Tube photomultiplicateur - Photomultiplier tube

Photomultiplicateur

Les tubes photomultiplicateurs ( photomultiplicateurs ou PMT en abrégé), membres de la classe des tubes à vide , et plus particulièrement les phototubes à vide , sont des détecteurs de lumière extrêmement sensibles dans les gammes ultraviolette , visible et proche infrarouge du spectre électromagnétique . Ces détecteurs multiplient le courant produit par la lumière incidente jusqu'à 100 millions de fois ou 10 8 (c'est-à-dire 160 dB ), en plusieurs étages de dynodes , permettant (par exemple) de détecter des photons individuels lorsque le flux lumineux incident est faible.

Dynodes à l'intérieur d'un tube photomultiplicateur

La combinaison de haut le gain , faible bruit , la réponse à haute fréquence ou, de façon équivalente, la réponse ultra-rapide, et un grand espace de collection a maintenu photomultiplicateurs une place essentielle dans la spectroscopie à faible niveau de lumière , microscopie confocale , la spectroscopie Raman , la spectroscopie de fluorescence , nucléaire et particules physique , astronomie , diagnostics médicaux, y compris analyses de sang , imagerie médicale , numérisation de films cinématographiques ( télécinéma ), brouillage radar et scanners d'images haut de gamme appelés scanners à tambour . Les éléments de la technologie photomultiplicateur, lorsqu'ils sont intégrés différemment, sont à la base des dispositifs de vision nocturne . Les recherches qui analysent la diffusion de la lumière , telles que l'étude des polymères en solution, utilisent souvent un laser et un PMT pour collecter les données de lumière diffusée.

Les dispositifs semi-conducteurs , en particulier les photomultiplicateurs au silicium et les photodiodes à avalanche , sont des alternatives aux photomultiplicateurs classiques ; cependant, les photomultiplicateurs sont particulièrement bien adaptés aux applications nécessitant une détection à faible bruit et à haute sensibilité de la lumière qui est imparfaitement collimatée .

Structure et principes de fonctionnement

Fig.1 : Schéma d'un tube photomultiplicateur couplé à un scintillateur . Cette disposition est destinée à la détection des rayons gamma .
Fig. 2 : Circuit diviseur de tension photomultiplicateur typique utilisant une haute tension négative.

Les photomultiplicateurs sont généralement construits avec un boîtier en verre sous vide (utilisant un joint verre-métal extrêmement étanche et durable comme les autres tubes à vide ), contenant une photocathode , plusieurs dynodes et une anode . Les photons incidents frappent le matériau de la photocathode , qui est généralement une fine couche conductrice déposée en phase vapeur à l'intérieur de la fenêtre d'entrée du dispositif. Des électrons sont éjectés de la surface sous l' effet de l'effet photoélectrique . Ces électrons sont dirigés par l' électrode de focalisation vers le multiplicateur d'électrons , où les électrons sont multipliés par le processus d' émission secondaire .

Le multiplicateur d'électrons se compose d'un certain nombre d'électrodes appelées dynodes . Chaque dynode est maintenue à un potentiel plus positif, d'environ 100 Volts, que la précédente. Un électron primaire quitte la photocathode avec l'énergie du photon entrant, soit environ 3 eV pour les photons « bleus », moins le travail de sortie de la photocathode. Un petit groupe d'électrons primaires est créé par l'arrivée d'un groupe de photons initiaux. (Dans la figure 1, le nombre d'électrons primaires dans le groupe initial est proportionnel à l'énergie du rayon gamma incident de haute énergie.) Les électrons primaires se déplacent vers la première dynode car ils sont accélérés par le champ électrique. Ils arrivent chacun avec une énergie cinétique ≈100 eV conférée par la différence de potentiel. En frappant la première dynode, davantage d'électrons de faible énergie sont émis et ces électrons sont à leur tour accélérés vers la deuxième dynode. La géométrie de la chaîne de dynodes est telle qu'une cascade se produit avec un nombre croissant d'électrons produits à chaque étape. Par exemple, si à chaque étape une moyenne de 5 nouveaux électrons sont produits pour chaque électron entrant, et s'il y a 12 étapes de dynode, alors à la dernière étape on attend pour chaque électron primaire environ 5 12 10 8 électrons. Cette dernière étape s'appelle l' anode . Ce grand nombre d'électrons atteignant l'anode se traduit par une forte impulsion de courant facilement détectable, par exemple sur un oscilloscope, signalant l'arrivée du ou des photon(s) à la photocathode second50 nanosecondes plus tôt.

La distribution de tension nécessaire le long de la série de dynodes est créée par une chaîne de diviseur de tension, comme illustré sur la figure 2. Dans l'exemple, la photocathode est maintenue à une haute tension négative de l'ordre de 1000 V, tandis que l'anode est très proche de potentiel de terre . Les condensateurs des dernières dynodes agissent comme des réservoirs de charge locaux pour aider à maintenir la tension sur les dynodes tandis que les avalanches d'électrons se propagent à travers le tube. De nombreuses variantes de conception sont utilisées dans la pratique ; la conception montrée est simplement illustrative.

Métallisation interne comme écran de protection contre les sources lumineuses indésirables

Il y a deux orientations photomultiplicateurs communes, le front ou en bout (mode de transmission) la conception, comme indiqué ci - dessus, où la lumière pénètre dans le plat, supérieure circulaire du tube et passe à la photocathode, et le côté de la conception (mode réflexion ), où la lumière pénètre à un endroit particulier sur le côté du tube, et impacte sur une photocathode opaque. La conception latérale est utilisée, par exemple, dans le type 931 , le premier PMT produit en série. Outre les différents matériaux de photocathode, les performances sont également affectées par la transmission du matériau de la fenêtre traversé par la lumière et par la disposition des dynodes. De nombreux modèles de photomultiplicateurs sont disponibles et présentent diverses combinaisons de ces variables et d'autres variables de conception. Les manuels des fabricants fournissent les informations nécessaires pour choisir une conception appropriée pour une application particulière.

Écart de température

On sait qu'à des températures cryogéniques, les photomultiplicateurs montrent une augmentation de l'émission d'électrons (éclatement) à mesure que la température baisse. Le phénomène est encore inexpliqué par aucune théorie physique .

Histoire

L'invention du photomultiplicateur repose sur deux réalisations antérieures, les découvertes séparées de l' effet photoélectrique et de l'émission secondaire .

Effet photoélectrique

La première démonstration de l' effet photoélectrique a été réalisée en 1887 par Heinrich Hertz en utilisant la lumière ultraviolette. Significatif pour les applications pratiques, Elster et Geitel deux ans plus tard ont démontré le même effet en utilisant des métaux alcalins frappant la lumière visible (potassium et sodium). L'ajout de césium , un autre métal alcalin , a permis d'étendre la gamme des longueurs d'onde sensibles vers des longueurs d'onde plus grandes dans la partie rouge du spectre visible.

Historiquement, l'effet photoélectrique est associé à Albert Einstein , qui s'est appuyé sur le phénomène pour établir le principe fondamental de la mécanique quantique en 1905, une réalisation pour laquelle Einstein a reçu le prix Nobel 1921 . Il est intéressant de noter que Heinrich Hertz, travaillant 18 ans plus tôt, n'avait pas reconnu que l'énergie cinétique des électrons émis est proportionnelle à la fréquence mais indépendante de l'intensité optique. Ce fait impliquait pour la première fois une nature discrète de la lumière, c'est-à-dire l'existence de quanta .

Émission secondaire

Le phénomène d' émission secondaire (capacité des électrons dans un tube à vide à provoquer l'émission d'électrons supplémentaires en frappant une électrode ) était, dans un premier temps, limité aux phénomènes et dispositifs purement électroniques (qui manquaient de photosensibilité ). En 1899, l'effet a été signalé pour la première fois par Villard. En 1902, Austin et Starke ont rapporté que les surfaces métalliques impactées par les faisceaux d'électrons émettaient un plus grand nombre d'électrons que ceux incidents. L'application de l'émission secondaire nouvellement découverte à l'amplification des signaux n'a été proposée qu'après la Première Guerre mondiale par le scientifique de Westinghouse Joseph Slepian dans un brevet de 1919.

La course vers une caméra de télévision électronique pratique

Les ingrédients pour inventer le photomultiplicateur se sont réunis au cours des années 1920, alors que le rythme de la technologie des tubes à vide s'accélérait. L'objectif principal pour de nombreux travailleurs, sinon la plupart, était le besoin d'une technologie de caméra de télévision pratique. La télévision avait été utilisée avec des prototypes primitifs pendant des décennies avant l'introduction en 1934 de la première caméra pratique (l' iconoscope ). Les premiers prototypes de caméras de télévision manquaient de sensibilité. La technologie du photomultiplicateur a été poursuivie pour permettre aux tubes de caméra de télévision, tels que l'iconoscope et (plus tard) l' orthicon , d'être suffisamment sensibles pour être pratiques. Ainsi, le décor était planté pour combiner le double phénomène de photoémission (c'est-à-dire l'effet photoélectrique) avec l'émission secondaire , tous deux déjà étudiés et bien compris, pour créer un photomultiplicateur pratique.

Premier photomultiplicateur, à un étage (début 1934)

La première démonstration documentée de photomultiplicateur remonte aux réalisations du début de 1934 d'un groupe RCA basé à Harrison, NJ. Harley Iams et Bernard Salzberg ont été les premiers à intégrer une cathode à effet photoélectrique et un seul étage d'amplification d'émission secondaire dans une seule enveloppe sous vide et les premiers à caractériser ses performances en tant que photomultiplicateur avec gain d'amplification électronique. Ces réalisations ont été finalisées avant juin 1934, comme détaillé dans le manuscrit soumis aux Actes de l'Institute of Radio Engineers (Proc. IRE). Le dispositif se composait d'une photocathode semi-cylindrique , d'un émetteur secondaire monté sur l'axe, et d'une grille collectrice entourant l'émetteur secondaire. Le tube avait un gain d'environ huit et fonctionnait à des fréquences bien supérieures à 10 kHz.

Photomultiplicateurs magnétiques (mi 1934-1937)

Des gains plus élevés ont été recherchés que ceux disponibles à partir des premiers photomultiplicateurs à un seul étage. Cependant, c'est un fait empirique que le rendement en électrons secondaires est limité dans tout processus d'émission secondaire donné, quelle que soit la tension d'accélération. Ainsi, tout photomultiplicateur à un étage est limité en gain. À l'époque, le gain maximal de premier étage qui pouvait être atteint était d'environ 10 (des développements très importants dans les années 1960 ont permis d'atteindre des gains supérieurs à 25 en utilisant des dynodes à affinité électronique négative ). Pour cette raison, les photomultiplicateurs à plusieurs étages, dans lesquels le rendement des photoélectrons pouvait être multiplié successivement en plusieurs étages, étaient un objectif important. Le défi consistait à faire en sorte que les photoélectrons heurtent successivement des électrodes de tension plus élevée plutôt que de se déplacer directement vers l'électrode de tension la plus élevée. Initialement, ce défi a été surmonté en utilisant des champs magnétiques puissants pour infléchir les trajectoires des électrons. Un tel schéma avait déjà été conçu par l'inventeur J. Slepian en 1919 (voir ci-dessus). En conséquence, les principaux organismes de recherche internationaux ont tourné leur attention vers l'amélioration des photomultiplicateurs pour obtenir un gain plus élevé avec plusieurs étages.

En URSS , l'équipement radio fabriqué par RCA a été introduit à grande échelle par Joseph Staline pour construire des réseaux de diffusion, et le tout nouvel Institut de recherche scientifique de l'Union pour la télévision préparait un programme de recherche sur les tubes à vide qui était avancé pour l'époque. et lieu. De nombreuses visites ont été effectuées par le personnel scientifique de RCA en URSS dans les années 1930, avant la guerre froide , pour instruire les clients soviétiques sur les capacités de l'équipement RCA et pour enquêter sur les besoins des clients. Au cours d'une de ces visites, en septembre 1934, Vladimir Zworykin de RCA a vu le premier photomultiplicateur à dynodes multiples, ou multiplicateur de photoélectrons . Cet appareil pionnier a été proposé par Leonid A. Kubetsky en 1930 qu'il a ensuite construit en 1934. L'appareil a réalisé des gains de 1000x ou plus lors de sa démonstration en juin 1934. Le travail a été soumis pour publication imprimée seulement deux ans plus tard, en juillet 1936, comme souligné dans une récente publication de 2006 de l' Académie des sciences de Russie (RAS), qui l'appelle « Tube de Kubetsky ». L'appareil soviétique utilisait un champ magnétique pour confiner les électrons secondaires et s'appuyait sur la photocathode Ag-O-Cs qui avait été démontrée par General Electric dans les années 1920.

En octobre 1935, Vladimir Zworykin , George Ashmun Morton et Louis Malter de RCA à Camden, NJ ont soumis leur manuscrit décrivant la première analyse expérimentale et théorique complète d'un tube à dynodes multiples - le dispositif appelé plus tard un photomultiplicateur - à Proc. COLÈRE. Les prototypes de photomultiplicateurs RCA utilisaient également une photocathode Ag-O-Cs ( oxyde d'argent - césium ). Ils ont présenté une efficacité quantique maximale de 0,4% à 800 nm .

Photomultiplicateurs électrostatiques (1937-présent)

Alors que ces premiers photomultiplicateurs utilisaient le principe du champ magnétique, les photomultiplicateurs électrostatiques (sans champ magnétique) ont été démontrés par Jan Rajchman de RCA Laboratories à Princeton, NJ à la fin des années 1930 et sont devenus la norme pour tous les futurs photomultiplicateurs commerciaux. Le premier photomultiplicateur produit en série, le Type 931, était de cette conception et est toujours produit commercialement aujourd'hui.

Photocathodes améliorées

Toujours en 1936, une photocathode bien améliorée, Cs 3 Sb ( césium - antimoine ), a été signalée par P. Görlich. La photocathode césium-antimoine avait une efficacité quantique considérablement améliorée de 12% à 400 nm, et a été utilisée dans les premiers photomultiplicateurs à succès commercial fabriqués par RCA (c'est-à-dire le type 931) à la fois comme photocathode et comme matériau d'émission secondaire pour les dynodes . Différentes photocathodes ont fourni des réponses spectrales différentes.

Réponse spectrale des photocathodes

Au début des années 40, le JEDEC (Joint Electron Device Engineering Council), un comité industriel sur la normalisation, a développé un système de désignation des réponses spectrales. La philosophie comprenait l'idée que l'utilisateur du produit n'a besoin de se préoccuper que de la réponse de l'appareil plutôt que de la façon dont l'appareil peut être fabriqué. Diverses combinaisons de matériaux de photocathode et de fenêtre ont reçu des « numéros S » (numéros spectraux) allant de S-1 à S-40, qui sont toujours utilisés aujourd'hui. Par exemple, S-11 utilise la photocathode césium-antimoine avec une fenêtre en verre à la chaux, S-13 utilise la même photocathode avec une fenêtre en silice fondue, et S-25 utilise une photocathode dite "multialcali" (Na-K-Sb -Cs, ou sodium - potassium - antimoine - césium ) qui fournit une réponse étendue dans la partie rouge du spectre de la lumière visible. Aucune surface photoémissive appropriée n'a encore été signalée pour détecter des longueurs d'onde supérieures à environ 1700 nanomètres, qui peuvent être approchées par une photocathode spéciale (InP/InGaAs(Cs)).

Société RCA

Pendant des décennies, RCA était chargé d'effectuer le travail le plus important dans le développement et le raffinement des photomultiplicateurs. RCA était également en grande partie responsable de la commercialisation des photomultiplicateurs. La société a compilé et publié un manuel de photomultiplicateur faisant autorité et largement utilisé . RCA a fourni des copies imprimées gratuitement sur demande. Le manuel, qui continue d'être mis en ligne gratuitement par les successeurs de RCA, est considéré comme une référence incontournable.

À la suite d'une scission d'entreprise à la fin des années 1980 impliquant l'acquisition de RCA par General Electric et la cession des divisions de RCA à de nombreux tiers, l' activité photomultiplicateur de RCA est devenue une société indépendante.

Installation de Lancaster, Pennsylvanie

L' installation de Lancaster, en Pennsylvanie , a été ouverte par l' US Navy en 1942 et exploitée par RCA pour la fabrication de tubes radio et micro-ondes . Après la Seconde Guerre mondiale , l'installation navale a été acquise par RCA. RCA Lancaster, comme il est devenu connu, était la base pour le développement et la production de produits de télévision commerciale . Au cours des années suivantes, d'autres produits ont été ajoutés, tels que les tubes "à rayons cathodiques", les tubes photomultiplicateurs, les commutateurs de commande de lumière à détection de mouvement et les systèmes de télévision en circuit fermé .

Burle Industries

Burle Industries, en tant que successeur de RCA Corporation, a poursuivi l'activité des photomultiplicateurs RCA après 1986, basée dans l'usine de Lancaster, en Pennsylvanie. L'acquisition de RCA en 1986 par General Electric a entraîné la cession de la division RCA Lancaster New Products. Ainsi, 45 ans après sa création par l'US Navy, son équipe de direction, dirigée par Erich Burlefinger, rachète la division et fonde en 1987 Burle Industries.

En 2005, après dix-huit ans en tant qu'entreprise indépendante, Burle Industries et une filiale clé ont été acquises par Photonis, une société holding européenne du groupe Photonis . Suite à l'acquisition, Photonis était composé de Photonis Pays-Bas, Photonis France, Photonis USA et Burle Industries. Photonis USA exploite l'ancien Galileo Corporation Scientific Detector Products Group ( Sturbridge, Massachusetts ), qui avait été acheté par Burle Industries en 1999. Le groupe est connu pour ses multiplicateurs d'électrons à détecteurs à plaques à microcanaux (MCP), une version intégrée des photomultiplicateurs à microtubes sous vide. . Les MCP sont utilisés pour l'imagerie et les applications scientifiques, y compris les dispositifs de vision nocturne .

Le 9 mars 2009, Photonis a annoncé qu'elle cesserait toute production de photomultiplicateurs dans les usines de Lancaster, Pennsylvanie et de Brive, France.

Hamamatsu

Le Japon entreprise , basée à Hamamatsu Photonics (également connu sous le nom Hamamatsu) a vu le jour depuis les années 1950 en tant que chef de file dans l'industrie du photomultiplicateur. Hamamatsu, dans la tradition de RCA, a publié son propre manuel, qui est disponible gratuitement sur le site Web de l'entreprise. Hamamatsu utilise différentes désignations pour des formulations de photocathode particulières et introduit des modifications à ces désignations sur la base de la recherche et du développement exclusifs de Hamamatsu.

Matériaux de photocathode

Les photocathodes peuvent être constituées d'une variété de matériaux, avec des propriétés différentes. Typiquement, les matériaux ont un faible travail de sortie et sont donc sujets à l'émission thermoionique , provoquant du bruit et un courant d'obscurité, en particulier les matériaux sensibles à l'infrarouge ; le refroidissement de la photocathode abaisse ce bruit thermique. Les matériaux de photocathode les plus courants sont les Ag-O-C (également appelés S1) en mode de transmission, sensibles de 300 à 1200 nm. Courant d'obscurité élevé ; utilisé principalement dans le proche infrarouge, avec la photocathode refroidie ; GaAs: Cs, césium - activé arséniure de gallium , une réponse plate de 300 à 850 nm, la décoloration et vers ultraviolet à 930 nm; InGaAs:Cs, arséniure de gallium d'indium activé par le césium , sensibilité infrarouge supérieure à celle de GaAs:Cs, entre 900 et 1000 nm, rapport signal/bruit beaucoup plus élevé que Ag-O-Cs ; Sb-Cs, (également appelé S11) antimoine activé par le césium , utilisé pour les photocathodes en mode réfléchissant ; plage de réponse allant de l'ultraviolet au visible, largement utilisée; bialcali (Sb-K-Cs, Sb-Rb-Cs), alliage antimoine-rubidium ou antimoine-potassium activé par le césium, similaire au Sb:Cs, avec une sensibilité plus élevée et un bruit plus faible. peut être utilisé pour le mode de transmission ; la réponse favorable aux flashs d'un scintillateur NaI:Tl les rend largement utilisés en spectroscopie gamma et en détection de rayonnement ; bialcali à haute température (Na-K-Sb), peut fonctionner jusqu'à 175 ° C, utilisé dans la diagraphie de puits , faible courant d'obscurité à température ambiante; multialcali (Na-K-Sb-Cs), (également appelé S20), large réponse spectrale allant de l'ultraviolet au proche infrarouge, un traitement spécial cathodique peut étendre la plage jusqu'à 930 nm, utilisé dans les spectrophotomètres à large bande ; aveugle solaire (Cs-Te, Cs-I), sensible au vide-UV et ultraviolet, insensible à la lumière visible et infrarouge (Cs-Te a une coupure à 320 nm, Cs-I à 200 nm).

Matériaux de fenêtre

Les fenêtres des photomultiplicateurs agissent comme des filtres de longueur d'onde ; cela peut être sans importance si les longueurs d'onde de coupure sont en dehors de la plage d'application ou en dehors de la plage de sensibilité de la photocathode, mais une attention particulière doit être portée aux longueurs d'onde peu courantes. Le verre borosilicaté est couramment utilisé pour le proche infrarouge jusqu'à environ 300 nm. Les verres borosilicatés à haute teneur en borate existent également dans des versions à haute transmission UV avec une transmission élevée également à 254 nm. Le verre à très faible teneur en potassium peut être utilisé avec des photocathodes bialcalis pour réduire le rayonnement de fond de l' isotope potassium-40 . Le verre ultraviolet transmet le visible et l'ultraviolet jusqu'à 185 nm. Utilisé en spectroscopie. La silice synthétique transmet jusqu'à 160 nm, absorbe moins d'UV que la silice fondue. Dilatation thermique différente de celle du kovar (et du verre borosilicaté dont la dilatation est adaptée au kovar), un joint gradué est nécessaire entre la fenêtre et le reste du tube. Le joint est vulnérable aux chocs mécaniques. Le fluorure de magnésium transmet les ultraviolets jusqu'à 115 nm. Hygroscopique , bien que moins que les autres halogénures alcalins utilisables pour les fenêtres UV.

Considérations d'utilisation

Les tubes photomultiplicateurs utilisent généralement 1000 à 2000 volts pour accélérer les électrons dans la chaîne de dynodes. (Voir la figure près du haut de l'article.) La tension la plus négative est connectée à la cathode et la tension la plus positive est connectée à l'anode. Les alimentations haute tension négatives (avec la borne positive mise à la terre) sont souvent préférées, car cette configuration permet de mesurer le photocourant du côté basse tension du circuit pour une amplification par des circuits électroniques ultérieurs fonctionnant à basse tension. Cependant, avec la photocathode à haute tension, les courants de fuite entraînent parfois des impulsions de "courant d'obscurité" indésirables qui peuvent affecter le fonctionnement. Les tensions sont distribuées aux dynodes par un diviseur de tension résistif , bien que des variations telles que des conceptions actives (avec des transistors ou des diodes ) soient possibles. La conception du diviseur, qui influence la réponse en fréquence ou le temps de montée , peut être sélectionnée pour s'adapter à diverses applications. Certains instruments qui utilisent des photomultiplicateurs ont des dispositions pour faire varier la tension d'anode pour contrôler le gain du système.

Lorsqu'ils sont alimentés (sous tension), les photomultiplicateurs doivent être protégés de la lumière ambiante pour éviter leur destruction par surexcitation. Dans certaines applications, cette protection est réalisée mécaniquement par des verrouillages ou des obturateurs électriques qui protègent le tube lorsque le compartiment du photomultiplicateur est ouvert. Une autre option consiste à ajouter une protection contre les surintensités dans le circuit externe, de sorte que lorsque le courant d'anode mesuré dépasse une limite de sécurité, la haute tension est réduite.

S'ils sont utilisés dans un endroit avec de forts champs magnétiques , qui peuvent courber les chemins des électrons, éloigner les électrons des dynodes et provoquer une perte de gain, les photomultiplicateurs sont généralement blindés magnétiquement par une couche de fer doux ou de mu-métal . Ce blindage magnétique est souvent maintenu au potentiel cathodique. Lorsque c'est le cas, le blindage externe doit également être isolé électriquement en raison de la haute tension qui s'y trouve. Les photomultiplicateurs avec de grandes distances entre la photocathode et la première dynode sont particulièrement sensibles aux champs magnétiques.

Applications

Les photomultiplicateurs ont été les premiers appareils oculaires électriques , utilisés pour mesurer les interruptions des faisceaux lumineux. Les photomultiplicateurs sont utilisés conjointement avec des scintillateurs pour détecter les rayonnements ionisants au moyen d'instruments de radioprotection portatifs et fixes, et les rayonnements de particules dans les expériences de physique. Les photomultiplicateurs sont utilisés dans les laboratoires de recherche pour mesurer l'intensité et le spectre des matériaux électroluminescents tels que les semi - conducteurs composés et les points quantiques . Les photomultiplicateurs sont utilisés comme détecteurs dans de nombreux spectrophotomètres . Cela permet une conception d'instrument qui échappe à la limite de bruit thermique sur la sensibilité , et qui peut donc augmenter considérablement la plage dynamique de l'instrument.

Les photomultiplicateurs sont utilisés dans de nombreuses conceptions d'équipements médicaux. Par exemple, les appareils d' analyse sanguine utilisés par les laboratoires médicaux cliniques, tels que les cytomètres en flux , utilisent des photomultiplicateurs pour déterminer la concentration relative de divers composants dans les échantillons de sang, en combinaison avec des filtres optiques et des lampes à incandescence . Un réseau de photomultiplicateurs est utilisé dans une gamma caméra . Les photomultiplicateurs sont généralement utilisés comme détecteurs dans les scanners à spot volant .

Applications haute sensibilité

Après 50 ans, pendant lesquels les composants électroniques à semi-conducteurs ont largement déplacé le tube à vide, le photomultiplicateur reste un composant optoélectronique unique et important. Sa qualité la plus utile est peut-être qu'il agit, électroniquement, comme une source de courant presque parfaite , en raison de la haute tension utilisée pour extraire les minuscules courants associés aux signaux lumineux faibles. Il n'y a pas de bruit de Johnson associé aux courants de signaux photomultiplicateurs, même s'ils sont fortement amplifiés, par exemple 100 000 fois (c'est-à-dire 100 dB) ou plus. Le photocourant contient toujours du bruit de tir .

Les photocourants amplifiés par photomultiplicateur peuvent être amplifiés électroniquement par un amplificateur électronique à haute impédance d'entrée (dans le trajet du signal suivant le photomultiplicateur), produisant ainsi des tensions appréciables même pour des flux de photons presque infiniment petits. Les photomultiplicateurs offrent la meilleure opportunité possible de dépasser le bruit de Johnson pour de nombreuses configurations. Ce qui précède fait référence à la mesure de flux lumineux qui, bien que faibles, constituent néanmoins un flux continu de plusieurs photons.

Pour les flux de photons plus petits, le photomultiplicateur peut fonctionner en mode comptage de photons, ou Geiger , (voir aussi Diode à avalanche à photon unique ). En mode Geiger, le gain du photomultiplicateur est réglé si haut (en utilisant une haute tension) qu'un seul photo-électron résultant d'un seul photon incident sur la surface primaire génère un très grand courant sur le circuit de sortie. Cependant, en raison de l'avalanche de courant, une réinitialisation du photomultiplicateur est nécessaire. Dans les deux cas, le photomultiplicateur peut détecter des photons individuels. L'inconvénient, cependant, est que chaque photon incident sur la surface primaire n'est pas compté soit en raison d'une efficacité moins que parfaite du photomultiplicateur, soit parce qu'un deuxième photon peut arriver au photomultiplicateur pendant le « temps mort » associé à un premier photon et ne jamais être remarqué.

Un photomultiplicateur produira un faible courant même sans photons incidents ; c'est ce qu'on appelle le courant d'obscurité . Les applications de comptage de photons exigent généralement des photomultiplicateurs conçus pour minimiser le courant d'obscurité.

Néanmoins, la capacité de détecter des photons uniques frappant la surface photosensible primaire elle-même révèle le principe de quantification mis en avant par Einstein . Le comptage de photons (comme on l'appelle) révèle que la lumière, non seulement une onde, est constituée de particules discrètes (c'est-à-dire de photons ).

Voir également

Les références

Bibliographie

Liens externes