Brevet FR2097186A1 — publié le 19720303

-1- 2097186 L'invention concerne xin dispositif" de mesure de l'intensité d'un courant électrique. L'invention concerne en particulier un dispositif de mesure de très faibles intensités de courant, à savoir des — 13 5 intensités inférieures à 10 A et moins. Pour la mesure d'intensités aussi faibles, on utilisé généralement ce que l'on appelle un électromètre. Cet instrument a toutefois l'inconvénient d'une faible stabilité du point zéro. Dans le cas où le courant à mesurer est formé par un faisceau de particules chargées, par 10 exemple des électrons dans une enceinte à vide, il est possible aussi d'utiliser un multiplicateur d'électrons. L'inconvénient de cet appareil est que ces dimensions sont trop grandes pour certaines applications, Il en est ainsi par exemple dans un spectromètre de masse, dans lequel les ions constituant un 15 faisceau sont séparés suivant le rapport entre la charge et la masse de ces ions. La distance minimale entre les collecteurs appelés à capter simultanément les ions ayant différents rapports de charge et de masse, est alors fonction des dimensions des multiplicateurs utilisés. 20 Le but de l'invention est d'indiquer un dispositif à l'aide duquel il est possible de mesurer une très faible intensité d'un courant s'écoulant dans un conducteur, la mesure ayant lieu avec une très bonne stabilité du point zéro. Conformément à l'invention, un dispositif permettant 25 la mesure d'un courant électrique comporte une enveloppe à vide contenant une cathode, une électrode de commande ainsi qu'un multiplicateur d'électrons, le courant à mesurer circulant dans un circuit qui est branché avec la cathode et l'électrode de commande. 30 L'invention repose sur l'idée que l'on peut avanta geusement mettre à profit le grand rapport signal/bruit et le facteur d'amplification d'un multiplicateur d'électrons si le courant circulant dans un conducteur peut être converti en un courant d'électrons proportionnel audit courant et se déplaçant 35 dans une enceinte à vide, ces électrons frappant ledit multiplicateur avec line énergie suffisante pour libérer des électrons secondaires. A cet effet, l'invention préconise l'empïri. d'une cathode et d'une électrode de commande, cette dernière étant réalisée par exemple comme grille. L'intensité du courant qui 40 circule dans la diode formée par la cathode et l'électrode de 71- 2432Q -2- 2097186 commande, est déterminée par celle du courant à mesurer qui circule dans un circuit branché en série avec ladite diode. La tension existant aux extrémités de la diode s'ajuste alors automatiquement à la valeur exacte, étant donné qu'une source de 5 courant fournit un courant dont l'intensité est déterminée par cette source, indépendamment de la charge extérieure. On suppose ici que la cathode soit à même de fournir suffisamment d'électrons, ce qui pour certains matériaux de cathode est déjà le cas à la température ambiante, étant donné la faible intensité du 10 courant à mesurer. Une fraction constante du courant fourni par la cathode traverse l'électrode de commande et est fournie à l'appareil assurant la multiplication des électrons. De cette façon, un seul électron déjà est à même de fournir une impulsion distincte à la sortie du multiplicateur d'électrons. 15 De préférence, un dispositif conforme à l'invention est muni d'un circuit de réaction pour augmenter la vitesse de réponse du dispositif, ce circuit de réaction empêchant que le courant à mesurer introduise des variations de charge de la capacité entre la cathode et l'électrode de commande, ces 20 variations de charge étant causées par des variations de l'intensité du courant à mesurer. Pour augmenter la vitesse de réponse, c'est-à-dire la rapidité avec laquelle le dispositif réagit sur des variations de l'intensité du courant à mesurer, ou, comme on le dit parfois, 25 pour élargir la largeur de bande, l'emploi d'une réaction appartient au secteur de la technique connue. Cet aspect de l'invention repose sur l'idée que pour une relation fixe entre la tension et le courant dans la diode formée par la cathode et l'électrode de commande, des variations de l'intensité du courant 30 ont comme conséquence des variations de la tension entre la cathode et l'électrode de commande. Ceci a comme conséquence que le courant dont on doit mesurer l'intensité doit charger la capacité formée entre la cathode et l'électrode de commande. Bien qu'il ne s'agisse que d'une capacité faible, de longues 35 constantes de temps se produisent néanmoins, étant donné que 1' on ne mesure que des courants dé très faible intensité . Une réponse turès rapide peut être obtenue si à l'aide d'un circuit de réaction, on fait en sorte que le courant à mesurer ne doive fournir aucune charge. 40 Un mode de réalisation favorable d'un dispositif 71 24320 2097186 conforme à l'invention est remarquable en ce que la cathode est une cathode photo-électrique et que le circuit de réaction comporte une source de photons, l'intensité du courant de photons étant pratiquement proportionnelle à l'intensité du courant à 5 mesurer. De cette façon, l'émission de la cathode est rendue proportionnelle à l'intensité du courant à mesurer, de sorte que la tension entre la cathode et l'électrode de commande reste constante. Par conséquent, il n'est pas nécessaire de charger ou 10 de décharger la capacité entre la cathode et l'électrode de commande, sauf lors de l'enclenchement du dispositif. Un autre mode de réalisation favorable d'un dispositif conforme à l'invention est remarquable en ce que le dispostif est muni d'une électrode auxiliaire située en regard de la face 15 de cathode située à l'opposé de l'électrode de commande, alors que par rapport à celle-ci, cette électrode auxiliaire reç-èit, de la part du circuit de réaction, une tension qui est quasi logarithmiquement fonction de l'intensité du courant à mesurer. De cette façon, dans la région entre la cathode et 20 l'électrode de commande, la charge de la capacité entre l'électrode auxiliaire et l'électrode de commande institue l'intensité de champ qui est nécessaire pour que la cathode fournisse un courant qui est le courant à mesurer. La charge nécessaire à cet effet est fournie par le circuit de réaction, et non pas par 25 le courant à mesurer, ladite charge pouvant donc être fournie rapidement. L'intensité de champ à établir par le circuit de réaction doit être une fonction logarithmique de l'intensité du courant à mesurer, au égard à la caractéristique logarithmique d'une diode fonctionnant dans la zone de naissance du 30 courant. Encore un autre mode de réalisation favorable d'un dispositif conforme à l'invention est remarquable en ce que par rapport à l'entrée du multiplicateur d'électrons, le circuit de réaction fournit à la cathode une tension qui est quaài lo-35 garithmiquement fonction de l'intensité du courant à mesurer. En principe, cette coneeption est identique à la conception précitée, mais convient spécialement pour la mesure des intensités des courants fournis par des sources dont le pôle dit flottant peut être raccordé à l'électrode de commande. 40 S'il en est ainsi, il faut qu'une électrode auxiliaire se trouve 71 24320 -h- 2097186 à la face de l'électrode de commande, située à l'opposé de la cathode; pour cela, on petit utiliser avantageusement l'entrée du multiplicateur d'électrons. Un dispositif qui, conformément à l'invention, permet 5 la mesure de 1'intensité d'un courant électrique, peut avantageusement comporte!? une enveloppé pratiquement exempte d'air et munie d'une cathode, d'une électrode de commande et d'un multiplicateur d'électrons formé par un certain nombre de dynodes, le courant à mesurer circulant dans un circuit qui est 10 branché en série avec une seule de ces dynodes. De cette façon, avec un tel dispositif, il est également possible de mesurer de plus grandes intensités de courant, l'application du dispositif devenant ainsi plus'générale. Le facteur d'amplification d'un multiplicateur d'électrons dépend 15 notamment du nombre de dynodes actives pour l'amplification du courant à mesurer. Un dispositif très avantageux conformer à l'invention est remarquable en ce qu'il comporte un tube photomuitiplicateur avec un nombre de dynodes parmi lesquelles la première est 20 branchée comme l'électrode de commande. De cette façon, un tube photomultiplicateur déjà connu et choisi judicieusement peut équiper un dispositif conforme à l'invention. La description suivante, en regard des dessins annexé^ 25 le tout donné à titre d'exemple, fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. Les figures 1 à 8 de ces dessins illustrent huit façons différentes dont un dispositif conforme à l'invention peut §tre ralisé. Les constituants correspondants de ces six disposi-30 tifs ont été indiqués par les mêmes repères. Sur la fig. T, l'enveloppe à vide 6 contient une cathode 1, line électrode de commande 2, et un certain nombre de dynodes parmi lesquelles on n'a représenté que les dynodes 3, 4, 5, 7» 8 et 9» Ladite enveloppe 6 contient également une anode 35 10. Les électrodes précitées reçoivent leur tension de la part d'une source de tension 11 et d'un diviseur de tension 12. Les électrons émis par la cathode 1 passent d'abord l'électrode de commande 2 et frappent ensuite la première dynode 4. Comme les autres dynodes, cette dynode h a une surface dont bO le coefficient d'émission secondaire est supérieur à l'unité 71 24320 -5- 2097186 pour la tension appliquée. Le courant émis et amplifié par la dynode 4 est capté par la deuxième dynode 3« De cette façon, le courant est amplifié en étapes et capté finalement par l'anode 10. 5 Une source de courant 16 dans laquelle le courant suit la direction indiquée par la flèche 17 est branchée entre la cathode 1 et l'électrode de commande 2, reliée à la masse près du chiffre 15» Les impulsions de courant captées par l'anode 10 traversent une résistance 13 aux extrémités de laquelle 10 sont engendrées des impulsions de tension traitées dans un appareil de mesure de fréquence d'impulsions 14, ce dernier fournissant un signal de sortie qui indique l'intensité de courant mesurée sur un appareil indicateur ou enregistreur 18. Une s ource de rayonnement 19 fournit 1'énergie à la cathode 1 qui 15 est une photocathode césium-antimoine. Non exposée, et à la température ambiante, cette photocathode peut fournir par seconde a 4 , et par cm environ 10 electrons, ce qui correspond donc environ — 1 5 à un courant de 1,6 x 10 A. Lorsque ce courant est émis effectivement, la cathode fournit donc le courant dit de saturation. 20 Pour la mesure de très faibles intensités de courant, la source de rayonnement 19 n'est donc pas indispensable. Pour la mesure d'intensités de courant pour lesquelles la cathode doit émettre des électrons en plus grand nombre, la source 19 est une source de photons qui, par effet photoélectrique, augmente l'émission 25 de la cathode. La cathode 1 et l'électrode de commande 2 forment ensemble une diode qui fonctionne dans la zone dite de naissance du courant. L'intensité du courant traversant la diode est déterminée par la source de courant 16. La caractéristique 30 courant-tension de la diode définit donc la tension entre la cathode 1 et l'électrode de commande 2. Un excès d'électrons émis réduit la tension de l'électrode de commande 2, de sorte que l'intensité du courant émis par la cathode 1 diminue jusqu'à devenir égale à l'intensité du courant de la source 16. 35 Une fraction invariable des électrons émis passe l'électrode de commande 2 et frappe la première dynode 4. Ceci a comme conséquence qu'une fraction invariable, égale à environ 99$ des électrons traversant la source de courant 16, engendre une impulsion de tension aux extrémités de la résistance 13• La 40 fréquence d'impulsions, mesurée à l'aide de l'appareil 14 et 71 24320 -6- 2097186 indiquée sur l'appareil indicateur 18, constitue donc une mesure de l'intensité du courant de la source 16. Sur la fi g. 2, on a représenté un dispositif' correspondant, l'autre pôle de la source 16 étant raccordé à la masse. 5 (près du chiffre 15)• Le dispositif représenté sur la fig. 3 est basé sur celui illustré sur la fig. 1, mais comporte également un circuit de réaction formé par une partie de circuit 20 et une diode semiconductrice 21, en phosphure de gallium. Pour un courant 10 de 1mA, cette diode 21 est à même d'émettre par seconde environ 13 10 photons. La cathode 1 est une cathode photo-électrique dont l'émission dans ce circuit est quasi entièrement photo-électri-que. L'émission thermique peut être négligée par rapport à l'émission photo-électrique. Afin que les électrons libérés par 15 les photons soient pratiquement en équilibre thermique, on utilise un filtre qui ne laisse passer que des photons nantis d'une énergie qui correspond environ au potentiel de sortie de la cathode. Dans le dispositif choisi à titre d'exemple, il s'agit de photons présentant une dispersion d'énergie de 0,025 20 eV autour de l'énergie 1 eV.A l'aide de la partie de circuit 20, le nombre de photons émis par la diode 21 est rendu proportionnel à l'intensité de courant mesurée. La caractéristique courant-tension de la diode formée par la cathode 1 et l'électrode de commande 2 peut être écrite sous la forme I = IQ exp (U/U^), 25 expression dans laquelle I est le courant traversant la diode, U la tension aux électrodes de la diode, I le courant pour U = o 0, et eU,^ l'énergie thermique d'un électron pour une température absolue T. ( L'ampleur de la constante de temps, obtenue sans circuit de réaction, résulte du calcul suivant. Pour ce calcul, on admet qu'un courant constant I1 de 10 électrons par seconde 2 soit diminué rapidement jusqu'à un courant de 10 électrons 40 par seconde, et que la capacité C entre la cathode 1 et l'électro 71 24320 -7- 2097186 de de commande 2 ait une valeur de 5 pF. La formule citée ci-dessus permet d'écrire que: U1 - U2 = UT In A la température- ambiante et pour une émission uni— 5 quement thermique, la tension vaut environ: 0,023 V. I1A2 = 10* Il en résulte que■ - Ug = 0,060 V environ. Par conséquent, la variation de charge nécessaire 10 pour la capacité C est donc: — 1 3 C x (U1 - Up) = 3 x 10 coulombs environ. ' 2 , Au début, on dispose à cet effet de 9 x. 10 électrons ■ par seconde, ce qui rend la constante de temps supérieure à 3 2 x 10 secondes. 15 Sur la fig. 4, il s'agit d'un dispositif qui est basé sur celui illustré sur la fig. 2, mais qui de la même façon que le dispositif illustré sur la fig. 3, est muni d'un circuit de réaction. La fig. 5 donne une autre solution pour un circuit 20 de réaction. On a placé une électrode auxiliaire 22, formée par une couche déposée par évaporation sur la face extérieure de l'enveloppe 6; à l'aide d'un diviseur de tension 23 et d'un circuit 24, ladite couche reçoit une tension qui est logarithmi-quement fonction de l'intensité du courant à mesurer, c'est-à-25 dire proportionnelle à log (l). Entre la cathode 1 et l'électrode de commande 2, des variations de charge de l'électrode auxiliaire 22 donnent lieu à des variations de champ proportionnelles auxdites variations, mais sans variations de charge nettes de la cathode 1. De ce fait, la tension entre la cathode 1 et 30 l'électrode de commande 2 peut varier afin de satisfaire la relation déjà donnée X = XQ exp (U/U^), dans laquelle le terme exp (u) est maintenant proportionnel au courant I, sans que la source de courant 16 doive fournir des variations de charge de la- cathode 1. Ceci conduit à une réponse rapide du dispositif. 35 Sur la fig. 6 on a représenté un dispositif qui est basé sur celui illustré sur la fig. 2 et qui est équipé d'un circuit de réaction* en principe identique à celui illustré sur la fig. 5. Etant donné que dans le dispositif illustré sur la fig. 6, le pôle flottant de la source de courant 16 est rac-40 cordé à l'électrode de commande 2, il faiàt, à l'aide d'une 71 24320 -8- 2097186 réaction, empêbher que la source 16 doive fournir des variations de charge de l'électrode de commande 2. En appliquant le principe constituant la base du dispositif illustré sur la fig. 5» on doit maintenant placer une électrode auxiliaire à la face de 5 1»électrode.de commande 2, située à l'opposé de la cathode 1. A cet effet, on peut avantageusement utiliser la première dynode 4. Etant donné que celle-ci doit avoir une tension constante, le circuit 2b et le diviseur de tension 23 fournissent à la cathode 1 une tension que est logarithmiquement fonction de l'intensité 10 dur courant à mesurer, donc proportionnelle au log (l). Entre la cathode 1 et l'électrode de commande 2, des variations de charge de la cathode 1 donnent lieu à des variations de champ proportionnelles aux variations précitées, mais sans variations de charge nettës de l'électrode 2. De ce fait, la tension entre 15 la cathode 1 et l'électrode 2 peut varier, afin de satisfaire . la relation déjà citée I = Iq exp (U/U^), dans laquelle le terme exp (u) est maintenant proportionnel au courant I, sans que la source de courant 16 doive fournir des variationsdde charge de l'électrode de commande 2. Ceci conduit à une réponse rapide du dispositif. Sur la fig. 7, il s'agit d'un dispositif pour la mesure de l'intensité du courant d'une source 16, cette intensité étant telle qu'elle ne nécessite pas l'amplification totale de l'amplificateur. Le p&le flottant de la source de courant 16 est raccordé à la diode 26. La différence entre d'une part le 25 courant électronique primaire frappant la dynode 26, et d'autre part le courant d'électrons émis secondairement par celle-ci ■ est fournie par la source de courant 16.. La tension de la dynode 26 s'ajuste donc de façon que le facteur d'émission secondaire (fonction de la tension) ait la valeur requise. Pour éviter 30 qué dans le cas où ont lieu des variations de courant, la source de courant 16 doive fournir des variations de charge de la dynode 26, ainsi que pour obtenir une réponse linéaire du dispositif, on a tfcilisé un circuit de réaction sous l'effet duquel l'intensité du courant primaire qui frappe la dynode 26 est rent» due proportionnelle à l'intensité du courant à mesurer. Sur la fig. 8, on indique la façon dont le dispositif illustré sur la fig. h doit être adapté pour permettre la mesure du courant capté par le collecteur 30 d'un spectromètre 40 de masse 31. Sur cette fig. 8, le dispositif illustré sur la 71 24320 -9- 2097186 fig. 4 n'a été répété que dans la mesure des besoins pour indiquer les liaisons entre le spectromètre de masse et le dispositif conforme à l'invention. Le spectromètre 31 comporte une enveloppe à vide 32, contenant une source d'ions 33, représen— 5 tée schématiquement. Cette source 33 dans laquelle un gaz est ionisé, est à ion potentiel positif de quelques kV par rapport à la masse. Cette tension est fournie par l'appareil d'alimentation 36. Les électrodes d'accélération 34, parmi lesquelles la dernière a le potentiel de masse, extraient des ions positifs 10 de la source d'ions 33• Le faisceau produit en forme de ruban, dont l'axe est indiqué par 35» passe un champ magnétique en forme de secteur, indiqué schématiquement par 36, tandis que des ions, nantis d'un rapport déterminé de charge et de masse, sont captés par le collecteur 30. Ce dernier est de forme oblongue 15 et sa direction longitudinale est perpendiculaire au plan du dessin. L'électrode est - étroite suivant la direction dans laquelle le faisceau est dévié par le champ magnétique. Dans cet exemple, la source de courant qui sur les figures 1 à 7 a été indiquée par le chiffre 16, a maintenant un pôle flottant qui 20 est formé par le collecteur 30, et un pôle relié à la masse qui est formé par la connexion négative de l'appareil d'alimentation 36. La tension entre la cathode 1 et l'électrode de commande 2 peut être négligée par rapport à la tension de l'appareil 36, de sorte que l'intensité du courant du faisceau d'ions n'est 25 pas influencée par la mesure. On mesure donc effectivement l'intensité du courant d'une source de courant. A remarquer également que pour un dispositif conforme à 1'invention, il est possible d'utiliser avantageusement un tube photomultiplicateur connu comportant un certain nombre de 30 dynodes. S'il en est ainsi, la première dynode peut être branchée comme électrode de commande. A remarquer encore qu'un dispositif conforme à l'invention n'est pas limité à l'emploi d'un multiplicateur d'électrons comportant des dynodes, mais qu'il est tout aussi bien 35 possible d'utiliser un multiplicateur approprié, dit multiplicateur d'électrons de canal. L'emploi de l'invention n'est évidemment pas limité à la mesure de l'intensité d'un courant d'un spectromètre de masse; le dispositif peut être utilisé partout où il s'agit de 40 mesurer de très faibles intensités de courant, ceci étant le cas par exemple dans des dosimètres. 71 24320 -10- 2097186 REVENDICATIONS : 1. Dispositif permettant la mesure de l'intensité d'un courant électrique, caractérisé en ce que le dispositif comporte un enveloppe à vide contenant une cathode, une électrode de 5 commande ainsi qu'un multiplacteur d'électrons, le courant à mesurer circulant dans un circuit qui est branché en série avec la cathode et l'électrode de commande. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est muni d'un circuit de réaction pour augmenter la 10 vitesse de réponse du dispositif, ce circuit de réaction empêchant que le courant à mesurer4introduise des variations de charge delà capacité entre la cathode et l'électrode de commande, ces variations étant causées par des variations de l'intensité du courant à mesurer. 15 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la cathode est une cathode photo-électrique et que le circuit de réaction comporte une source de photons, l'intensité du courant de photons étant pratiquement proportionnelle à l'intensité du courant à mesurer. 20 4. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en : ce que le dispositif est muni d'une électrode auxiliaire située en regard de la face de cathode située à l'opposé de l'électrode de commande, alors que par rapport à celle-ci cette électrode auxiliaire reçoit, de la part du circuit de réaction, une ten-25 sion qui est une fonction quasi logarithmique de l'intensité du courant à mesurer. 5. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que par rapport à l'entrée du multiplicateur d'électrons, le circuit de réaction fournit à la cathode une tension qui est 30 une fonction quasi logarithmique de l'intensité du courant à mesurer. 6. Dispositif éelon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte une enveloppe à vide, munie d'une cathode, d'une électrode de commande et d'un multiplicateur d'électrons 35 formé par un certain nombre de dynodes, le courant à mesurer circulant dans un circuit qui est branché en série avec une seule de ces dynodes. 7• Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le dispositif comporte un tube photo-kO multiplicateur avec un certain nombre de dynodes dont la pre 71 24320 mière est branchée comme électrode de commande. 8. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5» caractérisé en ce que le multiplicateur d'électrons est un multiplicateur d'électrons de canal.