième demi- is an extractor half-dynode, while the second half
dynode, pourvued'émission secondaire, est la demi-dynode dynode, provided with secondary emission, is the half-dynode
émettrice. Les deux demi-dynodes d'une même dynode sont pré- transmitter. The two half-dynodes of the same dynode are pre-
vues pour être portées sensiblement au même potentiel électri- views to be brought to substantially the same electrical potential
que et, en fonctionnement, un des rôles joué par la demi-dyno- that and, in operation, one of the roles played by the half-dyno-
de extractrice est d'attirer vers la demi-dynode émettrice, en les faisant passer à travers ses propres trous, les électrons secondaires produits sur les parois des trous de la of extractor is to attract towards the emitting half-dynode, by passing them through its own holes, the secondary electrons produced on the walls of the holes of the
demi-dynode émettrice précédente, elle-même portée à un poten- previous transmitting half-dynode, itself raised to a poten-
tiel électrique plus faible. Généralement, la demi-dynode ex- lower electric tiel. Generally, the half dynode ex-
tractrice et la demi-dynode émettrice précédente à laquelle elle est associée sont placées à faible distance l'une de l'autre et présentent la même structure en ce sens que leurs trous respectifs se correspondent. Dans le cas particulier du premier étage, la demi-dynode extractrice n'est pas une plaque à trous comme les autres demi-dynodes du multiplicateur, mais est une électrode d'entrée constituée par une grille simple ou double de forte transparence vis à vis des photoélectrons, émis par la photocathode déposée sur la fenêtre d'entrée, et que ladite électrode d'entrée est chargée d'attirer, pour multiplication secondaire, sur la première demi-dynode émettrice. Par ailleurs, chaque demi-dynode extractrice, ainsi tractor and the preceding emitting half-dynode with which it is associated are placed a short distance from each other and have the same structure in the sense that their respective holes correspond. In the particular case of the first stage, the extractor half-dynode is not a plate with holes like the other half-dynodes of the multiplier, but is an input electrode constituted by a single or double grid of high transparency opposite photoelectrons, emitted by the photocathode deposited on the input window, and that said input electrode is responsible for attracting, for secondary multiplication, the first emitting half-dynode. Furthermore, each extracting half-dynode, as well
que l'électrode d'entrée, sert également à blinder électri- that the input electrode also serves to shield the electric
quement la demi-dynode émettrice de la même paire de façon que le champ électrique dans l'espace compris entre ces deux demi-dynodes soit faible, au champ près créé par la demi-dynode extractrice suivante associée à ladite demi-dynode émettrice. En effet, en l'absence de blindage, les électrons secondaires produits par la demi-dynode émettrice seraient soumis dès leur sortie à un champ électrique trop important qui les ferait aussitôt retomber à l'endroit même o ils ont only the emitting half-dynode of the same pair so that the electric field in the space between these two half-dynodes is weak, except for the field created by the following extracting half-dynode associated with said emitting half-dynode. In fact, in the absence of shielding, the secondary electrons produced by the emitting half-dynode would be subjected as soon as they leave to an excessive electric field which would immediately cause them to fall back to the same place where they have
été créés.been created.
Le tube photomultiplicateur connu de l'état de la technique est utilisé en physique nucléaire pour la détection précise des particules élémentaires. A cet effet et dans le but d'augmenter la résolution spatiale de l'observation, ce tube est cloisonné de manière à réaliser N (N=4,9,16,...) tubes photomultiplicateurs élémentaires dans l'enveloppe d'un seul tube. C'est pourquoi le multiplicateur d'électrons lui-même est divisé par des cloisons étanches aux électrons en N multiplicateurs élémentaires qui débouchent sur N anodes contigies situées à proximité et en regard de la sortie des The photomultiplier tube known from the state of the art is used in nuclear physics for the precise detection of elementary particles. To this end and with the aim of increasing the spatial resolution of the observation, this tube is partitioned so as to produce N (N = 4,9,16, ...) elementary photomultiplier tubes in the envelope of a single tube. This is why the electron multiplier itself is divided by electron-tight partitions into N elementary multipliers which lead to N contiguous anodes located near and opposite the output of the
multiplicateurs élémentaires respectifs. respective elementary multipliers.
Afin de définir, sur la photocathode déposée sur la In order to define, on the photocathode deposited on the
fenêtre d'entrée du tube, N photocathodes élémentaires corres- tube entry window, N corresponding elementary photocathodes
pondant aux N voies de multiplication et d'éviter toute dia- corresponding to the N multiplication pathways and avoid any di-
photie entre lesdites photocathodes élémentaires, le multipli- photie between said elementary photocathodes, the multipli-
cateur d'électrons à plaques à trous est placé au voisinage immédiat de la photocathode. De cette manière, tout photon atteignant une photocathode élémentaire donnée produit des photoélectrons qui seront tous collectés par le multiplicateur The hole plate electron generator is placed in the immediate vicinity of the photocathode. In this way, any photon reaching a given elementary photocathode produces photoelectrons which will all be collected by the multiplier.
élémentaire correspondant.corresponding elementary.
Toutefois, malgré les précautions prises, il s'avè- However, despite the precautions taken, it turns out
re expérimentalement que le tube photomultiplicateur cloisonné re experimentally that the partitioned photomultiplier tube
connu présente néanmoins une certaine diaphotie entre voies. known nevertheless presents a certain diaphotia between channels.
L'explication de ce phénomène parasite se trouve dans la ré- The explanation of this parasitic phenomenon is found in the re-
partition statistique des vitesses initiales des électrons se- statistical partition of the initial velocities of the electrons se-
condaires produits par les demi-dynodes émettrices. Il appa- condaries produced by the transmitting half-dynodes. It appears
rait que la plupart des électrons secondaires ont, certes, une vitesse initiale suffisamment faible pour que, sous l'effet du champ extracteur, ils traversent la demi-dynode émettrice par l'ouverture de sortie même du trou sur la paroi duquel ils ont pris naissance. Ces électrons secondaires ne donnent pas lieu rait that the majority of the secondary electrons have, of course, an initial speed sufficiently low so that, under the effect of the extractor field, they cross the half emitting dynode by the exit opening even of the hole on the wall of which they took birth. These secondary electrons do not give rise
à diaphotie. Cependant, on constate qu'un certain nombre d'é- with diaphotia. However, we note that a certain number of
lectrons secondaires acquièrent une vitesse initiale suffisam- secondary electrons acquire sufficient initial velocity
ment élevée pouvant être égale à celle des électrons inci- high which can be equal to that of the electrons inci-
dents, ce sont les électrons rétrodiffusés et élastiques qui peuvent parcourir des distances équivalentes à plusieurs teeth, these are the backscattered and elastic electrons that can travel distances equivalent to several
trous. Dans les étages supérieurs du multiplicateur, ces élec- holes. In the upper stages of the multiplier, these elect
trons sont arrêtés par les cloisons étanches, mais dans le sections are stopped by the bulkheads, but in the
premier étage, dépourvu de cloisonnement, les électrons rétro- first stage, devoid of partitioning, retro electrons
diffusés élastiquement, produits par la première demi-dynode émettrice sont susceptibles de passer d'une voie à une autre elastically diffused, produced by the first emitting half-dynode are likely to pass from one channel to another
et de provoquer ainsi la diaphotie observée. and thus cause the observed crosstalk.
Aussi, le problème technique à résoudre par l'objet Also, the technical problem to be solved by the object
de la présente invention est de réaliser un tube photomulti- of the present invention is to produce a photomulti-tube
plicateur conforme au préambule qui ne présenterait pas de plifier conforming to the preamble which would not present any
diaphotie au niveau du premier étage, tout en maintenant l'in- diaphoty at the level of the first floor, while maintaining the information
dispensable focalisation de proximité du tube connu de l'état dispensable proximity focusing of the tube known to the state
de la technique.of technique.
La solution au problème technique posé consister selon la présente invention, en ce que les parois des trous de la première électrode émettrice sont recouvertes d'un matériau The solution to the technical problem posed consists in the present invention, in that the walls of the holes of the first emitting electrode are covered with a material
photoémissif. Ainsi, l'invention revient à réaliser la trans- photoemissive. Thus, the invention amounts to carrying out the trans-
duction des photons incidents en photoélectrons non pas sur une photocathode déposée de façon classique sur la fenêtre d'entrée du tube photomultiplicateur, mais sur les trous de la première électrode émettrice elle-même dont la fonction, au duction of incident photons into photoelectrons not on a photocathode conventionally deposited on the entry window of the photomultiplier tube, but on the holes of the first emitting electrode itself, the function of which
lieu de multiplier des électrons incidents, est alors de pro- instead of multiplying incident electrons, is then to pro-
duire des photoélectrons dont la particularité est d'avoir tous une faible vitesse initiale qui ne leur permet pas de traverser la première électrode émettrice par un autre trou to deduce photoelectrons whose particularity is to have all a low initial speed which does not allow them to cross the first emitting electrode by another hole
que celui o ils ont été créés. L'effet technique caractéris- than the one where they were created. The characteristic technical effect
tique résultant de l'invention est donc d'éviter le phénomène de "rebond élastique" observé dans le tube connu précédemment décrit, et, par conséquent, de ne pas provoquer de diaphotie tick resulting from the invention is therefore to avoid the phenomenon of "elastic rebound" observed in the known tube previously described, and, therefore, not to cause crosstalk
sur le premier étage du multiplicateur d'électrons, conformé- on the first stage of the electron multiplier, consistent
ment à l'objectif assigné en regard du problème technique po- ment to the objective assigned with regard to the technical problem pos-
sé. Dans le tube photomultiplicateur selon l'invention, se. In the photomultiplier tube according to the invention,
l'électrode d'entrée associée à la première électrode émettri- the input electrode associated with the first emitted electrode
ce ne joue plus le rôle d'extraction des photoélectrons, comme dans le tube connu, puisque ceux-ci sont produits en aval et non plus en amont de ladite électrode d'entrée. Par contre, celle-ci conserve toujours son rôle de blindage de la première électrode émettrice, devenue photocathode conformément aux this no longer plays the role of photoelectron extraction, as in the known tube, since these are produced downstream and no longer upstream of said input electrode. On the other hand, it still retains its role of shielding the first emitting electrode, which has become photocathode in accordance with
dispositions de la présente invention. provisions of the present invention.
De façon à obtenir une sensibilité maximale, l'électrode d'entrée doit offrir la transparence optique la plus grande. Dans ce but, ladite électrode d'entrée peut se présenter sous la forme d'une grille conductrice analogue à In order to obtain maximum sensitivity, the input electrode must offer the greatest optical transparency. For this purpose, said input electrode may be in the form of a conductive grid similar to
celle déjà utilisée dans l'état de la technique, mais pour la- that already used in the state of the art, but for the-
quelle la transparence exigée s'exerçait de manière équivalen- which the required transparency was exercised in an equivalent way
te à l'égard des photoélectrons incidents. La transmission op- te with respect to incident photoelectrons. The op-
tique de l'étage d'entrée du tube peut alors être encore amé- the tube entry stage can then be further improved
liorée lorsque, selon l'invention, l'électrode d'entrée est une grille conductrice constituée de fils disposés en regard des trous de la première électrode émettrice et réfléchissant la lumière incidente vers les parois desdits trous. Ainsi, la lumière qui serait perdue par réflexion arrière sur les fils de la grille est récupérée par effet de miroir en direction des trous photoémissifs de la première électrode émettrice. Un autre moyen d'obtenir une transparence optique satisfaisante consiste, selon l'invention, en ce que l'électrode d'entrée improved when, according to the invention, the input electrode is a conductive grid made up of wires arranged opposite the holes of the first emitting electrode and reflecting the incident light towards the walls of said holes. Thus, the light which would be lost by rear reflection on the wires of the grid is recovered by the mirror effect in the direction of the photoemissive holes of the first emitting electrode. Another means of obtaining satisfactory optical transparency consists, according to the invention, in that the input electrode
est réalisée en une couche mince d'un matériau conducteur dé- is made of a thin layer of conductive material
posée sur la fenêtre d'entrée. Ce mode de réalisation particu- placed on the entrance window. This particular embodiment
lier a l'avantage d'être de mise en oeuvre aisée et peu oné- linking has the advantage of being easy and inexpensive to implement
reuse.reuse.
Enfin, l'efficacité de transduction de la photoca- Finally, the transduction efficiency of the photoca-
thode du tube photomultiplicateur selon l'invention peut être method of the photomultiplier tube according to the invention can be
encore augmentée si les parois des trous de la première élec- further increased if the walls of the holes of the first elect
trode émettrice comportent une couche d'un matériau réflecteur sur laquelle est déposé ledit matériau photoémissif. De cette emitting trode comprise a layer of a reflective material on which said photoemissive material is deposited. Of this
manière, le trajet de la lumière incidente à travers le maté- way, the path of incident light through the material
riau photoémissif se trouve allongé par réflexion, ce qui tend à accroître la probabilité de transformation des photons en photoélectrons. the photoemissive beam is elongated by reflection, which tends to increase the probability of transformation of photons into photoelectrons.
La description qui va suivre en regard des dessins The following description next to the drawings
annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs, fera bien comprendre en quoi consiste l'invention et comment elle peut attached, given by way of nonlimiting examples, will make it clear what the invention consists of and how it can
être réalisée.be realized.
La figure 1 est une vue en coupe d'un tube photo- Figure 1 is a sectional view of a photo tube
multiplicateur selon l'invention.multiplier according to the invention.
La figure 2 montre une coupe d'une variante de réa- Figure 2 shows a section of a variant of
lisation de l'étage d'entrée du tube photomultiplicateur de la reading of the input stage of the photomultiplier tube of the
figure 1.figure 1.
La figure 1 représente, en coupe, un tube photomul- Figure 1 shows, in section, a photomul-
tiplicateur à N voies parallèles, N pouvant atteindre 64 par exemple. Ce tube comporte une fenêtre 10 d'entrée, en verre ou multiplier with N parallel paths, N up to 64 for example. This tube has an entry window 10, made of glass or
en quartz, et un multiplicateur 20 d'électrons du type "à pla- in quartz, and an electron multiplier 20 of the "flat" type
ques à trous", cloisonné en N multiplicateurs élémentaires with holes ", partitioned into N elementary multipliers
a. Le premier étage du multiplicateur 20 d'électrons com- at. The first stage of the electron multiplier 20 comprises
prend une électrode 30 d'entrée et une première électrode émettrice 40. Puis, on trouve dans les étages supérieurs une série de dynodes constituées de deux demi-dynodes en forme de plaques à trous, dont l'une, telle que D'2 ou D'3, est la demi-dynode extractrice, et l'autre, comme D2 ou D3, est la demi-dynode émettrice qui, douée d'émission secondaire, a pour rôle de multiplier les électrons incidents sur les parois de takes an input electrode 30 and a first emitting electrode 40. Then, there are in the upper stages a series of dynodes made up of two half-dynodes in the form of plates with holes, one of which, such as D'2 or D'3, is the extracting half-dynode, and the other, like D2 or D3, is the emitting half-dynode which, endowed with secondary emission, has the role of multiplying the electrons incident on the walls of
ses trous. Les deux demi-dynodes d'une même dynode sont por- its holes. The two half-dynodes of the same dynode are carried
tées au même potentiel électrique, alors que chaque dynode est tees at the same electrical potential, while each dynode is
portée à un potentiel électrique supérieur à celui de la dyno- brought to an electrical potential higher than that of the dyno-
de précédente. C'est pourquoi les demi-dynodes émettrice 40, from previous. This is why the transmitting half-dynodes 40,
D2, D3,..., sont séparées des demi-dynodes extractrices sui- D2, D3, ..., are separated from the following extractor half-dynodes
vantes D'2, D'3,..., par des entretoises isolantes 60, comme des petites billes de résine par exemple. Ainsi que le montre la figure 1, les N multiplicateurs élémentaires 20a débouchent sur N anodes adjacentes 60a et sont séparés les uns des autres par des cloisons 21a étanches aux électrons, réalisées par vantes D'2, D'3, ..., by insulating spacers 60, such as small resin beads for example. As shown in FIG. 1, the N elementary multipliers 20a lead to N adjacent anodes 60a and are separated from each other by electron-tight partitions 21a, produced by
masquage et photogravure.masking and photoengraving.
Comme on peut le voir à la figure 1, les parois 41 des trous 42 de ladite première électrode émettrice 40 sont recouvertes d'un matériau photoémissif 43. A titre d'exemple, ledit matériau photoémissif peut être un antimoniure alcalin As can be seen in FIG. 1, the walls 41 of the holes 42 of said first emitting electrode 40 are covered with a photoemissive material 43. By way of example, said photoemissive material can be an alkaline antimonide
composé d'antimoine et d'un ou plusieurs alcalins parmi le po- composed of antimony and one or more alkalines among the po-
tassium, le sodium et le césium. La première électrode émet- tassium, sodium and cesium. The first electrode emits-
trice 40 joue alors le rôle de photocathode qui transforme les trice 40 then plays the role of photocathode which transforms
photons incidents 70 en photoélectrons 71 dont la vitesse ini- incident photons 70 into photoelectrons 71 whose speed initiates
tiale n'est pas suffisante pour passer d'un trou à un autre, et qui, par conséquent, ne peuvent provoquer de diaphotie is not sufficient to pass from one hole to another, and which therefore cannot cause crosstalk
entre les voies. Dans le mode de réalisation montré à la figu- between the tracks. In the embodiment shown in fig.
re 1, l'électrode 30 d'entrée est réalisée en une couche mince re 1, the input electrode 30 is made of a thin layer
d'un matériau conducteur déposée sur la fenêtre 30 d'entrée. of a conductive material deposited on the entry window 30.
Cette électrode d'entrée assure une bonne transparence optique vis à vis des photons incidents 70 et, d'autre part, étant portée à un potentiel électrique égal ou faiblement inférieur à celui de la première électrode émettrice 40, elle assure le blindage de ladite première électrode émettrice de façon à éviter le retour des photoélectrons 71 sur les parois 41 des This input electrode ensures good optical transparency with respect to incident photons 70 and, on the other hand, being brought to an electrical potential equal to or slightly lower than that of the first emitting electrode 40, it ensures the shielding of said first emitting electrode so as to avoid the return of the photoelectrons 71 on the walls 41 of the
trous 42.holes 42.
La figure 2 montre un autre mode de réalisation de Figure 2 shows another embodiment of
l'invention dans lequel les parois 41 des trous 42 de la pre- the invention in which the walls 41 of the holes 42 of the first
mière électrode émettrice 40 comportent une couche 44 d'un ma- emitting electrode 40 comprise a layer 44 of a material
tériau réflecteur sur laquelle est déposé ledit matériau pho- reflective material on which said phosphor material is deposited
toémissif 43. La couche réflectrice 44 peut être, par exemple, constituée par de l'aluminium. Cette disposition avantageuse de l'invention a pour effet d'augmenter le trajet des photons incidents 70 à l'intérieur du matériau photoémissif 43 dans le but d'améliorer le rendement de transduction des photons toémissif 43. The reflective layer 44 can be, for example, constituted by aluminum. This advantageous arrangement of the invention has the effect of increasing the path of the incident photons 70 inside the photoemissive material 43 in order to improve the photon transduction efficiency.
incidents en photoélectrons 71.photoelectron incidents 71.
Toujours sur la figure 2, on observe que, dans le cas o l'électrode 30 d'entrée est une grille conductrice constituée de fils 31 disposés en regard des trous 42 de la première électrode émettrice 40, lesdits fils 31 ont une forme telle qu'ils réfléchissent la lumière incidente 70 sur les parois 41 desdits trous. La transparence optique de la grille se trouve alors augmentée, ainsi que l'efficacité du tube Still in FIG. 2, it can be seen that, in the case where the input electrode 30 is a conductive grid made up of wires 31 arranged opposite the holes 42 of the first emitting electrode 40, said wires 31 have a shape such that 'They reflect the incident light 70 on the walls 41 of said holes. The optical transparency of the grid is then increased, as well as the efficiency of the tube.
photomultiplicateur selon l'invention. photomultiplier according to the invention.
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EP0043629A1 (en) * | 1980-07-09 | 1982-01-13 | Philips Electronics Uk Limited | Channel plate electron multiplier |
Non-Patent Citations (4)
Title |
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IEEE TRANSACTIONS ON NUCLEAR SCIENCE, vol. NS-32, no. 1, février 1985, pages 427-432, IEEE, New York, US; J.G. TIMOTHY: "Electronic readout systems for microchannel plates" * |
IEEE TRANSACTIONS ON NUCLEAR SCIENCE, vol. NS-34, no. 1, février 1987, pages 449-452, IEEE, New York, US; J.P. BOUTOT et al.: "Multianode photomultiplier for detection and localization of low level events" * |
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Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
FR2653269B1 (en) | 1992-05-22 |
JPH03147240A (en) | 1991-06-24 |
EP0423886A1 (en) | 1991-04-24 |
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