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Qu'est-ce qu'un tube photomultiplicateur ?

Un tube photomultiplicateur (PMT) est l'un des capteurs optiques les plus sensibles, capable de convertir la lumière (photons) en électricité.

Il se compose d'un tube de verre sous vide avec une fenêtre incidente, une photocathode et une dynode. Le principe est basé sur l'effet photoélectrique externe, dans lequel des électrons sont émis à partir de la surface d'un métal lorsque la lumière est irradiée sur celui-ci dans le vide.

Étant donné qu'un seul photon peut être converti en un signal électrique important à une vitesse élevée (environ 10-9 s), les tubes photomultiplicateurs sont employés comme photodétecteurs dans les microscopes électroniques, les équipements d'analyse environnementale, les instruments médicaux, les spectrophotomètres et les équipements d'analyse spectrale.

Utilisations des tubes photomultiplicateurs

Les tubes photomultiplicateurs servent de détecteurs d'électrons secondaires dans les microscopes électroniques et dans les équipements de photo-analyse tels que les spectrophotomètres UV-visible et les spectromètres d'émission. Ils sont également intégrés dans les compteurs de poussière pour mesurer les particules dans l'air, dans les radars laser (LiDAR) pour détecter la lumière diffusée par les particules en suspension dans l'air, ainsi que dans les appareils médicaux tels que la tomographie par émission de positrons (TEP) et la tomodensitométrie (TDM) utilisés pour le dépistage du cancer.

Le LiDAR détecte la position et le mouvement des objets autour d'un véhicule. Il devrait devenir une technologie clé pour la conduite entièrement automatisée. Le Super-Kamiokande, l'installation la plus avancée au monde pour la recherche sur les neutrinos, utilise 13 000 tubes photomultiplicateurs d'un diamètre de 20 pouces pour capturer la lumière Cherenkov (lumière produite lorsque les électrons dépassent la vitesse de la lumière dans l'eau) générée dans un réservoir d'eau de 50 000 tonnes.

Les tubes photomultiplicateurs sont très performants en termes de sensibilité et peuvent convertir une faible lumière en une quantité suffisante de signaux électriques. D'un autre côté, ils présentent également des inconvénients : ils nécessitent une tension élevée pour être utilisés et sont susceptibles de capter le bruit causé par les électrons thermiques. L'alimentation des tubes photomultiplicateurs doit donc être extrêmement silencieuse et très stable.

Principe d'un tube photomultiplicateur

Les tubes photomultiplicateurs sont des capteurs optiques capables de détecter la lumière d'un seul photon et de la convertir en un signal électrique.

Le tube de verre sous vide est équipé d'une fenêtre par laquelle pénètre la lumière, d'une photocathode qui convertit les photons en électrons par l'effet du photocourant externe (l'effet des électrons émis dans le vide), d'une électrode de focalisation qui collecte les photoélectrons, d'une dynode d'environ 10 étages qui multiplie les électrons secondaires et d'une anode qui génère le signal électronique. Une tension continue d'environ 1 000 V est appliquée à l'ensemble du système, de la photocathode à l'anode.

1. Matériau de la fenêtre

Le verre borosilicaté, le verre de quartz, le verre transmettant les UV et les cristaux de MgF2 sont utilisés comme matériaux de fenêtre, en fonction de la gamme de longueurs d'onde de la lumière, principalement du côté des courtes longueurs d'onde.

2. Photocathode

Les photocathodes forment une couche active à efficacité quantique (efficacité de génération de photoélectrons) sur la surface en contact avec le vide poussé. Dans le domaine visible, des photocathodes en métal bialkali, des photocathodes en métal multi-alcalin de trois types ou plus avec une sensibilité allant jusqu'à l'infrarouge, des photocathodes en halogénure alcalin pour la détection des UV et des semi-conducteurs composés III-V avec une sensibilité élevée dans l'UV et le proche infrarouge ont été développés.

3. Dynode

Les photoélectrons sont accélérés par l'électrode de focalisation et collectés dans la dynode. Celle-ci forme une couche active sur un substrat métallique tel que le nickel ou l'acier inoxydable, ce qui augmente le taux d'émission d'électrons secondaires. Les couches déposées de métal alcalin-antimoine (par exemple SbCs), d'oxyde de béryllium et d'oxyde de magnésium sont couramment utilisées.

Lorsque les électrons frappent la dynode, un grand nombre d'électrons secondaires sont émis. Ils entrent ensuite en collision avec la dynode suivante installée, où d'autres électrons secondaires sont émis. Ce processus est répété, augmentant finalement le nombre d'électrons d'un million de fois et plus. Une quantité suffisante d'électrons est détectée sous la forme d'un signal électrique.

Autres informations sur les tubes photomultiplicateurs

Structure du multiplicateur d'électrons secondaires

Différentes structures ont été conçues pour les multiplicateurs d'électrons secondaires, telles que les cages circulaires, les lignes focales, les boîtes et les grilles, les mailles fines et les canaux métalliques, en fonction de la disposition et de la forme des dynodes et des autres composants.

Pour chaque structure, la conception optimale de l'électrode est basée sur l'analyse de l'orbitale des électrons. Les électrons se déplaçant dans un vide poussé, il est possible d'obtenir des caractéristiques temporelles rapides. La sensibilité élevée et les caractéristiques de réponse rapide, qui permettent de compter la lumière comme un grain, sont les raisons pour lesquelles les PMT sont employés en première ligne.