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LES TUBES ÉLECTRONIQUES À CATHODE PHOTOÉMISSIVE. INSTRUMENTS DE PHYSIQUE
EXPÉRIMENTALE
G. Pietri
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G. Pietri. LES TUBES ÉLECTRONIQUES À CATHODE PHOTOÉMISSIVE. INSTRUMENTS DE PHYSIQUE EXPÉRIMENTALE. Journal de Physique Colloques, 1973, 34 (C6), pp.C6-67-C6-77.
�10.1051/jphyscol:1973617�. �jpa-00215338�
JOURNAL DE PHYSIQUE Colloque C6, supplément au no 11-12, Totne 34, Novembre-Décembre 1973, page (26-67
LES TUBES ÉLECTRONIQUES A CATHODE PHOTOÉMISSIVE.
INSTRUMENTS DE PHYSIQUE EXPÉRIMENTALE
G . PIETRI
Société LEP, BP 15, 94150 Limeil, France
Résum6. - Les physiciens portent intérêt à la photoémission de deux points de vue extrêmes bien distincts. Les uns voient dans l'émission photoélectrique un objet d'étude en lui-même, les autres, tenant pour acquis ce convertisseur de signaux lumineux en signaux électriques, attachent leur imagination à en tirer le meilleur parti afin d'étudier d'autres domaines de la physique où les phénomènes donnent lieu à une émission de lumière.
Le premier aspect, celui qui prend la photoémission comme objet de recherches a été traité de façon prépondérante au cours de ce colloque. La présente contribution voudrait, par complémen- tarité, exposer les efforts d'ingéniosité et de technicité déployés en Laboratoire puis en production industrielle, pour mettre au point, au profit de diverses branches de la physique, des outils, aussi subtils qu'il est possible, faisant usage de la photoémission.
Astronomie, physique des plasmas, physique des particules élémentaires, radio-chimie, biophy- sique et la très classique optique physique sont au nombre des disciplines qui utilisent des tubes photosensibles et, de ce fait, suscitent, par leurs exigences spécifiques, leurs perfectionnements.
L'exposé qui suit présente, dans un certain nombre de cas typiques, les problèmes qui se posent et les solutions que l'ingénieur en tubes électroniques, en association avec le physicien, s'efforce d'y apporter.
Abstract. - Physicists are interested in photoemission from two opposite points of view.
For someones photoemission is a subject of research as such, for others, vacuum tubes fitted with a photocathode are tools for studies in any fields of physics where emission of light takes place.
It has been widely dealt with the first point of view al1 over the present symposium.
The present contribution would like to eniphasize on the amount of efforts in research, develop- ment and industrial technology involved in the design and production of such refined pieces of equipments for various branches of experimental physics as PM, image converters, image inten- sifiers, pick up tubes, shutter tubes, etc.
Astronomy, plasma physics, nuclear physics, radio-chemistry, biophysics as well as classical optics are among the potential users of these sophisticated phototubes.
1. Introduction. - Au cours de ce Colloque d e Photoélectricité organisé dans le cadre de la célébra- tion d u Centenaire de notre Société de Physique, il est naturel que l'accent ait été mis sur le caractère fondamental et sur la phénoménologie de l'interaction entre les photons et la matière, interaction aboutis- sant à l'expulsion dans le vide d'un électron baptisé photoélectron. Si l'étude des phénomènes mis en cause est indiscutablement d u ressort d u physicien, cela n e doit pas, pour autant, nous faire perdre de vue que d'autres scientifiques concernés par d'autres aspects d e la Physique o n t trouvé, dans les applica- tions pratiques d u phénomène d e photoémission, un remarquable outil de recherche et de mesure. Lorsque je dis d'autres, cela n'est à prendre que dans un esprit d e classification logique car chacun d'entrenous pour- rait citer bien des noms de chercheurs pour qui la photoélectricité a été simultanément o u successive- ment objet d'investigation en soi et outil adapté à d'autres investigations.
La découverte, l'interprétation, les premières appli- cations de la photoémission dans le vide, ou plutôt
dans les gaz résiduels d'une ampoule, si bien vidée fut-elle, furent essentiellement le fait d'hommes d e laboratoire, plus particulièrement d'universitaires d o n t les travaux jettent un pont entre le XIX' siècle finissant et le début du xxe. Par contre, le perfectionnement des tubes photoélectriques ainsi créés, la diversification de leurs types, l'amélioration considérable de leurs performances, ainsi, bien entendu, que leur mise en production de série, fut l'affaire d'ingénieurs, au sein d e l'industrie des tubes électroniques. Cette industrie qui naquit avec la première guerre mondiale, atteignit, o n le sait, sa maturité technologique au cours de la seconde conflagration, pour passer par son maxi- mum d'expansion au lendemain de cette dernière, vers le milieu d u siècle. La diversification et les per- fectionnements des tubes photoélectriques, qui se classent parmi les plus délicats des tubes à vide, suivirent à peu près la même chronologie, avec toute- fois Iin certain retard justifié par la plus grande difficulté à maîtriser les problèmes qu'ils posent. Ayant accédé plus tard à la phase industrielle, ils constituent aujourd'hui, avec les tubes récepteurs d'images de
Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphyscol:1973617
C6-68 G. PIETRI télévision, l'un des domaines de forte vitalité de I'in- dustrie des tubes à vide face à l'assaut des coniposants solides qui ont hâte de les supplanter. Pour affronter victorieusenient les dispositifs serni-conducteurs, fruits industriels récents de la physiqiie du solide, les tubes faisant application de la photoémission dans le vide ont besoin d'un concours de même ampleur de la physique fondamentale afin de maîtriser les phéno- mènes de base mis en jeu. C'est là une justification supplémentaire, s'il en était besoin, à ce que ces jour- nées de Vittel 1973 de la Société Française de Physique leur consacre iin intérêt niérité.
2. Quelques propriétés caractéristiques des photo- cathodes. - Pour rester dans le cadre du colloque de spécialité où se situe la présente contribution, je vous propose d'approcher les diverses applications, scien- tifiques et industrielles, des tubes photoélectriques à partir des propriétés de la couche photoémissive qui en constitue l'organe vital. Passons-les brièvement en revue.
2 . 1 LA LINÉARITÉ. - La première qualité reconnue au phénomène de photoémission est la linéarité du courant émis vis-à-vis du flux lumineux reçu. Expé- rimentalement une dynamique de IO4 sans écart à la linéarité a pii être mise en évidence, ce qui est plus que suffisant, dans un tube donné, pour couvrir son domaine d'emploi, qu'il s'agisse de prise de vue d'images ou de mesures photométriques. Plus encore que la dynamique, la constante du facteur de propor- tionalité, pour une longueur d'onde donnée ou une composition spectrale spécifiée, est une propriété essentielle en métrologie. Cette linéarité que la théorie explique n'a jamais été, expérimentalement, mise en défaut, à condition, bien entendu, que des facteurs autres que la photoémission, ne viennent pas la détériorer. On rencontre ici un premier cas d'interac- tion entre une propriété physique de base à exploiter et les conditions de son emploi, lesquelles sont du ressort de I'ingénieur en tube. Je m'explique : des considérations théoriques établissent que le phéno- mène d'émission photoélectrique est linéaire vis- à-vis du flux ; mais cela ne suffit pas, pour autant, à faire qu'une cellule conçue sans soins particuliers soit un dispositif linéaire. Un champ électrique extrac- teur de valeur suffisante doit exister à la surface de la cathode et ce en dépit de la charge d'espace qui apparaît à densité élevée de courant ; la géométrie du collec- teur doit interdire aux électrons d'aboutir ailleurs qu'à l'anode, par exemple s'opposer à un bombarde- ment de l'ampoule ou des entretoises isolantes ; l'électrode qui supporte matériellement la photoca- thode doit être assez électriquement conductrice pour rembourser les charges émises dans le vide par photo- émission, aussi vite que celles-ci quittent la cathode faute de quoi u n potentiel retardateur naîtrait en surface de cathode. Ceci est particulièrement impor- tant dans le cas, très fréquent, des photocathodes
semi-transparentes, c'est-à-dire ainsi conçues qu'elles reçoivent le flux lumineux par une face et émettent les pliotoélectrons par l'autre. Dans une telle configu- ration, le support de cathode doit être aussi transpa- rent que possible à la lumière à détecter, or un inaté- riau transparent, au moins dans le visible, est rarement un bon conducteur électrique. A la lueur de ce pre- mier exemple, je crois que la part qui incombe à I'in- génieur face au phénomène de base à exploiter, est mise en évidence.
2 . 2 L ' I N S T A N T A N É I T ~ . - Une autre propriété essen- tielle de la photoémission, mise à contribution dans un grand nombre d'applications, est son instantanéité.
L'émission des photoélectrons suit l'excitation lumi- neuse sans retard aucun jusqu'à des constantes de temps de 1 0 - ' 5 à coup sûr, de 10-l4 s peut-être.
Nous touchons là, à un exemple concret d'intersection entre les domaines de la photoélectricité outil de travail et de la pliotoélectricité objet de recherche fondamentale.
'11 est primordial, pour la satisfaction de l'esprit autant qüe pour fixer les limites pratiques des appli- cations, de disposer d'une théorie de l'émission photo- électrique qui permette d'estimer l'ordre de grandeur du délai séparant I'excitation d'une photocathode de sa réponse.
Pour l'ingénieur, il suffit, par contre, une limite supérieure étant fixée, de la connaître pour savoir s'il lui est aisé ou difficile de l'approcher. Les 30 der- nières années ont vu les progrès de la ballistique élec- tronique, grignoter, petit à petit, les microsecondes puis les nanosecondes pour atteindre maintenant les picosecondes. Nous sommes donc, très précisément dans les années 70, arrivés au moment où les ingénieurs vont peut-être pouvoir aider les physiciens à mesurer expérimentalement les retards à la photoémission en attendant de leur pousser l'épée dans les reins pour qu'ils se penchent sur l'étude des paramètres qui régissent ce phénomène. En effet, jusqu'à présent, tout se passait comme si ce temps de réponse était nul à l'échelle de ce qui était mesurable. Dans un avenir prévisible, il pourrait cesser d'en être ainsi.
2 . 3 LE DOMAINE SPECTRAL. - Autre caractéris- tique d'une couche photoémissive, sa réponse spec- trale est une donnée familière aux auditeurs et elle a fait l'objet d'études approfondies de technologie.
C'est ici, de nos jours encore, le domaine de I'empi- risme trop rarement soutenu par la théorie mais combien efficace puisque de l'ultraviolet lointain jus- qu'à l'infrarouge proche le doigté, le dosage, les recettes de fabrication, ont permis de mettre au point des dizaines de compositions adaptées aux besoins de diverses applications. Pour être juste, il faut reconnaître que depuis, à peine, cinq ans, on voit s'imposer avec force une tendance au rationalisme en vue de prédé- terminer la sensibilité spectrale des photoémetteurs par des considérations ressortissant à la physique du
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solide et il faut proclamer que les résultats semblent prometteurs bien qu'ils n'aient pas encore, à vrai dire, atteint le stade de la production industrielle. La figure 1 montre la très grande variété des réponses spectrales disponibles en production industrielle.
Lorsqu'on parle de réponse spectrale d'un tube photoélectrique, il faut à nouveau mettre l'accent sur l'interaction entre la physique et la technologie.
En effet, savoir créer dans une enceinte de laboratoire ilne couche sensible dans tel doniaine spectral inté- ressant n'est pas suffisant, i l faut pouvoir en transposer le processus d'activation dans une unité de tube à vide utilisable et reproductible. C'est tout le problème de l'industrialisation. Outre les impératifs de coinpta- bilité avec les autres éléiiients constituant le tube (couches à multiplication secondaire, écrans luini- nescents, etc.), il faut, pour « éclairer » cette cathode disposer de fenêtres dont le domaine de transparence englobe le domaine de sensibilité spectrale de la couche.
Dans le cas de l'infrarouge et, plus encore, de I'ultra- violet, le problème de la sélection du matériau adéquat se complique de la maîtrise de la technique de son scellement étanche aux autres parties de l'enceinte à vide.
C'est ainsi que les technologues en tubes et en maté- riaux furent conduits à mettre au point toute une
panoplie de scellements étanches sur silicium, silice, corindon, périclase, fluorures de lithium, de magné- sium, de calcium, sulfure ou séléniure de zinc, ...
2 . 4 LES VITESSES INITIALES ET LE COURANT D'OB-
SCURITÉ. - Le courant émis dans l'obscurité, c'est- à-dire en absence de signal utile, par les photocathodes ainsi que la répartition énergétique des photoélec- trons de signal ou d'obscurité sont deux facteurs limi- tatifs de performances que l'ingénieur en tubes photo- électriques rencontre à toutes les étapes de son travail de mise au point et de fabrication. Ces deux propriétés des couches photoémissives sont d'ailleurs liées plus ou moins étroitement à la sensibilité spectrale.
L'étalement du spectre des vitesses initiales animant les photoélectrons à leur sortie de la cathode limite l'acuité de leur focalisation dans l'espace comme dans le temps, c'est-à-dire la qualité de piqué des iniages d'une part, la fidélité de rendu des phénomènes à évolution rapide d'autre part.
Le courant d'obscurité, pour sa part, contribue à limiter le rapport signal à bruit que l'on peut attendre d'un tel tube. A vrai dire, dans un tube donné ce signal de sortie en absence de signal d'entrée, donc parasite, n'est pas uniquement imputable à la couche photoélectrique, les facteurs qui y contribuent sont
courbes de réponses spectrales des principales photocathodes
FIG. 1. - Réponses spectrales de diverses couches photoémissives disponibles en production industrielle.
multiples et le poids relatif de chacun d'eux varie grandement selon le dessin du tube et les conditions d'emploi. Les divers phénomènes mis en jeu sont, le plus souvent, imparfaitement connus et maîtrisés.
Mais dans le cadre qui est le nôtre aujourd'hui, nous nous liiniterons volontairement à la contribution de la photocathode. De plus ce terme, dans le courant d'obsc~irité, est le plus aisé à analyser, c'est aussi un effet fondamental qu'on ne peut espérer que réduire et non supprimer et qui resterait l'ultime constituant quand bien même tous les autres, à force d'ingéniosités technologiques, auraient pu être rendus négligeables ou éliminés.
3. La famille des tubes photoélectriques. - A présent que nous avons bien en tête les propriétés caractérisant une couche photoémissive, tant du point de vue du physicien expérimentateur qui cherche à en faire application a ses recherches que du point de vue de I'ingénieur a qui incombe la responsabilité de dessiner un tube photoélectrique autour de cette cathode, nous sommes armés pour passer en revue la famille des phototubes.
Un tel dispositif commence nécessairement par une cathode photoémissive et s'achève par un collecteur d'électrons au niveau duquel apparaît le signal de sortie.
Selon la constitution physique et les caractéris- tiques géométriques de la photocathode, selon le type de collecte~ir qui lui est associé, selon la nature des électrodes éventuellement introduites entre cathode et collecteur, les variantes sont nombreuses et peuvent s'adapter, au gré du concepteur, à des tâches très diverses. A ce niveau, le dialogue est essentiel entre l'ingénieur responsable du projet de tube et I'utilisa- teur qui, seul, peut définir les caractéristiques du signal optique à saisir (domaine spectral, niveau énergétique, résolutions spatiale et temporelle désirées) ainsi que la forme sous laquelle il souhaite obtenir le signal de sortie qu'il aura à traiter.
Sous sa forme la plus simple et la première chrono- logiquen~ent apparue, le tube photoélectrique est constitué d'une cathode et d'une anode collectrice placées face à face dans une ampoule vidée.
C'est la celllile photoélectrique de J. Elster et H. Geitel qui vit le jour en 1890 comme curiosité de cabinet de physique, pour donner naissance vers 1912 entre les mains de ses créateurs aux premiers instruments de photométrie réellement utilisables.
En 1920, Slepian aux USA imagine d'introduire entre la cathode et le collecteur un certain nombre d'étages multiplicateurs à émission secondaire. Il a inventé le photomultiplicateur qui ne sortira réelle- ment qu'en 1936 des laboratoires RCA où le groupe de V. K. Zworykin l'a mis au point.
Cellule et PM ont en commun de ne pouvoir mesurer qu'un flux lumineux global tombant sur leur cathode en le transformant en un signal électrique proportionnel. En passant de la simple cellule au PM,
le facteur de proportionalité est multiplié par une puissance de 10 qui peut atteindre aisément 5 à 8, plus encore dans certains cas.
Une information plus riche que le niveau global d'éclairement du plan image formé sur la cathode consiste à connaître, point par point, la valeur de cet éclairement, c'est-à-dire à savoir analyser l'image dans sa structure.
Une optique électronique appropriée s'est révélée apte à extraire d'une cathode photoémissive une telle information.
Pour tirer partie de cette analyse, il faut pouvoir, en fin compte, reconstituer l'image projetée sur la cathode. Si cette reconstitution se fait par un système du genre télévision, c'est-à-dire séquentiellement dans le temps, lin point après l'autre, le tube photoélec- trique est du genre tube de prise de vue souvent appelé analyseur d'images : dissecteur, iconoscope, orthicon et dérivés.
Si cette reconstitution se fait au contraire en simul- tané, on a affaire à ce qu'on désigne du terme général de tube à image dont il existe une grande variété.
Leur caractère commun est de conjuguer point par point les éléments de la cathode d'entrée à leurs homologues de la surface collectrice, le transfert de signal se faisant simultanément pour tous ces points.
Le collecte~~r est en général un écran cathodolumi- nescent qui, sous l'impact des photoélectrons foca- lisés et accélérés, émet de la lumière visible. Ce peut être aussi une émulsion électronographique directe- ment noircie par I'impact des photoélectrons accé- lérés.
3.1 DIODES ET PM. -- Les photomultiplicateurs constituent sans doute depuis deux décennies, la famille la plus variée dans ses types et la plus répandue, tant dans les laboratoires de recherche que dans les équipements industriels.
La figure 2, donne une idée de la variété de dimen- sions dans lesquelles ces tubes sont réalisés. Disons simplement que les plus petits diamètres, hors tout, descendent à 12 mm et qu'à l'autre extrémité on trouve des tubes de 300 min de diamètre utile, ces valeurs s'appliquant toujours à des types produits en série industrielle.
Imaginé comme l'association intime dans la même enceinte à vide d'une photocathode et d'un amplifi- cateur de courant excellent du point de vue du bruit de fluctuation associé à son gain, le PM restera tout d'abord ce qu'était la cellule d'alors, essentiellement un détecteur photométrique de laboratoire. Le passage à la phase industrielle fut associé à l'explosion du cinéma parlant à piste optiquement lue. Depuis cellules à vide et PM ont été expulsés de ce fief par des concurrents mieux adaptés ; mais entre temps le PM se vit offrir par les physiciens de l'atome, dans l'immédiate après guerre, la deuxième grande chance de sa brillante carrière.
Notons en passant que le PM est un des rares
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FIG. 2. - Famille de photom~iltiplicateurs.
contre-exemples à une loi, rarenient prise en défaut, qui veut que de rapides progrès technologiques dans les domaines de pointes accompagnent les confla- grations entre grandes puissances industrielles. Vrai- ment de 1939 à 1945 aucun belligérant ne trouva d'intérêt à utiliser, donc à perfectionner, cet instru- ment !
Par contre dès 1945, Curran et Baker redécouvrent le Spristhariscope avec lequel Crookes, quarante ans plus tôt observait, sous inicroscope, les impacts lumineux résultant du bombardement d'un écran de ZnS par des particules cr. Ils le rénovent en substi- tuant à I'œil de l'observateur un PM. De la sorte, ils n'accroissent pas tellement la sensibilité, contraire- ment à ce qu'on pourrait croire, mais bien la vitesse de comptage. En effet, les P M d'alors et leur électro- nique associée, si imparfaits qu'ils fussent, pouvaient suivre et enregistrer quelques milliers de coups par seconde alors qu'un observateur, même aguéri, est submergé au-delà d'un coup par seconde environ.
Dès lors c'est l'escalade des expérimentateurs ingé- nieux. En 1947 Broser et Kallniann imaginent les scintillateurs organiques en observant au moyen d'un P M la luminescence des traces de P et de y dans un cristal d'anthracène ou de naplitalène. L'année sui- vante Hofstadter met au point, nouvelle révolution, le Na1 activé au tlialliuin dont le règne dure encore un quart de siècle plus tard.
La brièveté des éclairs lunîine~ix ainsi engendrés et le faible rendement de conversioiî des scintillations les rendent inobservables à I'œil nu, bien sûr, mais aussi à tout autre type de détecteur que le P M dont I'inter- vention fut, par conséquent, essentielle dans la pro- motion de ces méthodes d'expérimentation. Depuis la gamme de scintillateurs n'a fait que s'étendre,
englobant, après les cristaux ioniques et organiques, les plastiques, les liqiiides et même les gaz. Bref le PM a pernlis l'apparition ciir conipteur à scintillations ; mais, en retour, i l a connu, grâce aux possibilités exceptionnelles de cet instrument en détection des particules, une carrière iti(1itstrielle retnarquable.
Bien entendu, une fois le produit industrialisé, bien d'autres expérimentateurs s'en emparèrent, lui ouvrant des domaines d'applications où son emploi est soit avantageux, soit détenizinant mais qui ne pouvaient, à eux seuls, fournir un marché suffisant pour justifier I'industrialisation de la production avec ses conséquences habituelles : reproductibilité des caractéristiques et abaissenient de prix qui, à leur tour, permettent l'extension du domaine d'emploi.
Aujourd'hui le PM intervient en photométrie, tant dans les montages de laboratoire que dans les équipe- nients industriels d'analyse spectrophotométrique à grand débit d'échantillons ; il intervient aussi en astronomie tant basé au sol que sur sondes spatiales ou satellites. Associé au laser, i l permet une télémétrie précise et instantanée, soit au sol sur de courtes distances, soit en applications spatiales : géodésie par satellites et sélénographie par exemple.
En résumé, c'est un détecteur d'usage pratique par- tout o ù une mesure de flux lumineux est en jeu, que l'on s'intéresse à sa composition spectrale ou à son évolution au cours du temps. II devient i~zdispensable lorsqu'on veut étendre le domaine de mesure jusqu'à des signaux si faibles que les photons arrivent indivi- duellement à l'entrée de l'appareil de mesure. Ainsi un P M bien conçu et bien réalisé permet de compter un à un les photoélectrons émis par sa cathode.
Astronomie et métrologie optique sont les disciplines les plus intéressées par ce mode de fonctionnement, mis à part la physique des particules élémentaires dont le cas, historique, a été évoqué au début de cette rétrospective.
Un dernier mot, avant de quitter les PM, pour dire que la simple cellule dont ils sont le prolongenlent, n'a pas totalement disparu devant eux. L'apparition des lasers, sources de luminance intense, de faible divergence et susceptible de modulation ultrarapide, leur a redonné vie cornme détecteurs. La figure 3 montre une diode à vide dont les dimensions sont calculées pour l u i permettre de transmettre, sans déformation, des impulsions de 60 picosecondes de front de montée ou encore de suivre sans atténuation ni distorsions une lumière modulée à 5 GHz, perfor- inances dont un PM serait difficilement capable vu les diverses causes de dispersions de trajectoires élec- troniques dont i l est le siège.
Dans une telle diode, la cathode et le collecteur sont deux plans parallèles distants de moins de I mm, ce qui donne une idée des difficultés techniques à surinonter en cours de fabrication.
3 . 2 T u r i r < s IIE PRISE DE VUE. - La génération actuelle de tubes de prise de vue de télévision, tant industrielle
FIG. 5. - Première réalisation d'Iconoscope (1935 environ).
FIG. 3. - Diode T V H R 06 : front de montée 70 ps, bande est un assez beau tour de force technologique S L I ~ ~ O U ~ passante 5 GHz. si on se replace i~ 40 ans d'aujourd'hui.
L'iconoscope fut perfectionné quelques années plus que de studio n'est plus bazée sur la pliotoéinissioii
mais plutôt sur la photoconduction des solides. II n'en reste pas moins que certains équipements spé- ciaux font toujours appel à des tubes à cathodes photoémissives et qu'historiquement les premiers tubes électroniques analyseurs d'image furent basés sur la photoémission.
Dans l'iconoscope (Fig. 4 et 5) créé par V. IC. Zwo- rykin en 1933, la photocathode est mosaïquée en îlots électriquement isolés les uns des autres ainsi que de la plaque signal qui les supporte. Chacun se charge donc positivement à proportion de son éclai- rement. Un pinceau électronique, issu d'un canon latéralement situé, les balaye selon le standard télé- vision et restitue à chaque îlot la quantité d'électrons qu'il a perdu par photoémission pendant le temps séparant deux balayages consécutifs (1125 s en géné- ral), créant ainsi le signal TV correspondant au point considéré.
La coexistence, dans une même ampoule à vide du canon de balayage et de la photocathode mosaïquée
'rl,,. lrt3,,#>.v#!,,,. (svl!r!l~:,lir l>i:,gr:,,,!).
FIG. 4 (*). - Schéma de principe du tube de prise de vue de télévision « Iconoscope ».
( * ) « Photoelectricity and Applicatioris » de V . Zworykin.
tard, par H. Tams et G. A. Morton (Fig. 6) en substi- tiiant à la mosaïque photoé~iiissive une mosaïque d'émetteurs secondaires, tirant ainsi bénéfice d'une amplification du signal par le facteur d'émission secon- daire. La photocathode cette fois est continue et non plus inosaïquée, de plus elle est semi-transparente et une optique électronique permet le transfert point par point de l'image électronique apparaissant sur cette cathode vers la mosaïque à émission secondaire.
FIG. 6 (*). - Schéma de principe du tube de prise de vue de télévision « Super-iconoscope ».
volts
Electron lens
I \ 1 \
Ce tube perfectionné fut appelé image iconoscope pour rappeler la présence d'une section image élec- tronique en amont de la cible ou encore super-icono- scope puisqu'il était supérieur en sensibilité à son prédécesseur.
Signal lead
En même temps qu'il perfectionnait l'iconoscope, Iams créait, avec A. Rose, I'ortlzo-iconoscope (Fig. 7) abrégé en orthicon, dénomination venant de ce que le canon de balayage TV est désormais ourl~ogonal à la photocathode et non plus incliné par rapport à son plan, détail important en ce qui concerne la qualité des images mais sans lien direct avec notre sujet.
Par une démarche équivalente a celle qui conduisit de I'ico, au superico, l'ortllicon engendra au lendemain de la guerre le srrpcr-ortllicon ou i177agc. ortllicon (Fig. 8 et 9) qui, comme vous l'imaginez aisément,
\
:,;j /Photocathode
Mosaic
LES TUBES ÉLECTRONIQUES A CATHODE PHOTOEMISSIVE CG-73
FIG. 7. - Famille de tubes de prise de vue de télévision « Ico- noscope )) et cc Orthicon ».
Secondaiy Deceieia: iic i n g (:?,O) --,
Secondary eieclioiii ) FOCU:~~G C C i-, / G e i e c l ~ o n yajc. ! / ciec,rons
1 1 1
Calhode /
~ . . -
l r : - , . -
\ -- ---?
3-+ , : : y-Scannii,? bearn
FIG. 8 (*). - Schéma de principe du tube de prise de vue de télévision (c Image orthicon ».
plus simples basés, comme nous l'avons dit, sur l'effet photoélectrique interne aux solides et non plus la pliotoéinission. Toutefois ces derniers venus peuvent être, au passage, annexés à notre revue car le chemi- nenient qui de I'icn riièiie au sirj~erico et de l'ortl~icort au slipcror.tliico~r conduisit divers constructeurs à placer une section image devant ces nouveaux ana- lyseurs pour en tirer des tubes fonctionnant à basse liiininance, dans des applications particulières telle qu'observation discrète de jour ou de nuit.
3 . 3 TUBES A IMAGES. - NOUS venons de voir qu'à divers types d'analyseurs pour images TV fut associée une variante améliorée en sensibilité par adjonction d'une section image à l'entrée. Cette section qui peut être utilisée séparément constitue par elle-même une entité connue sous le nom d'amplificateur de lumi- nance ou de convertisseur d'image selon que la fonc- tion préférentiellement recherchée est l'intensification de lumière ou la transposition, dans le spectre des longueurs d'onde, de l'invisible vers le visible.
Disons d'abord quelques mots de ce second aspect.
L'invisible ce peut être l'infrarouge ou au contraire l'ultraviolet.
Du côté de I'infrarouge, l'art de la guerre a forte- ment encouragé, dès les années 40 et jusqu'à nos jours, la conceptiorl et le développement industriel de tubes de faible encombrement susceptibles de fournir des images directement observables à partir d'un paysage éclairé par un projecteur d'infrarouge proche, non décelable par qui n'est pas équipé à cette fin.
FIG. 9. - Tube c( image Oitliicon )) pour caméra de si~idio de télévision (années 60).
comporte, eii avant de la cible balayée par lc canon, une section à trlinsfert de l'image électronique, pro- venant d'une photocathode semi-transparente déposée en extrémité du tube. Signalons aussi que l'image orthicon incorpore un multiplicateur B électrons secon- daires du courant de faisceau d'analyse. Ce clief- d'œuvre de con~plexité teclinologique a assuré les beaux jours de la télévision commerciale aux USA puis dans le monde entier, de I'apiès-guerre jiisq~i'ai~x années 60 oii la relève fut pi-ice par des tubcs beaiicoup
FIG. 10. - Tube iiitensificateiir d'images à focalisation élec- 11-ostatiq~ie ct dkgrandissenient poiir vision à bas niveau.
Un tel tube (Fig. I l ) comprend une optique élec- tronique électrostatique alimentée sous 12 à 16 kV qui focalise sur un écran cathodoluminescent, l'image issue d'une photocathode seini-transparente, le plus coureiiiinent du type S I , dont le n~aximuin de senri- bilité se situe vers 900 nm et le seuil vers 1 100 nrn.
Ces tubes, peu encoinbrants, robustes, de faible coii$ommatic;n, sont ~iisceptibles d'excellente réso- lution. par exeniple 60 ii 80 paires de lignes au rnilli- niètre au centre du chainp. Leur développement iiidus-
Fic. I I . - T ~ i h c convertissc~ir d'images à focalisation élec- trostatique et grandisseinent voisin de I'iinité polir vision dans
l'infrarouge proche.
triel a été poussé à la limite du possible. II n'est pro- bablement pas exagéré d'avancer q~i'il en fiit, en 30 ans, produit des millions.
En principe, LIII tube tout a fait senîblable mais pourvu d ' ~ i n autre genre de cathode permet de voir des images à très bas niveau dans le visible (Fig. 10).
L'observatioiî en ultraviolet s'obtient par LIII simple changement de photocathode. Dans ce dernier domaine
ii la différence du précédent, i l n'existe pas, à vrai dire, de marché mais plutôt des deinaiides rares et dispersées provenant de laboratoires de reclierclies, en Optiq~ie, en Biophysique, en applications spatiales.
Par contre, si sautant les octaves dans le spectre électro-magnétique, nous allons jusqu'aux rayons X, nous trouvons à nouveau un considérable marché commercial, principalement soutenu par les demandes de la radiologie médicale niais également et de p l ~ i s en plus, par la radiologie industrielle pour le contrôle non destructif de toutes choses imaginables : pneu- iiiatiques, conserves en boîtes, moulages plastiq~ies incorporant des prisonniers métalliques et, bien siir, soudures inétalliq~ies.
L'idée du convertisseur pour rayons X n'est pas, non plus, toute récente puisqu'elle remonte, comme celle de l'iconoscope, à 1934, ani:ée de p~iblication des travaux de Holst, de B e r , Teves et Veenenians des laboratoires Philips.
Les convertisseurs d'infrarouge oii d'~11traviolet proche peuvent être physiquement petits, disons d'un diamètre de 3 à 5 cm car ces rayonnements sont susceptibles d'être focalisés par des optiques a len- tilles ou miroirs sur une photocathode de dimensions pré-imposées. Rien de tel avec les rayons X qui ne peuvent donner que des ombres portées, donc de dimensions proches de celles de l'objet à observer.
En conséquence, pour le médical, et pour les grands objets industriels, i l a fallu construire des convertis- seurs à rayons X de grande photocathode (Fig. 12et 13).
Les dimensions usuelles vont de 15 à 30 cm de dia-
FIG. 12. - Schéina de principe d'lin convertisseur de rayons X pour images de radiologie : 1 ) enveloppe dii tube transparente aux rayonnenients X ; 2) écran convertissant les photons X en luniière visible ; 3) couclie photoérnissive sensible à la lumière issue du convertisseiir ; 4) 5) 6) électrodes de l'optique électro- nique permettant, par ajustcnieiit des tensions, une focalisation à grandissenient variable sur l'écran de sortie ; 7) écran catho- doluniinescent sur Icq~iel apparait l'image observée oii photo-
graphiée.
Fic. 13. - Réalisation industrielle d'un convertisseur de radiologie : u ) vii par la face d'entrée sensible aux rayons X ; 6 ) vu par la face de sortie destinée à l'observation ou photo-
graphie.
mètre. Ce facteur mis à part, ces tubes sont, structurel- lement aiialogues aux convertisseurs d'infrarouge : une optique électrostatique accélère sous 15 à 25 kV et focalise sur un écran d'observation l'image électro- nique iss~ie d'une photocathode de grande surface.
LES TUBES ÉLECTRONIQUES A CATHODE PHOTOÉMISSIVE C6-75
Cette photocathode n'est pas directement excitée par les rayons X car le rendenient de conversion ne serait pas satisfaisant. La cathode, à grande efficacité dans le bleu (ce qui est relativeinerit aisé à obtenir de nos jours), voit une iiiiage elle-même provoquée par l'impact des rayons X arrivant sur un convertisseur d'entrée analogue aux écrans fluoroscopiqiies clas- siques. C'est Lin matériau ccmplexe au cein duquel les X engendrent, avec une bonne efficacité, des pho- tons bleus. Ce fut longtemps du sulfure de zinc, cadmium activé à l'argent c'est aujourd'hui de I'io- dure de césiiim activé au tlialliiiin ou au sodium.
Ces quelques données permettront à nouveau d'iina- giner les problèmes technologiques que pore la pré- sence, dans la même enceinte à vide, d'une première couche transformant à l'entrée les X en lumière bleue, d'une seconde transformant cette image bleue en photoélectrons, d'iine troisième émettant à la sortie de la lumière visible, verte ou bleue selon les besoins, sous l'impact de l'image électronique sur elle foca- lisée.
11 doit être bien clair que les convertisseurs d'image brièvement décrits ci-dessus sont aussi des amplifi- cateurs de luminance, surtout dans le cas des conver- tisseurs X qui font subir à l'image une réduction par voie électronique de l'ordre d e I O linéairement puisqiie l'écran X est, nous l'avons dit, très grand par nécessité alors que l'écran d'observation est destiné à être vu par l'œil à travers un oculaire ou bien repris par une caméra de TV en circuit feriné.
Par contre, i l existe toute une classe d'intensifica- teurs sans conversion de longueur d'onde. Ils sont principalement destinés, en recherche appliquée, à l'observation d e phénoinènes faiblement lumineux, soit qu'il s'agisse d e sources à faible luminance : étoiles, biol~iniinescence, ... soit qu'il s'agisse de phé- nomènes fugaces dont on veut prélever une tranche de temps extrêmen~ent étroite. C'est ainsi que de tels tubes obturateiirs (Fig. 14) sont susceptibles d'isoler un instantané d'une fraction de iianoseconde. Il va de soi que même un phénomène très luinineux ne fournit que peu de photons II travers Lin objectif
pendant une durée aussi courte d'ou la recherche d'une intensification énergique (Fig. 15).
Fit. 15. - Tubes obt~irateurs et intensificateurs électroniques incorporant entre cathode et écran une galette de microcanaux.
Ce type de tube mérite notre intérêt ici car il impose à la couche de cathode des exigences sévères quant à la conductibilité électrique si o n veut pouvoir effec- tivement la débloquer totalement en si peu de temps.
II est facile de montrer que les courants instantanés débités peuvent dépasser 100 A.cm-'.
A l'autre extrémité de l'éventail des variantes ima- ginables, je tiens à citer la caméra électronographique du Pr. A. Lallemand (Fig. 16). Cet instrument conçu par un astronome est destiné à de longues poses
h,.l,;iiui dr lu rnriiCin i:lectt.oriirlue de grandissement 1.7
Fic. 16 (**). - Schéma de la caméra électronographique de A. Lallemand.
devant des sources très faibles. Toutefois son but est de pouvoir, en quelques heures, fixer des images que
0 : 0 601
d'autres méthodes ne permettent pas d'obtenir en une nuit.
II fallait donc améliorer l'efficacité de première ELECTRONIC SHUi i t~ i u t l t s
FIG. 14. - Tubes obturateurs électroniq~ies à cc structure ( * * ) << Arli~cit~ces in E1~~ctiotric.s aird Electiotr Plij~si<~.v >>
bi-plan ». vol. 16. 1962.
détection. L'idée de Lallemand, qui date elle aussi de 1935, année au voisinage de laquelle il y a déci- dément une accumulation d'inventions de génie en pliotoélectricité, est de substit~ier à la plaque photo- graphique, jusqu'alors iiniq~iement employée, une photocathode avec les avantages suivants :
- la dynamique est beaucoup plus étendue ;
- la relation courant-éclairement est linéaire et dispense par conséquent de corrections ultérieures de calibration ;
- la photoémission respecte strictement la loi de réciprocité dont l'émulsion photographique s'écarte très vite ;
- enfin, une bonne cathode détecte 30 à 50 pho- tons sur cent alors que 300 photons bleus sont néces- saires pour créer un point visible dans l'émulsion photographique.
FIG. 18. - Evolution du chiffre d'affaires pour les conver- tisseurs d'images destinés à la vision nocturne.
f Chiffre d'affaire cnnuzl zn millions de francs français
FIG. 17. - Evolution du chiffre d'affaires pour l'ensemble des tubes photoémissifs produits industriellement de 1950 à
1980.
Le rendement de détection est donc multiplié par 100 à 150 ... à condition de savoir enregistrer chaque photoélectron individuellement. Ici est le trait de génie car, plutôt qu'un écran, au rendement assez faible, Lallemand revient à l'émulsion de AgBr qui a une faible détectivité photonique mais une détec- tivité de 100 "/,pour des électrons accélérés sous 20 kV ou plus.
4. Conclusions. - Partis de l'amalgame de sodiu~n et potassi~iin enfermé pour la première fois, i l y a pliis de 80 ans par Elster et Geitel dans un tube
FIG. 19.-Evolution du chiffre d'affaires pour les convertisseurs radiologiques (médical + industriel).
scellé, notre tour d'horizon, nécessairement incom- plet, nous a amené à la cariiéi-a de Lallemand qui s'efforce de faire cohabiter une cathode de type moderne aujourd'hui un antinioniure d'alcalins, demain
LES TUBES ÉLECTRONIQUES A CATHODE PHOTOÉMISSIVE
sans doute un conlposé III-V binaire ou ternaire, avec une érnulsion au bromure d'argent. Aux deux extrémités de cette galerie des tubes photoélectriques on retrouve les problèmes physicochimiques associés à l'intense réactivité, donc à la fragilité des surfaces photosensibles dans le visible. On identifie également, au passage, les difficiles problèn~es technologiques posés par l'étanchéité des enceintes à vide, leur déga- zage d'autant plus ardu qu'elles contiennent plus d'électrodes et d'isolants dans leurs structures enfin les exigences de l'optique électronique qui, peu appa- rentes dans les cellules primitives, deviennent déter- minantes dans les tubes imageants dont elles limitent la qualité.
Une analyse plus détaillée de la conception de ces divers tubes montre que le plus souvent la limite théorique de leurs performances découle de leur cathode, qu'il s'agisse de la sensibilité énergétique globale ou spectrale, de la stabilité au cours du temps, de la longévité, de la linéarité ou de la rapidité de réponse, du rapport signal à bruit ou de l'acuité des images.
Ce rôle primordial que joue la couche photoémis- sive vis-à-vis des qualités ultimes des tubes photoélec- triques justifie largement qu'on y ait consacré quelques pages au cours du présent colloque.
A Chiffre d'affaire annuel cn
1 millions d e francs f r a n ~ a i s
I l Tubes de prise d e vue I
f l Tubes photomultiplica;eurs I
FIG. 20. - Evolution du chiffre d'affaires mondial pour les photomultiplicateurs et pour les tubes de prises de vues
à cathode photoémissive.
