DESCRIPTION

DOMAINE TECHNIQUE ET ART ANTÉRIEUR

L' invention concerne un système de contrôle de dérive de gain de photomultiplicateur ainsi qu'un procédé de contrôle de dérive de gain de photomultiplicateur.

L'invention s'applique à la stabilisation du gain d'un photomultiplicateur utilisé pour les mesures de spectrométrie ou de comptage de photons dans les domaines de la mesure nucléaire et de la mesure médicale.

L'invention s'applique également à la stabilisation des systèmes de mesure neutronique utilisant des photomultiplicateurs ainsi qu'à la stabilisation du gain des photomultiplicateurs utilisés dans les applications de spectroscopie optique.

Un photomultiplicateur est un dispositif permettant la détection de photons. Il se présente sous la forme d'un tube électronique. Sous l'action de la lumière, des électrons sont arrachés d'un bialkalimétal par effet photoélectrique à une photocathode, le faible courant électrique ainsi généré est amplifié par une série de dynodes utilisant le phénomène d'émission secondaire pour obtenir un gain important. Un tel détecteur permet de compter les photons individuellement. La figure la montre un photomultiplicateur classique. Il est constitué d'un tube à vide en verre 100 contenant une photocathode 110, une électrode de focalisation 115, un « multiplicateur d'électrons » constitué d'un ensemble d'électrodes 120, appelées dynodes, et une anode 130. En référence à la figure la, en allant de la gauche vers la droite de la figure, chaque dynode est maintenue à une valeur de potentiel plus importante que la précédente. Une photocathode est un matériau capable de convertir un rayonnement en électron par émission secondaire. Le photomultiplicateur est couplé à un scintillateur 140. Un scintillateur est un matériau qui émet des photons lumineux suite à l'absorption d'un rayonnement. Le photomultiplicateur fonctionne comme cela va être indiqué ci-après. Le scintillateur 140 est illuminé, c'est-à-dire soumis à un rayonnement. Sous l'effet de ce rayonnement, les atomes du matériau constituant le scintillateur sont « excités », c'est-à- dire que les électrons passent à un niveau d'énergie supérieur. Des photons incidents 150 frappent le matériau constituant la photocathode, celui-ci formant une fine couche déposée sur la fenêtre d'entrée du dispositif. Des électrons 117 sont alors produits par effet photoélectrique. Les électrons 117 sont dirigés vers le multiplicateur d'électrons par l'électrode de focalisation 115. Les électrons 117 quittent la photocathode avec une énergie correspondant à celle du photon incident, moins l'énergie du fonctionnement de la photocathode 110. Les électrons 117 sont accélérés par le champ électrique et arrivent sur la première dynode avec une énergie beaucoup plus importante, par exemple quelques centaines d' électronvolts . Quand les électrons touchent la dynode, ils provoquent un mécanisme appelé émission secondaire. Un électron qui arrive ainsi avec une énergie de quelques centaines d' électronvolts génère quelques dizaines d'électrons de beaucoup plus faible énergie qui, du fait de la différence de potentiel qui existe entre la première dynode et la seconde dynode, vont en accélérant vers la seconde dynode pour provoquer de nouveau le même mécanisme. En réitérant ce mécanisme le long des différents étages de dynode, on peut alors obtenir, à partir des 4 ou 5 premiers électrons émis par la photocathode, quelques millions d'électrons ou plus. La structure de la chaine de dynodes est telle que le nombre d'électrons émis augmente toujours à chaque étape de la cascade. Finalement, l'anode 130 est atteinte et la variation de charges ainsi générée en fonction du temps crée une impulsion de courant qui marque l'arrivée d'un photon sur la cathode.

La figure Ib représente un histogramme illustrant la relation entre le signal utile et le bruit dans un photomultiplicateur. L'axe x est l'axe des amplitudes des impulsions délivrées par le photomultiplicateur et l'axe y est l'axe des quantités d' impulsions qui sont associées aux amplitudes des impulsions. La courbe Cl représente le bruit du photomultiplicateur et la courbe C2 représente le signal constitué du signal utile et du signal de bruit. Sur la figure Ib, on voit qu' il y a une différence pertinente entre la dérivée de la courbe comprenant uniquement le bruit et la courbe comprenant le bruit et le signal utile. C'est cette différence qui indique la dérive du photomultiplicateur.

Les photomultiplicateurs sont très largement répandus dans les dispositifs de mesure du domaine nucléaire et du domaine médical. Les caractéristiques générales d'un photomultiplicateur en font un outil très performant en termes de rendement de conversion lumière/électrons. Cependant, intrinsèquement, les photomultiplicateurs présentent des dérives liées à leur propre fonctionnement (problèmes de température et de vieillissement) . Ces dérives se traduisent généralement par une modification du gain général du photomultiplicateur. Le gain est le paramètre fondamental décrivant le rendement global du photomultiplicateur .

Il existe plusieurs méthodes connues pour stabiliser le gain d'un photomultiplicateur

Glenn F Knoll décrit dans « Radiation Détection and Measurement » (ISBN 0-47-07338-5 ; John Willey & Sons, Inc) un système qui utilise une source émettrice alpha disposée au sein même du matériau scintillant. L'avantage de cette méthode réside dans le fait que la stabilisation s'effectue sur une mesure de type radioactive ce qui, normalement, est représentatif de ce qui est mesuré par le photomultiplicateur lors de son exploitation. Un premier inconvénient d'un tel système réside dans le fait que le matériau scintillant vieillit significativement du fait de son exposition permanente au rayonnement et que, de ce fait, le rendement de conversion entre l'énergie déposée par le rayonnement et la quantité de lumière émise par le matériau scintillant varie au fur et à mesure que l'ensemble vieillit. En conséquence, le suivi de pic généralement effectué ne permet plus de corriger de façon nominale le gain du photomultiplicateur. Un second inconvénient est, lors de mesure de bas niveau, que le fait d' avoir une source présente dans le scintillateur, ajoute une contribution de bruit de fond qui est nuisible à la qualité de l'ensemble de la mesure.

Le document US 5 548 111 « Photomultiplier Having Gain Stabilisation Means » de Nurmi et al. décrit un système qui utilise une diode électroluminescente LED en mode continu ou puisé pour stabiliser le gain du photomultiplicateur, dans lequel le signal est détecté à la cathode et à l'anode. Le gain est stabilisé en tenant le quotient des deux signaux à une valeur constante. L'avantage d'un tel système est que, dans ce cas, on utilise un système non radioactif. Un premier inconvénient réside dans le fait que la longueur d'onde émise par la LED est limitée à une certaine longueur d' onde et ne permet donc pas de couvrir l'ensemble de la gamme de longueur d'onde. De plus, la distribution temporelle correspondant à l'émission du scintillateur est fortement différente de celle de la LED. Un second inconvénient est que le couplage entre la LED et le photomultiplicateur et le scintillateur peut poser des problèmes de mise en œuvre par le fait de rendre la construction plus complexe en rajoutant des éléments. Un troisième inconvénient réside dans le fait que la quantité de photons émis par le LED ne correspond pas à ce qui est émis par un scintillateur . La LED en tant que système actif est donc lui-même soumis à des dérives qu' il convient de corriger. On a donc un système de correction de dérive de gain qui lui-même doit être corrigé et stabilisé en température, ce qui nuit à la simplicité de mise en œuvre et multiplie les sources d'erreurs.

Le système de contrôle de dérive de gain de photomultiplicateur de l'invention ne présente pas les inconvénients mentionnés ci-dessus.

EXPOSE DE L' INVENTION

En effet invention concerne un système de contrôle de dérive de gain de photomultiplicateur, le système comprenant :

- des premiers moyens pour mesurer un signal de bruit du photomultiplicateur et délivrer un signal de mesure représentatif du signal de bruit du photomultiplicateur; et - des seconds moyens pour maintenir, à partir du signal de mesure, le signal de bruit mesuré à un niveau constant.

L' invention concerne également un procédé de contrôle de dérive de gain de photomultiplicateur comprenant

- une étape de mesure d'un signal de bruit du photomultiplicateur pour délivrer un signal de mesure représentatif du signal de bruit du photomultiplicateur ; et une étape pour maintenir, à partir du signal de mesure, le signal de bruit mesuré à un niveau constant .

Le procédé de l'invention stabilise le gain d'un photomultiplicateur en utilisant des propriétés intrinsèques au photomultiplicateur. Le procédé de stabilisation selon l'invention est avantageusement basé sur la corrélation qui existe entre le bruit interne au photomultiplicateur et le gain du photomultiplicateur.

BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de modes de réalisation de l'invention faits en référence aux figures jointes, parmi lesquelles :

La figure la, déjà décrite, représente un photomultiplicateur selon l'art antérieur ;

La figure Ib, déjà décrite, représente un diagramme illustrant la relation entre le signal et le bruit dans un photomultiplicateur ;

La figure 2a représente un système de contrôle de dérive de gain de photomultiplicateur selon un premier mode de réalisation de l'invention ; La figure 2b représente différents signaux traités dans un système conforme au système représenté en figure 2a ;

La figure 3 représente un système de contrôle de dérive de gain de photomultiplicateur selon une variante du premier mode de réalisation de 1' invention ; La figure 4 représente un système de contrôle de dérive de gain de photomultiplicateur selon un deuxième mode de réalisation de l'invention ;

La figure 5 représente un système de contrôle de dérive de gain de photomultiplicateur selon un troisième mode de réalisation de l'invention ;

La figure 6 représente différents signaux traités dans un système de contrôle de dérive de gain de photomultiplicateur conforme au système représenté en figure 5 ;

La figure 7 représente un intégrateur utilisé dans des variantes de l'invention ;

Les figures 8a et 8b représentent des filtres susceptibles d'être utilisés dans les systèmes de contrôle de dérive de gain de photomultiplicateur de 1' invention .

Sur toutes les figures les mêmes références désignent les mêmes éléments.

EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS

La figure 2a représente un système de contrôle de gain de photomultiplicateur selon un premier mode de réalisation de l'invention.

Un scintillateur 1 a une sortie connectée à l'entrée d'un photomultiplicateur 2 dont la sortie est connectée, d'une part, à un premier intégrateur 35 comprenant un amplificateur 5 connecté en parallèle à un condensateur 25 et à un premier interrupteur 27, et, d'autre part, à un discriminateur 6. Dans un mode de réalisation particulier (cas où le photomultiplicateur ne délivre pas un signal de niveau suffisant) un préamplificateur 4 est placé en sortie du photomultiplicateur de sorte que c'est alors la sortie du préamplificateur 4 qui est connectée au premier intégrateur 35 et au discriminateur 6. Le discriminateur 6 pilote le premier interrupteur 27 et un second interrupteur 7 dont l'entrée est reliée à la sortie du premier intégrateur 35 et dont la sortie est reliée à l'entrée d'un filtre 8. La sortie du filtre 8 est connectée à une première entrée d'un second intégrateur 9. Un exemple d'intégrateur qui peut être utilisé dans ce mode de réalisation est illustré en figure 7 et sera décrit ultérieurement. Une tension de référence 10 est connectée à une deuxième entrée du second intégrateur 9. Le second intégrateur 9 a sa sortie connectée à l'entrée d'un dispositif réglable de haute tension 3 qui est connu en soi et dont la sortie est connectée à une entrée de commande de tension du photomultiplicateur 2. Le dispositif 3 a pour fonction d'alimenter en haute tension le photomultiplicateur 2 en fonction du signal délivré en sortie du second intégrateur 9 et, de ce fait, de régler le gain total du photomultiplicateur par action sur la haute tension et les différentes dynodes du tube en fonction du résultat de l'analyse du signal par le système précédemment décrit .

La figure 2b représente différents signaux ls-7s qui sont traités dans un dispositif conforme au dispositif de la figure 2a.

En fonctionnement, quand le photomultiplicateur est activé, un premier signal Is comprenant le signal utile Su issu du scintillateur 1 et le signal de bruit Sb provenant du photomultiplicateur est transmis simultanément en entrée du premier intégrateur 35 et en entrée du discriminateur 6. Le discriminateur 6 mesure, de manière connue en soi, l'amplitude et la durée des impulsions délivrées par le photomultiplicateur. Le discriminateur 6 peut être déclenché soit en fonction d'un signal d'horloge prédéfini par l'utilisateur (non représenté sur la figure) soit en fonction du signal de sortie du photomultiplicateur. Le discriminateur 6 envoie simultanément un signal logique 3s au premier interrupteur 27 appartenant à l'intégrateur 35 et un signal logique 4s au second interrupteur 7. Le signal logique 3s a pour fonction de fermer le premier interrupteur 27 (déclenchement du premier intégrateur 35) et le signal logique 4s a pour fonction de fermer le second interrupteur électronique 7. Le premier intégrateur 35 fait l'intégration des impulsions de bruit pour obtenir la surface de chaque impulsion, c'est-à-dire pour obtenir l'énergie de chaque signal de bruit. En fonction de l'opération d'intégration, le premier intégrateur 35 envoie un signal intégré de sortie 2s au second interrupteur électronique 7. L'amplitude du signal 2s est alors proportionnelle à l'énergie des signaux de bruit. Quand le second interrupteur électronique 7 est passant, un cinquième signal 5s analogique en provenance du premier intégrateur est envoyé au filtre 8. Le filtre 8 détermine les amplitudes du signal 5s en provenance du premier intégrateur 5 et envoie un sixième signal filtré 6s au second intégrateur 9. Le sixième signal 6s est une fonction de l'amplitude. Le sixième signal 6s peut être analogique ou numérique. Le second intégrateur 9 fait une intégration de la différence entre le signal 6s et la tension de référence 10, le sixième signal 6s étant une fonction du bruit intrinsèque du photomultiplicateur. L'intégrateur 9 compare l'amplitude du sixième signal 6s avec la tension de référence 10. En fonction du résultat de cette comparaison, l'intégrateur 9 intègre la différence entre ses deux entrées et génère un septième signal 7s de valeur constante. Le septième signal 7s est fourni à l'entrée du dispositif 3 et a pour fonction d' indiquer au dispositif 3 la tension à appliquer sur la commande du photomultiplicateur 2. La stabilisation de la dérive du photomultiplicateur s'effectue en contrôlant le bruit intrinsèque Sb du photomultiplicateur 2. Dans une première étape, le bruit Sb est séparé du signal utile Su. Dans une seconde étape, le bruit intrinsèque du photomultiplicateur est mesuré. Ensuite, dans une troisième étape, ce bruit est stabilisé à une valeur constante .

La figure 3 montre une variante du premier mode de réalisation de l'invention. Cette variante diffère du mode de réalisation de l'invention représenté en figure 2a par la présence d'un élargisseur temporel optique 11 situé entre le scintillateur 1 et le photomultiplicateur 2. La sortie du scintillateur 1 est connectée à l'entrée de l' élargisseur optique 11, dont la sortie est connectée à l'entrée du photomultiplicateur 2. L' élargisseur optique 11 comprend un matériau apte à élargir temporellement les impulsions lumineuses émises par le scintillateur . La présence d'un élargisseur optique est nécessaire dans le cas de matériau scintillant très rapide dont les performances temporelles conduisent à des formes de signaux utiles comparables aux signaux de bruit. L' élargisseur optique induit alors une modification de la distribution temporelle des photons qui facilite la séparation de l'impulsion lumineuse utile et des signaux de bruit.

La figure 4 représente un système de contrôle de dérive de gain de photomultiplicateur selon un deuxième mode de réalisation de l'invention.

La sortie du scintillateur 1 est connectée à l'entrée du photomultiplicateur 2 dont la sortie est connectée à l'entrée d'un spectromètre d'amplitude 31 qui est connecté, par ailleurs, à une première entrée d'un intégrateur 9 dont une deuxième entrée est reliée à une tension de référence 10. De même que précédemment, dans un mode de réalisation particulier où le photomultiplicateur ne délivre pas un signal de niveau suffisant, un préamplificateur 4 est placé entre la sortie du photomultiplicateur et l'entrée du spectromètre 31. L'intégrateur 9 a sa sortie connectée à l'entrée d'un dispositif réglable de haute tension 3 dont la sortie est connectée à une entrée de commande du photomultiplicateur 2.

En fonctionnement, quand le photomultiplicateur est activé, un premier signal Is est envoyé du photomultiplicateur 2 au spectromètre d'amplitude 31. L'analyse du spectre par le spectromètre d'amplitude 31 dans la région des amplitudes basses (région des impulsions de bruit, cf. figure Ib) , consiste à effectuer, par un calcul de décroissance du spectre observé, la répartition de la distribution des amplitudes. Étant donné que la décroissance en amplitude du spectre dans cette région dépend de la distribution des amplitudes des signaux de bruit générés par le photomultiplicateur et que la distribution des amplitudes des signaux de bruit dépend également du gain du photomultiplicateur 2, la stabilisation de la décroissance dans cette région permet de stabiliser le gain du photomultiplicateur. Après l'analyse du spectre dans la région des basses amplitudes, le spectromètre 31 envoie un sixième signal 6s, numérique ou analogique, ayant une tension proportionnelle à la décroissance dans la région de bruit, à l'intégrateur 9. Le reste du circuit fonctionne comme décrit ci-dessus, en référence à la figure 2a. La figure 5 représente un système de contrôle de dérive de gain de photomultiplicateur selon un troisième mode de réalisation de l'invention.

La sortie du scintillateur 1 est reliée à une entrée d'un interrupteur optique de type cellule à effet Kerr 12 dont une sortie est reliée à l'entrée du photomultiplicateur 2. La sortie du photomultiplicateur 2 est reliée à une entrée d'un commutateur 14. Comme déjà mentionné ci-dessus, dans le cas où le signal délivré par le photomultiplicateur est insuffisant, un préamplificateur 4 est placé en série entre la sortie du photomultiplicateur et l'entrée du commutateur. Le commutateur 14 a deux sorties, parmi lesquelles une première sortie est reliée à une entrée d'une chaine de mesure 13 et une seconde sortie est reliée à une entrée d'un filtre 8. Une sortie d'une horloge 15 est reliée, d'une part, à une unité 16 de réglage de haute tension de la cellule Kerr et, d'autre part, à l'entrée de commande du commutateur 14. Le signal d'horloge transmis de l'horloge 15 au commutateur 14 a pour fonction de contrôler la périodicité du lien entre, d'une part, le photomultiplicateur et la chaine de mesure 13 et, d'autre part, le photomultiplicateur et le filtre 8. La sortie de l'unité 16 est reliée à une entrée de commande de la cellule à effet Kerr 12. L'unité 16 fonctionne de manière similaire à l'unité 3 et pilote la cellule à effet Kerr 12 en fonction d'un signal d'horloge provenant de l'horloge 15. Une sortie du filtre 8 est reliée à une première entrée d'un intégrateur 9, dont une deuxième entrée est reliée à une tension de référence 10. L'intégrateur 9 a une sortie reliée au dispositif 3 de réglage de haute tension dont une sortie est reliée à l'entrée de commande du photomultiplicateur 2.

La figure 6 illustre les signaux Is, 15s, 9s, 10s et 6s qui sont indiqués sur la figure 5 (troisième mode de réalisation de l'invention).

En fonctionnement, quand le photomultiplicateur 2 est activé, le scintillateur 1 envoie un signal utile Su à la cellule Kerr 12 qui hache temporellement le signal incident qu'elle reçoit. Ensuite, un premier signal Is comprenant ledit signal utile Su, qui a été temporellement haché, et le signal de bruit Sb en provenance du photomultiplicateur 2, est envoyé du photomultiplicateur 2 au commutateur 14. L'horloge 15 pilote le réglage du commutateur 14 avec un signal 15s constitué d'une suite d'impulsions. Quand une impulsion arrive sur le commutateur 14, un signal 10s composé uniquement des impulsions de bruit Sb qui sont délivrées par le photomultiplicateur 2 est envoyé au filtre 8. Quand aucune impulsion n'est fournie au commutateur 14, le photomultiplicateur et la chaine de mesure 13 sont électriquement reliés l'un à l'autre et un signal 9s comprenant le bruit Sb et le signal utile Su est fourni à la chaine de mesure 13 pour une exploitation standard du signal, connue en soi par l'homme du métier. L'horloge 15 envoie aussi ce signal 15s à l'unité de réglage 16 de la haute tension de la cellule Kerr. Quand une impulsion est délivrée en provenance de l'horloge 15, le système selon l'invention se trouve dans une période de réglage de la haute tension, c'est-à-dire du gain du photomultiplicateur, et l'unité de réglage met la cellule Kerr 16 sous haute tension. Quand l'horloge 15 ne délivre aucune impulsion, aucun réglage n'est effectué, et la chaine de mesure 13 mesure le signal 9s comprenant le signal utile Su et le bruit Sb en provenance du photomultiplicateur. Par contre, quand une impulsion est délivrée, aucun signal n'est fourni à la chaine de mesure 13, et simultanément, le signal 10s comprenant uniquement le bruit Sb du photomultiplicateur 2 est fourni au filtre 8. La période de mesure peut être, par exemple, égale à dix minutes, et la période de réglage peut être, par exemple, égale à une seconde. Par la suite, au-delà du filtre 8, le circuit fonctionne comme décrit ci-dessus en référence à la figure 2a.

La figure 7 montre un intégrateur qui peut être utilisé comme intégrateur 35 ou comme intégrateur 9 dans les exemples de réalisation de l'invention décrits précédemment. L'intégrateur comprend un amplificateur A ayant une entrée inverseuse (-) , une entrée non inverseuse (+) et une sortie. Un condensateur C est placé entre l'entrée inverseuse (-) et la sortie de l'amplificateur. Une résistance R a une première borne et une deuxième borne, la première borne étant reliée à l'entrée inverseuse (-) . Le signal 6s est appliqué sur la deuxième borne de la résistance R et la tension de référence 10 est appliquée sur l'entrée non inverseuse (+) .

La figure 8a montre un exemple de filtre 8 connu en soi par l'homme du métier. Le filtre 8 est connecté à la sortie du second interrupteur 7 selon la configuration illustrée en figure 3. Le filtre 8 comprend une résistance R ayant une première borne et une seconde borne. La première borne de la résistance R est reliée au second interrupteur 7. La seconde borne de la résistance R est par ailleurs reliée à une première borne d'un condensateur C dont la seconde borne est reliée à la masse. Le filtre comprend aussi un amplificateur A ayant une entrée et une sortie. L'entrée de l'amplificateur A est reliée à la seconde borne de la résistance R et à la première borne du condensateur C. La sortie de l'amplificateur est reliée à l'intégrateur 9. Le filtre reçoit le signal 5s et délivre le signal 6s.

La figure 8b montre un exemple de filtre 8 fonctionnant comme un redresseur. Ce filtre comprend une diode D ayant une entrée et une sortie et une résistance R ayant une première borne et une seconde borne. La sortie de la diode D est reliée à la première borne de la résistance R dont la seconde borne est reliée, par ailleurs, à une première borne d'un condensateur C. Le condensateur C a une seconde borne qui est reliée à la masse. La seconde borne de la résistance R et la première borne du condensateur C sont reliées à l'intégrateur 9. Le filtre reçoit le signal 5s et délivre le signal 6s.