Supplément 1.12: Photomultiplicateurs (1/3)
Ces détecteurs combinent une photodiode à vide et un amplificateur haute fréquence dans un même tube. L'amplificateur multiplie les photoélectrons libérés par la photocathode en plusieurs étapes et est donc appelé multiplicateur d'électrons secondaires ou MES. L'ensemble composé de la photodiode et de l'amplificateur est donc également appelé multiplicateur de photoélectrons, photomultiplicateur ou PMT. Il en existe un grand nombre de versions différentes, dont les dimensions vont de 1 cm à des tubes d'un demi-mètre de diamètre.
L'amplification par étages correspond mathématiquement à une suite géométrique finie et divergente : chaque terme suivant est multiplié par un facteur compris entre 3 et 4. Avec six à huit étages d'amplification, on obtient ainsi un gain d'un facteur compris entre 103 et 105. Il existe également des PMT comportant jusqu'à 19 étages ! La réalisation des étages s'effectue à l'aide de plaques métalliques en antimoine ou en oxyde de béryllium (BeO), appelées dynodes. Des tensions d'accélération permettent de diriger les photoélectrons, ou les électrons déjà multipliés, vers les dynodes suivantes. L'énergie cinétique de l'impact génère d'autres électrons secondaires – généralement trois ou quatre.
Le schéma suivant présente le montage de base d'un photomultiplicateur. Les résistances et les condensateurs sont soudés aux broches du socle afin de réduire au maximum la longueur des câbles et, par conséquent, de limiter les interférences dues aux champs électromagnétiques extérieurs.
La photocathode est soumise à une haute tension négative (-HV) comprise entre environ -500 et -1500 V. L'anode est reliée à la masse via la résistance de charge RLOAD. Pour les mesures pulsées ou à haute fréquence, RLOAD=50 Ω ; dans les autres cas, des valeurs plus élevées peuvent être utilisées pour des tensions de signal plus importantes. Les dynodes sont alimentées en tension par une chaîne de résistances ; dans cet exemple, les tensions entre les dynodes sont identiques en raison des valeurs de résistance identiques.
Les potentiels des quatre dernières dynodes sont soutenus par des condensateurs rapides adaptés à la haute tension (par exemple des condensateurs céramiques), ce qui est nécessaire pour les mesures pulsées. Dans tous les cas, les courants des dynodes dans le vide ne doivent pas entrer dans la plage du courant de la chaîne de résistances allant de -HV à zéro, car sinon les potentiels des derniers étages de dynodes s'effondreraient. Comme la tension totale est maintenue par la source haute tension, les différences de potentiel des premières dynodes augmenteraient, ce qui entraînerait une amplification non linéaire.
L'un des avantages d'un gain élevé au niveau de la dynode est la possibilité de compter des photons individuels. On trouve un exemple de ce que l'on appelle le « comptage de photons » dans une vidéo de la section consacrée aux photons. Les impulsions de forte amplitude sont principalement causées par des photons qui éjectent un photoélectron de la cathode. Les impulsions de faible amplitude sont générées par des électrons émis thermiquement par les dynodes, dont l'amplification reste plus faible ; cela constitue le courant de fuite déjà mentionné pour les photodiodes à vide. Lors du comptage de photons, ces petites impulsions sont supprimées par des moyens électroniques.
