Supplément 1.12: Photomultiplicateurs      (2/3)

Il existe un grand nombre de sensibilités spectrales différentes pour les photocathodes. Les caractéristiques mentionnées pour les photodiodes sous vide s'appliquent ici de la même manière. La figure suivante présente quelques sensibilités couramment utilisées.

Sensibilité spectrale S de certains types de photocathodes. Les droites en pointillés montrent la relation entre le rendement quantique QE m(en pourcentage) et la sensibilité en fonction de la longueur d'onde, voir exercise 1. La cathode bialcaline est constituée de K₂CsSb, c'est-à-dire d'antimoine-potassium activé au césium ; S11 est constituée de Sb-Cs, c'est-à-dire d'antimoine activé au césium. S20 est une cathode multi-alcaline formée de Na-K-Sb-Cs. Le GaAs est un semi-conducteur binaire III-V.

Il serait erroné de supposer qu'une caractéristique spectrale aussi large que possible, comme celle de la cathode GaAs, constitue toujours le meilleur choix. C'est plutôt le type d'application qui est déterminant. Si l'on souhaite par exemple mesurer uniquement le rayonnement ultraviolet, même en plein jour, il convient de privilégier la cathode Cs-Te, qui fait partie des types dits « solar blind ». Cela s'avère utile car la plupart des filtres optiques en verre coloré laissent passer les longues longueurs d'onde (long wave pass) et les rares filtres short wave pass disponibles ne présentent pas de flancs d'absorption nets. De même, les filtres interférentiels ne bloquent pas toujours de manière suffisamment efficace les zones situées en dehors de leur longueur d'onde de transmission. C'est pourquoi un photomultiplicateur doté d'une fonction de filtrage appropriée au niveau de la cathode est souvent le premier choix lorsqu'il s'agit de supprimer la lumière parasite. Ainsi, la cathode S11 est sensible de l'UV au jaune/orange et supprime très efficacement la lumière à partir du rouge profond.

La cathode GaAs à large bande est particulièrement adaptée aux mesures allant de l'ultraviolet au proche infrarouge ; toutefois, ce matériau est facilement saturé en cas de luminosité trop intense et peut subir une perte de sensibilité ; cet effet est réversible après quelques jours, mais pas toujours.

Le comportement temporel des photomultiplicateurs correspond à peu près à celui des photodiodes sous vide. Cela vaut également pour les capacités parasites, raison pour laquelle des valeurs faibles de la résistance anodique, généralement de l'ordre de 50 Ω, sont nécessaires pour les mesures à haute fréquence. Cela ne pose pas vraiment de difficulté, car le gain fourni par les dynodes génère des signaux de sortie élevés par rapport à ceux des photodiodes. Cependant, il faut ici ajouter le temps de transit des électrons depuis la photocathode jusqu'à l'anode en passant par les dynodes. Ce temps diminue avec l'augmentation des tensions des dynodes et est généralement de l'ordre de 20 ns, en fonction du nombre de dynodes. La variabilité du temps de transit sur les différents chemins entre la cathode et l'anode est déterminante pour le comportement temporel, ce qui élargit les signaux pulsés et réduit les fréquences de coupure. Dans le but d'obtenir des temps de transit aussi identiques que possible, des multiplicateurs à formes de dynodes optimisées, appelés « multiplicateurs à conception compensée », ont été développés.

Comme le montre une photo à la page précédente, la taille des photomultiplicateurs peut varier considérablement ; elle est toujours adaptée à l'application concrète. La forme de construction est tout aussi importante. Une différence essentielle réside dans l'orientation de la photocathode par rapport à l'axe longitudinal du tube. L'orientation latérale (side-on) est mise en œuvre dans l'exemple du type 1P28 présenté ci-dessous. Dans ce cas, la photocathode est opaque, les photoélectrons sont émis du côté irradié de la photocathode. Dans la configuration head-on, la photocathode est constituée d'une fine couche déposée par évaporation sur la face interne de la fenêtre d'entrée de lumière plate. La cathode est dans ce cas semi-transparente, de sorte que les photoélectrons sont émis vers l'arrière en direction des dynodes. Cela réduit toutefois le rendement quantique par rapport à la variante side-on.

1P28 versant cathode 1P28 versant dynodes Schéma 1P28

Le 1P28 est disponible depuis 1950 ; son développement a débuté au début des années 1940 et il s'agissait d'une version améliorée du premier photomultiplicateur disponible sur le marché, le RCA 931 ou 931A. Tout comme la photodiode RCA 935, développée à peu près à la même époque, il est équipé d'une cathode S5 offrant une sensibilité maximale à 340 nm. Vous trouverez la fiche technique ici. Ce photomultiplicateur ayant fait ses preuves, il est aujourd'hui toujours disponible auprès d'autres fabricants avec plusieurs types de cathodes.