Qu’est-ce qu’un tube photomultiplicateur – PMT – Définition

Les tubes photomultiplicateurs (PMT) sont un dispositif de détection de photons qui utilise l’effet photoélectrique combiné à une émission secondaire pour convertir la lumière en un signal électrique. Un photomultiplicateur absorbe la lumière émise par le scintillateur et la réémet sous forme d’électrons via l’ effet photoélectrique . Depuis lors, le PMT est le principal choix pour la détection de photons en raison de son efficacité quantique élevée et de son amplification élevée.

Le tube photomultiplicateur est un élément clé d’un détecteur à scintillation. En général, un détecteur à scintillation comprend:

• Scintillateur . Un scintillateur génère des photons en réponse au rayonnement incident.
• Photodétecteur . Un photodétecteur sensible (généralement un tube photomultiplicateur (PMT), une caméra à dispositif à couplage de charge (CCD) ou une photodiode), qui convertit la lumière en un signal électrique et électronique pour traiter ce signal.

Composants du tube photomultiplicateur

L’appareil se compose de plusieurs composants et ces composants sont représentés sur la figure.

• Photocathode . Juste après une fenêtre d’entrée mince, se trouve une photocathode, qui est faite d’un matériau dans lequel les électrons de valence sont faiblement liés et ont une section efficace élevée pour convertir les photons en électrons via l’effet photoélectrique. Par exemple, du Cs ₃ Sb (césium-antimoine) peut être utilisé. En conséquence, la lumière créée dans le scintillateur frappe la photocathode d’un tube photomultiplicateur, libérant au plus un photoélectron par photon.
• Dynodes . En utilisant un potentiel de tension, ce groupe d’électrons primaires est accéléré et concentré électrostatiquement de sorte qu’ils frappent la première dynode avec suffisamment d’énergie pour libérer des électrons supplémentaires. Il existe une série («étages») de dynodes en matériau de fonction de travail relativement faible. Ces électrodes fonctionnent à un potentiel toujours croissant (par exemple ~ 100-200 V entre les dynodes). Au niveau de la dynode, les électrons sont multipliés par émission secondaire. La prochaine dynode a une tension plus élevée qui fait que les électrons libérés du premier accélèrent vers elle. A chaque dynode 3-4 électrons sont libérés pour chaque électron incident, et avec 6 à 14 dynodes le gain global, ou le facteur d’amplification d’électrons, seront dans la plage d’environ 10 ⁴ -10⁷ lorsqu’ils atteignent l’anode. Les tensions de fonctionnement typiques se situent dans la plage de 500 à 3 000 V. Au niveau de la dynode finale, suffisamment d’électrons sont disponibles pour produire une impulsion d’une amplitude suffisante pour une amplification supplémentaire. Cette impulsion transporte des informations sur l’énergie du rayonnement incident d’origine. Le nombre de ces impulsions par unité de temps donne également des informations sur l’intensité du rayonnement.

Tube photomultiplicateur – Principe de fonctionnement

Le fonctionnement des compteurs à scintillation et des tubes photomultiplicateurs est résumé dans les points suivants:

• 

  Le rayonnement ionisant pénètre dans le scintillateur et interagit avec le matériau du scintillateur. Cela provoque la montée des électrons à un état excité .

  • Pour les particules chargées, la piste est le chemin de la particule elle-même.
  • Pour les rayons gamma (non chargés), leur énergie est convertie en un électron énergétique via l’ effet photoélectrique , la diffusion Compton ou la production de paires .
• Les atomes excités du matériau scintillateur se désexcitent et émettent rapidement un photon dans la gamme de lumière visible (ou presque visible). La quantité est proportionnelle à l’énergie déposée par la particule ionisante. Le matériau serait fluorescent.
• Trois classes de luminophores sont utilisées:
  • cristaux inorganiques,
  • cristaux organiques,
  • phosphores plastiques.
• La lumière créée dans le scintillateur frappe la photocathode d’un tube photomultiplicateur , libérant au plus un photoélectron par photon.
• En utilisant un potentiel de tension, ce groupe d’ électrons primaires est accéléré et concentré électrostatiquement de sorte qu’ils frappent la première dynode avec suffisamment d’énergie pour libérer des électrons supplémentaires.
• Ces électrons secondaires sont attirés et frappent une seconde dynode libérant plus d’électrons. Ce processus se produit dans le tube photomultiplicateur.
• Chaque impact de dynode suivant libère d’autres électrons, et il y a donc un effet d’amplification de courant à chaque étage de dynode. Chaque étage a un potentiel plus élevé que le précédent pour fournir le champ d’accélération.
• Le signal primaire est multiplié et cette amplification se poursuit sur 10 à 12 étages.
• À la dynode finale , suffisamment d’électrons sont disponibles pour produire une impulsion d’une amplitude suffisante pour une amplification supplémentaire. Cette impulsion transporte des informations sur l’énergie du rayonnement incident d’origine. Le nombre de ces impulsions par unité de temps donne également des informations sur l’intensité du rayonnement.

Efficacité quantique

La sensibilité d’une photocathode est généralement indiquée en termes d’ efficacité quantique . En général, le rendement quantique terme (QE) peut demander au photon incident à électrons converti ( IPCE ) rapport d’un dispositif photosensible. L’efficacité quantique de la photocathode est définie comme la probabilité de conversion de photons incidents en un signal électrique et est définie comme:

L’efficacité quantique de tout appareil photosensible est une fonction importante de la longueur d’onde de la lumière incidente, et un effort est fait pour adapter la réponse spectrale de la photocathode au spectre d’émission du scintillateur utilisé. Dans le tube photomultiplicateur, l’efficacité quantique est limitée à 20-30% , mais une efficacité quantique moyenne sur le spectre d’émission d’un scintillateur typique est d’environ 15-20% .

La norme de cotation est le nombre de photoélectrons par perte d’énergie keV par des électrons rapides dans un scintillateur NaI (Tl) . Pour une efficacité quantique maximale, environ 8 à 10 photoélectrons sont produits pour chaque perte d’énergie keV. Par conséquent, la perte d’énergie moyenne requise pour créer un seul photoélectron est d’environ 100 eV, ce qui est beaucoup plus élevé que les valeurs des détecteurs remplis de gaz ou des détecteurs à semi-conducteur.

Depuis lors, le PMT est le principal choix pour la détection de photons en raison de son efficacité quantique élevée et de son amplification élevée. Dernièrement, cependant, les semi-conducteurs ont commencé à concurrencer le PMT, la photodiode par exemple, qui a une efficacité quantique plus élevée dans la gamme visible et au-dessus, une consommation d’énergie inférieure et une taille plus petite. L’efficacité quantique de la photodiode est élevée (60-80%) par rapport au PMT (20-30%) qui donne une résolution énergétique plus élevée.