Brevet FR2009736A1 — publié le 19700206

La présente invention concerne des.multiplicateurs d'électrons secondaires du type à canal. L'un des buts de l'invention est de fournir un multiplicateur d'électrons secondaires ayant un coefficient de multiplication accru. Un autre but de l'invention est de fournir un multiplicateur d'électrons secondaires amélioré comportant un .élément émetteur d'électrons secondaires sur lequel les électrons secondaires émis à partir de cet élément sont amenés à retomber sous' l'influence d'un champ électrique oblique par rapport à la surface de l'élément émetteur d'électrons secondaires. On décrira ci-après, à titre d'exemples non limitatifs, diverses formes d'exécution de la présente invention, en référence au dessin annexé sur lequel : La figure 1 est un schéma d'un multiplicateur d'électrons secondaires classique du type à canal. La figure 2 est un schéma d'un multiplicateur d'électrons secondaires du type à canal selon l'invention. Les figures 3 et 4 sont ces schémas illustrant le trajet des électrons émis dans le multiplicateur d'électrons secondaires suivant la figure 2. Les figures 5j 6, 7A,7B> 8Aet8B sait cès vues semblables à celle de la figure 2, mais elles représentent d'autres formes d'exécution du multiplicateur d'électrons secondaires suivant l'inven-25 tion. Si on se réfère tout d'abord à la figure 1, -on, y voit un multiplicateur d'électrons secondaires du type à canal classique 10 comprenant essentiellement des plaques II et 12 parallèles l'une à l'autre, lesquelles sont recouvertes, sur leurs surfaces 50 internes, d'une matière émettant des élëctrons secondaires, afin de former respectivement des couches émettrices d'électrons secondaires 13 et 14. Ces couches 13 et 14-présentent des bornes externes 15j 16, 17 et l8 à leurs extrémités. Les bornes 15 et 17 sont connectées au pôle négatif d'une source de tension 19, tandis 35 que les autres bornes 16 et 17 sont connectées au pôle positif de cette source de tension. Ainsi, un champ électrique axial est établi entre les plaques 11 et 12, et ce champ électrique sert à accélérer, dans la direction axiale, les électrons secondaires émi's à partir des couches émettrices d'électrons secondaires 13 •..^40 et 14. 69 17557 2 2009736 Ls fonctionnement du multiplicateur d'électrons secondaires est le suivant : des électrons primaires 20, fournis à partir d'une source d'électrons primaires non représentée, viennent frap-per la couche émettri ce d'électrons secondaires 14 à proximité ^ de la borne externe*17,. en libérant un nombre d'électrons secondaires supérieur à celui des électrons primaires incidents. Les électrons secondaires libérés suivant des trajectoires paraboliques, indiquées en 21, sous l'influence du champ électrique axial, et ils viennent frapper la surface de la couche opposée 2Q 13 émettant des électrons secondaires. Lorsque les électrons secondaires Viennent frapper la couche 13, de nouveaux électrons secondaires, en nombre supérieur à celui des premiers électrons secondaires, sont libérés à partir de la couche 13,et ces nouveaux électrons seccr.nr.ires suivent des trajectoires paraboliques simi-laires 22 pour venir frapper la couche 14 -émettant' des électrons secondaires. Ce processus se répète jusqu'à ce que les électrons secondaires multipliés soient captés par une électrode formant collecteur 23, laquelle est disposée au voisinage de l'extrémité de sortie du multiplicateur d'électrons secondaires 10. Dans un 2q multiplicateur d'électrons secondaires de ce type, la fréquence à laquelle les électrons viennent frapper les couches 13 et 14 émettrices d'électrons secondaires, et par conséquent le coefficient par lequel les électrons sont multipliés, sont proportionnels à la longueur des couches 13 et 14 émettant des électrons se- ocr condaires et inversement proportionnels à l'intervalle entre, ces O - couches. Ainsi, pour pouvoir obtenir un coefficient de multiplication accru, il est nécessaire que les couches 13 et 14 soient rendues plus longues et que l'intervalle entre elles soit réduit. En outre, les plans éauipotentiels perpendiculaires au champ élec-trique établi entre les deux couches 13. et 14 émettant les électrons . secondaires doivent être uniformément perpendiculaires à ces couches. Cependant, l'accroissement de la longueur .des couches à émission secondaire entraînerait un inconvénient en ce qui concerne la compacité du multiplicateur d'électrons secondaires. " Une telle difficulté est éliminée dans le multiplicateur d'électrons secondaires suivant l'invention..Si on se réfère maintenant à la figure 2, on y voit un multiplicateur d'électrons secondaires 24 qui comporte essentiellement une plaque 25 repoussant les électrons et une plaque 2o émettant des électrons se-condaires, cette dernière étant disposée à une certaine distance 3 2009736 de et parallèlement à la plaque 25. La plaque 26 émettant des électrons secondaires comporte une couche 27 à émission secondaire déposée sur un organe support approprié 28. La couche-27 à émission secondaire peut être en une matière quelconque appro-^ priée telle que l'oxyde de magnésium ou le chlorure de potassium, qui présente- un taux élevé d'émission secondaire et une résistance élevée. L'organe support 28 peut être réalisé en verre ou en céramique. Si on le désire, la plaque 26 émettant les électrons secondaires peut être réalisée en totalité en une matière 2Q émettant des électrons secondaires. Des bornes externes 29 et 30 sont connectées à la couche 27 à émission secondaire, aux extrémités opposées de cette • dernière, en vue de lui appliquer une tension d'accélération. Une source de tension 31 est connectée aux bornes externes 29 et 30 de telle façon que la tension d'accélération qui augmente progressivement dans la direction longitudinale, soit appliquée à la couche 27 à émission secondaire. La plaque 25 repoussant les électrons comprend une couche 32 en une matière très résistante, laquelle est déposée sur un organe support 33, sur la face 2q de ce dernier qui est tournée vers la plaque 26 émettant les élec trons secondaires. Il convient de noter que dans ce cas, la couche 32 ne présente pas un pouvoir d'émission secondaire, au contraire de la couche 27. De même, des bornes externes 3^ et 35 sont connec-25 tées à- la couche 32 à résistance élevée, aux extrémités opposées de cette couche, pour lui appliquer une tension. Une source de tension 36 est connectée entre les bornes externes 29 et 34 situées du coté de l'entrée du multiplicateur d'électrons, et une autre source de tension 37 est branchée entre les bornes ex-30 ternes 30 et 35, du noté de la sortie du multiplicateur. Les connexions de - ces sources de tension 36 et 37 aux bornes externes 29, 30, 3^ et 35 sont effectuées de telle manière que les bornes externes 29 et 30 de la plaque 26 émettant des électrons secondaires soient portées à des potentiels plus élevés que les bornes 35 34 et 35 de la plaque 25 repoussant les électrons. Ces sources de tension 36 et 37 peuvent avoir de préférence la même "tension-- de sortie, mais on peut également utiliser des sources ayant"des ten sions de sortie différentes. * Une_ électrode 38 recueillant les électrons secondaires 40 multipliés est disposée à proximité de l'extrémité de sortie de 69 17557 2009736 de la plaque 26 émettant les électrons secondaires. Une source de tension 39 est connectée entre l'électrode 38 et la borne externe 30, afin de maintenir cette électrode 38 à un potentiel positif par rapport à la borne externe 30, si bien que les élec-5 trons secondaires quittant la couche 27 à émission secondaire peuvent être captés pratiquement en totalité par l'électrode 38. Lorsque le multiplicateur d'électrons représenté sur la figure 2 est en fonctionnement, des électrons provenant d'une source d'électrons primaires non représentée viennent frapper jO la couche 27 à émission secondaire, à proximité de l'extrémité d'entrée de cette couche, et ce par des moyens appropriés. * ' 1 ■ Sous 1 impact des électrons primaires, des électrons secondaires, en nombre supérieur à celui des électrons primaires, sont libérés de ladite couche et sont attirés vers cette même couche 27 à émission secondaire sous l'influence du champ électrique établi entre la couche 27 à émission secondaire et la couche 32 à.résistance élevée. De nouveau, les électrons secondaires viennent frapper la surface 27 en libérant des électrons tertiaires qui sont amenés également à venir frapper la couche 27, en provoquant 20 là. libération d'électrons quaternaires. Ce processus se répète à des instants qui dépendant de la longueur de la couche 27 à émission secondaire et des conditions du champ électrique. On décrira maintenant, d'une manière plus détaillée, le comportement des électrons secondaires émis, en se référant 25 aux figures 3 et 4. Sur la figure 3, la résistance 40 représente une résistance fournie par la couche 32, à résistance élevée, de la plaque 25 repoussant les électrons, tandis que la résistance 41 est celle de la couche 27 émettant les électrons secondaires. Ces 20 résistances 40 et 4l sont connectées respectivement entre les bornes externes 34 et 35 et entre les bornes 29 et 30. Avec cet agencement, des tensions croissant progressivement sont appliquées à la couche 32 fortement résistante et à la couche 27 émettant les électrons secondaires, cette dernière étant portée à un poten-tiel supérieur à celui de la première d'une quantité constante, en n'importe quels points opposés le long de l'axe du multiplicateur d'électrons. Il en résulte que sont formés des plans équipo-tentiels inclinés d'un angle constant par rapport à la couche 27 émettant les électrons secondaires, ainsi qu'il est indiciué ^ par les lignes en trait interrompu 42. Les électrons secondaires 69 17557 5 :2009736 émis à partir de la couche 27 à émission secondaire, par suite de l'impact des électrons primaires, ont des" vitesses initiales faibles, si bien qu'ils décrivent des trajèctoires en forme-de cycloïde, indiquées en 43, sous l'influence du champ électrique 5 perpendiculaire aux plans équipotentiels 42 entre les deux plaques 25 et 26. Ces électrons secondaires reviennent ainsi frapper la couche 27 à émission secondaire, en provoquant la libération d'autres électrons secondaires qui sont ensuite amenés à venir frapper la couche 27 pour provoquer la libération d'autres élec-XO trons secondaires, et ainsi de suite. Pour simplifier l'explication du comportement des électrons secondaires libérés à partir de la couche 27 à émission secondaire, on se référera maintenant à la figure 4 qui représente la trajectoire 44 d'un électron secondaire émis à partir de 15 la couche 27 à omission secondaire, suivant la direction verticale, c'est-à-dire perpendiculaire à cette couche, et ce à une vitesse initiale v. Un point P où se trouve l'électron mobile dans le canal du multiplicateur peut être représenté par ses coordonnées, son abscisse étant indiquée sur la couche 27 à émission 20 secondaire en prenant comme origine le point à partir duquel l'électron secondaire a été émis hors de la surface 27. On sait que le potentiel de la couche 27 à émission secondaire va progressivement en croissant avec l'abscisse x. L'angle d'inclinaison des plans équipotentiels 42 par rapport à la couche 27 à émission 25 secondaire est représenté par 9. Une tension d'accélération VD est appliquée aux bornes externes 29 et 3P de la couche 27 à émission secondaire qui a une longueur •£ Le champ électrique d'accélération E et ses composantes x et j sont donnés par les équations ci-dessous : 30 ' ' VD E = - (1) £ sin 9 » — x / 35 v D cos 9 Ey = - * , Si sin 9 40 Ainsi, lé mouvement de l'électron secondaire peut s'exprimer ainsi 69 17557 6 '2009736 x" 1— E " m x y" = - -iL- ( - E ) (5) m * où e est la charge de l'électron et m sa masse. Puisque la vitesse initiale verticale v peut s'exprimer, en électron volt, par 10 l'expression , la trajectoire de l'électron secondaire émis peut s'exprimer de la façon suivante : 15 20 25 x = eVD t2 (6) 2m t e VD t2 1/ 2e 2m /tg e f y =— + \I-~- v.t ..... (7) D'après les équations (6) et (7), le point Q (S, 0) où l'électron secondaire vient frapper la couche 27 à émission secondaire est donné par : 30 q ( 4 -X- . i . tg 2 9,0 ) (8) VD - - Il est bon que la tension d'accélération appliquée à l'électron secondaire mobile qui est sur le point devenir frapper la couche 27 à émission secondaire, tension qui est appelée "tension d'atterrissage V^", soit égale à une tension d'accélération pour laquelle on puisse obtenir un coefficient § maximal, c'est-à-dire le taux d'émission secondaire maximal. Cette condition est remplie lorsque l'on a : \ = VD -f- 55 si l'on transpose l'équation (8) dans l'équation (9)., on obtient la valeur optimale de l'angle 9 comme suit : a—wiiimi 11 tg G = - \ (10) 40 69 17557 7 2009736 La tension d'atterrissage 'qui donne le coefficient $ maximal, est égale à 300 volts dans les conditions normales. Si on-suppose que la tension V est de 5 volts, l'angle optimal d'inclinaison des plans équipotentiels, par rapport à la 5 couche 27 à émission secondaire, est voisin de 75 degrés. Il convient de noter qu'en construisant .le multiplicateur d'électrons de .cette manière, on peut obtenir un coefficient de multiplication accru. Si on se réfère maintenant à la figure 5/ on y voit XO une autre forme d'exécution du multiplicateur d'électrons suivant l'invention. Dans cette variante d'exécution, la plaque 25 repoussant les électrons est inclinée par rapport à la couche 27 à émission secondaire-. Dans cette forme d'exécution, on prévoit, à la place de la source de tension 37 utilisée dans la figure 2, 15 une prise 45 en un point approprié de la source de tension 31, cette prise fournissant des tensions croissant progressivement à la couche 27 à émission secondaire. Pour obtenir un coefficient de multiplication accru, il est essentiel que l'angle d'inclinaison des plans équipotentiels 42, par rapport à la couche 27 à 20 émission secondaire, ait une valeur telle que celle indiquée à propos du multiplicateur d'électrons de la figure 2. Si on se réfère à la figure 6, on y voit une autre variante d'exécution du multiplicateur d'électrons suivant l'invention, qui comprend une plaque 46 repoussant les électrons, 25 différant légèrement, du point de vue construction et disposition, de celles représentées sur les figures 2 et 5. La plaque 46 repoussant les électrons peut être constituée d'un support sur lequel est disposé un revêtement en une matière fortement résistante, ou bien encore d'un élément conducteur tel qu'une j50 plaque métallique. Dans cette forme d'exécution particulière de l'invention, la plaque 46 repoussant les électrons est connectée électriquement, uniquement à son extrémité adjacente à l'extrémité d'entrée du multiplicateur d'électrons, à la borne externe 29 de la couche 27 à émission secondaire, si bien que la plaque 55 46 est au même potentiel en tous ses points. Par ailleurs, la plaque 46 repoussant les électrons forme un certain angle avec la couche 27 à émission secondaire, cet angle étant supérieur à celui illustré sur la figure 5. Puisque, a^nsi qu'il a été décrit précédemment, la plaque 46 repoussant les électrons se trouve ^0 dar.s un plan équipotentiel, les plans équipotenti 1s 42 69 17557 8 2009736 établis entre la couche 27 à émission secondaire et la plaque 46 repoussant les électrons sont parallèles à cette plaque 46 et, pour obtenir le coefficient de multiplication le plus élevé possible, l'angle d'inclinaison 9 de la plaque 46 repoussant 5 les électrons, par rapport à la couche 27 à émission secondaire, doit être voisin de 75 degrés. Les figures 7 A et 7B illustrent une autre variante d'exécution du multiplicateur d'électrons suivant l'invention. La forme d'exécution représentée sur ces figures est essentielle-10 ment la même que celles illustrées sur les figures 2, 5 et 6, sauf en ce que les éléments supportant la couche à émission secondaire et la couche fortement résistante sont réalisés' dans un tube qui est séparé en deux moitiéscfens]e sens longitudinal. Caime on peut mieux le voir sur la figure 7B cui représente la section 15 droite de la structure modifiée, la moitié inférieure du tube 48 est-recouverte intérieurement d'une matière à émission secondaire fortement résistante, afin de former la couche 49 à émission secondaire, tandis que la moitié supérieure 50 du tube 20 est recouverte intérieurement d'une matière fortement résistante afin de former la couche 51 à résistance très élevée. Dans cette forme d'exécution particulière de l'invention, les connexions des sources de tension à cette structure sont effectuées de la même manière que dans le cas de la figure 2, si bien que les 2^ plans équipotentiels 52 sont formés, dans l'espace interne du tube, suivant un certain angle par rapport à la couche 49 à émission secondaire. Ainsi, les électrons secondaires multipliés suivent approximativement les mêmes trajectoires que ceux des figures 2, 5 et 6. Dans ce cas, comme la couche 49 à émission 20 secondaire présente la forme d'une gouttière, un courant d'électrons secondaires qui sont multipliés et déplacés axialement, sont rendus convergents vers le centre,; si bien qu'ils diffusent difficilement dans l'espace externe, à la différence des multiplicateurs d'électrons secondaires à plaques-parallèles représentés 25 sur les figures 2, 5 et 6, dans lesquels les électrons secondaires multipliés sont souvent dispersés dans l'espace externe sous l'influence d'un champ électrique externe. Les figures 8a et 8b représentent une autre variante d'exécution du multiplicateur d'électrons secondaires suivant a0 l'invention. Dans ce cas le multiplicateur comporte un tube 53 recouvert uniformément, sur toute sa surface interne, d'une ma 69 17557 9 2009736 tière émettant des électrons secondaires et fortement résistante, afin de former une couche 54 à émission secondaire. Comme on peut mieux le voir sur la figure 8k qui représente la section axiale de cette forme d'exécution du multiplicateur d'électrons secondai . ' c 5 res, le tube 53 qui porte la couche 54 à émission secondaire est découpé, à ses deux extrémités, de manière à présenter des faces frontales formant un angle constant par rapport à l'axe du tube 53» Ces faces frontales ainsi découpées portent des électrodes respectives qui leur sont fixées, ou bien encore elles sont revê-10 tues d'une matière conductrice afin de former des bornes externes 55 et 56 entre lesquelles est connectée une source de tension 57, avec une polarité telle que la borne externe 56 soit à un potentiel supérieur à celui de la borne externe 55» Avec cette disposition, si la couche 54 à émission secondaire présente 15 une résistivité "uniforme en tous ses points, des plans équipoten- 1 tiels 58 qui sont inclinés suivant un angle constant par rapport à la partie inférieure de la surface 59 émettant les électrons secondaires, sont formés dans l'espace interne du tube 53. L'angle d'inclinaison des plans équipotentiels 58, par rapport 20 à la partie inférieure de la surface 59 à émission secondaire, est égal à l'angle suivant lequel sont découpées les faces frontales du tube 53, et, pour ôbtënir le coefficient de multiplication le plus élevé possible, l'angle de coupe doit avoir une valeur voisine de 75 degrés. Dans un multiplicateur d'électrons 25 secondaires de ce type, les électrons secondaires qui sont émis à partir de la couche 54 à émission secondaire et qui sont multipliés par suite de leurs chocs fréquents.contre la couche 54, ne sont pas soumis à une dispersion pouvant résulter d'un champ électrique externe. En outre, ce multiplicateur d'électrons se-30 condaires présente l'avantage de pouvoir être fabriqué aisément par suite de sa construction simplifiée. Il est bien entendu que les. modes de réalisation qui ont été décrits ci-dessus, en référence au dessin annexé, ont été donnés à titre purement indicatif et nullement limitatif, et 35 que de nombreuses modifications peuvent être apportées sans qu'on s'écarte pour cela du cadre de la présente invention. 17557 10 2009736 REVENDICATIONS ■MMMWnMMMmMH 1° Un multiplicateur d'électrons comprenant une source d'électrons primaires, des moyens pour émettre des électrons secondaires par suite de l'impact des électrons primaires sur ces moyens, des moyens pour établir des plans équipotentiels 5 formant un certain angle avec les moyens émettant des électrons secondaires, afin de provoquer une émission secondaire en cascade à partir des moyens précités, et enfin un dispositif pour recueillir les électrons secondaires quittant les moyens émettant des.électrons secondaires. ' 10 2° Un multiplicateur d'électrons comprenant une source d'électrons primaires, une plaque d'émission d'électrons secondaires allongée, une plaque repoussant les électrons, disposée à une certaine distance de la plaque d'émission des électrons secondaires, des sources de tension connectées à la plaque d'émis-jtj sion des électrons secondaires et à la plaque repoussant les électrons, afin de former entre elles des plans équipotentiels inclinés d'un certain angle par rapport à la plaque d'émission des électrons secondaires, et une électrode formant collecteur, laquelle est maintenue positive par rapport à la plaque d'émis-20 sion des électrons secondaires. 3° Un multiplicateur d'électrons suivant la revendication 2, caractérisé en ce que la plaque d'émission d'électrons secondaires allongée est constituée par un support- portant un revêtement d'une matière émettant des électrons secondaires. 25 4° Un multiplicateur d'électrons suivant la revendi cation 2, caractérisé en ce que la plaique d'émission d'électrons secondaires allongée est une plaque en une matière à émission secondaire et fortement résistante. 5° Un multiplicateur d'électrons suivant la revendi--jo cation 2, caractérisé en ce que la plaque d'émission d'électrons secondaires allongée et la plaque repoussant les électrons sont disposées parallèlement l'une à l'autre. 6° Un multiplicateur d'électrons suivant la revendication 2, caractérisé en ce que la plaque repoussant les élec-25 trons forme un certain angle avec la plaque d'émission des électrons secondaires. 69 17557 ii 2009736 7° Un multiplicateur d'électrons suivant l'une des revendications 3 et 6caractérisé en ce que la plaque repoussant les électrons est maintenue à un potentiel inférieur à celui de la plaque d'émission des électrons secondaires, en n'importe 5 quel point le long de l'axe du multiplicateur d'électrons. 8° Un multiplicateur d'électrons suivant la revendication 6, caractérisé en ce que la plaque d'émission d'électrons secondaires et la plaque repoussant les électrons sont connectées l'une à l'autre à leur extrémité adjacente à l'entrée du multipli jO cateur d'électrons. 9° Un multiplicateur d'électrons suivant la revendication 8, caractérisé en ce que la plaque repoussant les électrons est en matière conductrice. 10° Un multiplicateur d'électrons suivant l'une des -j-5 ' revendications 7 et 8, caractérisé en ce que la plaque repoussant les électrons est recouverte d'une matière fortement résistante, sur sa face qui est tournée vers la plaque d'émission des électrons secondaires. 11° Un multiplicateur d'électrons caractérisé en ce 20 qu'il comprend une source d'électrons primaires, des éléments formant supports adaptés de manière à se présenter sous la forme d'un tube séparé en deux moitiés, une couche émettant des électrons secondaires étant déposée à l'intérieur d'une de ces moitiés, tandis qu'une couche fortement résistante est déposée 25 à l'intérieur de l'autre moitié, des sources de tension connectées à la couche à émission secondaire et à la couche fortement résistante, de manière à former des plans équipotentiels dans 11 espace interne du tube, plans qui sont inclinés suivant un certain angle par rapport à la couche à émission secondaire, 20 et une électrode formant collecteur, laquelle est maintenue positive par rapport à la couche à émission secondaire. 12° Un multiplicateur d'électrons comprenant une source d'électrons primaires, un élément formant support se présentant sous la forme d'un tube qui est recouvert intérieurement d'une matière émettant des électrons secondaires, afin de former une couche à émission secondaire, ce tube étant découpé, à ses deux extrémités, suivant un certain angle par rapport à l'axe du tube, des bornes externes prévues aux ektrémités découpées du tube, une source de tension connectée entre ces bornes exter-^ nés afin de former, dans l'espace interne du tube, des plans 17557 12 2009736 équipotentiels inclinés d'un certain angle par rapport à la couche à émission secondaire, et une électrode formant collecteur, laquelle est maintenue positive par rapport à la couche à 'émission secondaire. 5 13° Un multiplicateur d'électrons suivant l'une des revendications 3, 4, Il et 12, caractérisé en ce que la matière à émission d'électrons secondaires est de l'oxyde de magnésium. 14° Un multiplicateur d'électrons suivant l'une des revendications 3, 4, 11 et 12, caractérisé en ce que la matière 10 à émission d'électrons secondaires est du chlorure de potassium. 15° Un multiplicateur d'électrons suivant l'une des revendications 2, 11 et 12, caractérisé en ce.que l'angle d'inclinaison des plans équipotentiels, par rapport à la couche à émission secondaire, est voisin de 75°.