Brevet FR2003139A1 — publié le 19691107

i 2003139 La présente invention est relative à un détecteur d'ions du type à scintillation qui utilise une électrode secondaire creuse émettrice . Jusqu'à maintenant ,11 a été construit des détecteurs 5 d'ions du type à scintillation .Dans ces détecteurs de la technique antérieure, le faisceau d'ions bombarde une électrode émettrice secondaire en forme de bouton .Les électrons secondaires émis par l'électrode en forme de bouton, sont recueillis sur un scintillateur afin de les convertir en photons optiques . 10 Les photons sont transmis à travers une partie de fenêtre de l'enceinte sous vide, à uii tube photomultiplicateur .Des détecteurs d'ions du type à scintillation décrits ci-dessus sont décrits dans " Review of Scientific Instruments" ,vol. 37 N°10 , Octobre 1956, pages 1385 à 139° et "Review of Scientific Instru-15 ments", Vol. 31, N°3 ; Mars i960, pages 264 à 267- L'un des problèmes posés par ce type de détecteur de la technique antérieure réside dans le fait que sa construction est relativement complexe en raison de son manque de symétrie axiale. En fonctionnement, les ions positifs pénètrent suivant un axe 20 et sont attirés en travers de l'axe par une électrode cible émet-tKtce d'électrons secondaires, disposée transversalement par rapport à l'axe .Les électrons secondaires émis par la cible sont dirigés en travers de l'axe du faisceau vers un scintillateur et un photomultiplicateur disposés transversalement par rapport à 25 l'axe du faisceau .En conséquence, le détecteur d'ions a une configuration en forme générale de T comportant trois ensembles à bords étanches au vide rrlatlvement coûteux qui sont disposés sur trois côtés .De plus, la concentration.des électrons secondaires sur le scintillateur est relativement p'eu efficace, ce qui ne prô-30 cure pas une sensibilité de détection optimale . En conséquence, la nécessité se fait sentir d'un détecteur d'ions du type à scintillation de forme simplifiée et permettant une meilleure concentration des électrons secondaires . L'invention vise donc à fournir : 35 - un détecteur d'ions de type à scintillation perfectionné; -un tel détecteur comportant une électrode d'émission secondaire munie d'un orifice disposé coaxialement par rapport à la trajectoire du faisceau ionique devant être détecté '.En fonctionnement, les ions devant être détectés sont collec.'cés sur 40 les surfaces internes de l'orifice pour provoquer l'émission d'é- 69 04730 2 2003139 lestrons secondaires.Les électrons secondaires sont extraits et concentrés à l'extrémité aval du trou et sur un sclntillateur-photoiBultipllcateur disposé en alignement axial avec la trajectoire du faisceau ionique et avec l'orifice>de sorte que la géo-ej métrie du détecteur d'ions du type à scintillation est simplifiée; -un tel détecteur dans lequel 1'.orifice de l'électrode émettrice d'électrons secondaires a une forme conique, la petite extrémité de l'orifice étant située en regard et en amont de la trajectoire du faisceau ionique et la grande extrémité de l'ori-fioe étant située en regard d'un scintillateur en forme de plaque, de sorte que la concentration des électrons secondaires émis sur la plaque scintillateur est facilitée et que la sensibilité de détection des ions est améliorée . D'autres caractéristiques et avantages de l'invention appa-15 raîtront au cours de la description suivante, donnée à titre d'exemple et faite en référence aux dessins annexés, sur lesquels: la Flg.l est une coupe longitudinale d'un détecteur d'ions du type à scintillation selon l'invention ; la Fig.2 est une vue en coupe suivant la ligne 2-2 et dans 20 le sens des flèches de la Flg.l ; la Flg.3 est une vue en coupe agrandie de la partie de la Flg.l délimitée par la ligne 3-3. En se référant maintenant aux Figures, Il est représenté un détecteur d'ions 1 du type à scintillation mettanfeoen oeuvre les 25 caractéristiques de l'invention .Le détecteur d'ions comprend un corps tubulaire 2, en acier inoxydable par exemple, comportant à une extrémité 3 un rebord lui permettant d'être scellé de fa*-çon étanche au vide à l'enceinte sous vide d'un dispositif qui délivre un faisceau d'ions 4 dont l'intensité doit être mesurée. 30 L'autre extrémité du corps tubulaire 2 est munie d'un rebord 5 destiné à établir un raccord étanche au vide avec un élément de cadre métallique annulaire 6 d'une fenêtre optiquement transparente 7 circulaire et en forme de plaque, en verre par exemple, qui est scellée en travers de l'extrémité aval, du corps tubu-35 laire 2 et obture ce dernier . Un disque conducteur transversal 8 est disposé en travers de l'extrémité amont du corps 2 du détecteur et comporte une ouverture 9 disposée au centre et par laquelle le faisceau 4 pénètre dans le détecteur l.Une électrode 11 émettrice d'électrons secon-40 daires i, comportant un orifice aiârdirigg axialement, est dis 69 04730 y 2003139 posée sur l'axe de la trajectoire du faisceau 4 entre la cloison 8 d'entrée du faisceau et la fenêtre 7. La surface interne de l'orifice 12 est en un matériau présentant un bon taux d'émission., d'électrons secondaires, en acier inoxydable par exemple . L'é- 5 lectrode d'émission 11 est mise sous un potentiel négatif convenable de moins 0,1 à 10 kV par exemple, par rapport au corps 2 au moyen d'un Isolateur de traversée 13 et d'un conducteur 14. Une couche de scintillateur 15 est disposée sur la face de la plaque de fenêtre 7 en regard de l'électrode 11 émettrice 10 d'électrons secondaires .Les détails de construction du scintillateur 15 et de la fenêtre sont représentés plus complètement à la Fig.3. L'élément de fenêtre est constitué par un disque circulaire ou une plaque 7 en verre sur laquelle est déposée la couche luminescente de scintillateur' 15 d' une épaisseur d'environ 15 10 microns .Un tube photomultiplicateur 17, tel qu'un tube RCA 4717, est disposé en alignement axial avec la trajectoire du faisceau ionique 4, au voisinage de la surface externe de la fenêtre 7. Un adaptateur tubulaire 18 maintient le tube photomultiplicateur 17 contre le corps du détecteur tubulaire 2. La ré-20 partition spectrale de la substance luminescente 15 doit être adaptée à la réponse spectrale du tube photomultiplicateur 17. Une substance luminescente convenable 15 est la substance du type P-4 fabriqué par la Société Sylvania ou la Société RCA.Une couche conductrice l6, mince et sans porosités , eia aluminium 25 par exemple, est déposée par pulvérisation par exemple sur la surface interne de la substance luminescente 15 jusqu'à une épais- Q seur d'environ 2 000 A .La couche d'aluminium 16 doit être exempte de porosités pour former une barrière opaque entre la fente 9 d'entrée du faisceau, la substance luminescente 15 et le tube 30 photomultiplicateur 17 afin d'empêcher les photons lumineux de pénétrer ou d'être engendrés dans la chambre 2.du détecteur d'ions, de traverser la couche 16 et d'atteindre le photomultiplicateur pour produire un bruit ou des courants parasites.La couche d'aluminium 16 sert d'électrode perméable aux électrons et est connec-35 tée au potentiel de la terre ou au potentiel du corps tubulaire 2. Selon une variante, l'électrode l6 peut être portée à un potentiel Indépendant si on le désire . . En fonctionnement, les ions positifs pénétrant par l'ouverture 9 d'entrée du faisceau passent dans l'électrode 11 émettrice 40 d'électrons secondaires , et sont recueillis ,généralement sous 1 ** BAD ORIGINAL 69 04730 4 2003139 incidence oblique, sur les surfaces internes 12, de l'électrode émettrice secondaire .Les électrons secondaires émis par l'émetteur 12 sont concentrés sur la couche conductrice 16 et la couche âe scintillateur 15. Les tensions sont telles que les 5 électrons sont entraînés à travers l'électrode en aluminium très mince et dans la substance luminescente 15.A l'intérieur de la substance luminescente, les électrons de haute énergie sont capturés pour produire des photons optiques P qui traversent la fenêtre optiquement transparente 16, en verre 2 par exemple, et 10 pénètrent dans le tube photomultiplicateur .Dans "le tube photomultiplicateur 17, les photons sont convertis en un courant électronique et un gain substantiel peut être obtenu dans le tube . L'électrode en aluminium l6 sert également à réfléchir les photons à travers la fenêtre 7 qui sont rétro-dlffusés dans le cas 15 de scintillation dans la substance 15, ce qui augmente le rendement suivant lequel les électrons sont convertis en photons utiles, c'est-à-dire en photons qui peuvent être détectés par le tube photomultiplicateur 17. En rendant conique l'orifice 12 de l'électrode secondaire 20 ii, on augmente le taux d'émission des électrons secondaires, du fait que les ions sont collectés plus facilement sur la surface émettrice d'électrons secondaires 12 sous Incidence oblique, ce qui améliore le taux d'émission d'électrons secondaires .De plus, la forme conique du trou 12 facilite la concentration des. 25 électrons émis en un point du scintillateur 15, ce qui réduit le risque que certains électrons s ' échappentjfsans^roduire de photons dans le scintillateur 15. La concentration des électrons sur un point de la substance luminescente 15 réduit la dimension de l'ouverture d'entrée requise du photomumtlplicateur 17, ce 30 qui réduit le courant d'obscurité de sortie non désiré . La symétrie axiale du détecteur facilite sa construction et réduit donc le coût de fabrication . Le détecteur d'ions 1 de l'invention est particulièrement utile pour mesurer le faisceau ionique de sortie d'un spectromètre 35 de masse ou d'une jauge à Ionisation et est particulièrement intéressant pour les spectromètres de masse à concentration électrostatique . Dans ce dernier cas, la configuration fermée de 1'électrode^mettrice d'électrons secondaires permet de recueillir plus facilement des ions ayant des composantes Importantes de 40 vitesse perpendiculaire la trajectoire du faisceau ionique & . 69 04730 5 2003139 Le détecteur d'ions 1 peut également être utilisé avantageusement dans les spectromètres de masse à concentration magnétique mais, dans de tels cas, il est généralement intéressant de prévoir un écran magnétique entourant le détecteur d'ions 1 pour em-5 pêcher le champ magnétique du spectromètre de pénétrer dans les régions de l'électrode 11 émettrice d'électrons secondaires et du tube photomul.tiplicateur 17.Lorsqu'on mesure le courant ionique pour des ions relativement légers, tels que des ions d'hélium, on peut faire varier facilement le gâin du détecteur d'ions 1 en 10 faisant varier le potentiel appliqué à l'électrode 11 émettrice d'électrons seoondaires . Par exemple, le gain peut varier entre "5 ° 10^ et 10^ en faisant varier le potentiel négatif appliqué'à l'électrode d'émission secondaire 11 entre -5Q0V. et.-7,5 kV. L'emploi d'une électrode émettrice d'électrons secondaires 11 en 15 acier inoxydable permet au détecteur d'ions 1 de ne pas être affecté par les gaz superficiels qui ont tendance à se concentrer sur les surfaces de l'électrode en cours d'utilisation .Dans un exemple. 20 Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemple . 69 04730 6 2003139 REVENDICATIONS 1-Détecteur d'ions âu type à scintillation comportant un moyen constituant une électrode émettrice d'électrons secondaires destinée à être bombardée par des ions devant être détectés pour 5 provoquer une émission d'électrons secondaires, un moyen constituant un scintillateur devant être bombardé par les électrons secondaires émis pour produire une émission de pbotons optiques, un moyen constituant une enceinte sous vide contenant l'électrode émettrlaed'électrons secondaires et le scintillateurjum moyen 10 constituant une partie de fenêtre optiquement transparente et étanche au gaz de l'enceinte sous vide pour transmettre les photons optiques à travers la paroi de l'enceinte jusqu'à un détecteur optique,ce détecteur étant caractérisé en ce que l'électrode émettrice d'électrons secondaires comporte un orifice entourant 15 la trajectoire du faisceau ionique les parois del'orifice formant l'émetteur d'électrons secondaires, de sorte que les Ions sont admis dans l'orifice à une extrémité et sont recueillis sûr les surfaces Internes de l'orifice pour produire des électrons secondaires qui sont concentrés par les surfaces internes de l'o-20 riflce sur le scintillateur . 2-Détecteur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'orifice d'électrode d'émission secondaire a une forme conique et est disposé coaxialement par rapport à la trajectoire du faisceau ionique , de sorte que sa petite extrémité est situéë 25 dans la partie amont de la trajectoire du faisceau Ionique . 3-Détecteur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la fenêtre optique est une plaque, le scintillateur étant disposé sur la face Interne de la plaque , le plan de la plaque étant à peu près perpendiculaire à l'axe longitudinal de l'ori- 30 fice, et l'extrémité aval de l'orifice étant disposée en regard de la plaque pour faire sortir les électrons secondaires de l'extrémité aval de l'orifice et les concentrer sur le scintillateur. 4-Détecteur suivant la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comprend un moyen qui constitue un photomultiplicateur dis- 35 posé près de la surface externe de la plaque de fenêtre pour détecter les photons optiques, le moyen photomultiplicateur étant disposé en alignement axial avec l'axe longitudinal de l'orifice. 5-Détecteur suivant la revendication 3, caractérisé en ce que l'orifice est conique, la petite extrémité de l'orifice 40 étant disposée dans la partie amont de la trajectoire des ions . 69 04730 7 2003139 6-Détecteur suivant la revendication 4 , caractérisé en ce que l'orifice est conique, sa petite extrémité étant disposée dans la partie aunont de la trajectoire des ions .