Qu'est-ce qu'un tube photomultiplicateur?
Un tube photomultiplicateur utilise deux principes scientifiques pour amplifier l'effet d'un photon incident unique. Ils sont fabriqués dans de nombreuses configurations différentes de matériaux sensibles à la lumière et d'angles de lumière incidentes afin d'obtenir un gain élevé et une réponse au bruit faible dans leur plage de travail des fréquences ultraviolettes, visibles et proches de l'infrarouge. Développé à l'origine comme une caméra de télévision plus réactive, les tubes photomultiplicateurs se retrouvent maintenant dans de nombreuses applications.
Avec l'invention des semi-conducteurs, les tubes à vide ont été en grande partie éliminés de l'industrie électronique, à l'exception du tube photomultiplicateur. Dans ce dispositif, un seul photon traverse une fenêtre ou une plaque frontale et frappe une photocathode, une électrode constituée d'un matériau photoélectrique. Ce matériau absorbe l'énergie du photon lumineux à des fréquences spécifiques et émet des électrons dans un résultat appelé effet photoélectrique.
Les effets de ces électrons émis sont amplifiés par l'utilisation du principe de l'émission secondaire. Les électrons émis par la photocathode sont focalisés sur la première d'une série de plaques multiplicateurs d'électrons appelées dynodes. À chaque dynode, les électrons entrants provoquent l'émission d'électrons supplémentaires. Un effet de cascade se produit et le photon incident a été amplifié ou détecté. Par conséquent, la base du nom de "photomultiplicateur", le très petit signal d'un photon unique est renforcé au point où il est facilement détectable par le flux de courant provenant du tube photomultiplicateur.
Les réponses spectrales du tube photomultiplicateur sont dues principalement à deux éléments de conception. Le type de fenêtre détermine quels photons peuvent passer dans le périphérique. Le matériau de la photocathode détermine la réponse au photon. D'autres variantes de la conception incluent des fenêtres montées aux extrémités des tubes ou des fenêtres latérales dans lesquelles le flux de photons est renvoyé de la photocathode. Comme le gain ou l'amplification est limité par le processus d'émission secondaire et n'augmente pas avec l'augmentation de la tension d'accélération, des photomultiplicateurs à plusieurs étages ont été développés.
La réponse de la photocathode dépend de la fréquence des photons incidents et non du nombre de photons reçus. Si le nombre de photons augmente, le courant électrique généré augmente, mais la fréquence des électrons émis est constante pour toute combinaison fenêtre-photocathode, résultat qu'Albert Einstein a utilisé comme preuve de la nature particulaire de la lumière.
Le gain d'un tube photomultiplicateur va jusqu'à 100 millions de fois. Cette propriété, ainsi que le signal peu bruyant ou injustifié, rendent ces tubes à vide indispensables pour détecter un très petit nombre de photons. Cette capacité de détection est utile dans l'astronomie, la vision nocturne, l'imagerie médicale et d'autres utilisations. Des versions à semi-conducteurs sont utilisées, mais le photomultiplicateur à tube à vide convient mieux à la détection de photons lumineux non collimatés, ce qui signifie que les rayons lumineux ne parcourent pas de trajets parallèles.
Les photomultiplicateurs ont d'abord été développés en tant que caméras de télévision, ce qui a permis à la télédiffusion de dépasser les prises de vues en studio avec des lumières vives pour des environnements plus naturels ou des reportages sur site. Bien qu'ils aient été remplacés par des dispositifs à couplage de charge (CCD) dans cette application, les tubes photomultiplicateurs sont encore largement spécifiés. Une grande partie des travaux de développement du tube photomultiplicateur ont été réalisés par RCA dans des installations aux États-Unis et dans l'ancienne Union soviétique au cours de la seconde moitié du 20e siècle. Au début du XXIe siècle, la plupart des tubes photomultiplicateurs du monde sont fabriqués par une société japonaise, Hamamatsu Photonics.