Brevet FR2060263A1 — publié le 19710618

La présente invention concerne une enveloppe hermétique qui comprend un bottier de support et un couvercle pour le cristal semi-conducteur d'un détecteur de rayonnements et dont au moins une portion d'une des faces constitue la fenêtre d'entrée de ceux-ci.Elle concerne également un détecteur pourvu d'une telle enveloppe. On sait que les détecteurs de rayonnements dont l'élé- ment sensible est un monocristal semi - conducteur comportant au moins une Jonction, plane ou sensiblement cylindrique, entre deux régions de types de conductivité opposés, doivent comprendre des moyens de protection de cet élément sensible. En effet, en dehors de cas particuliers où l'élément sensible peut être disposé sans enveloppe dans un ensemble prévu en conséquence, par exemple un cryostat, le cristal doit être maintenu au moins à l'abri de ltatmosphère. Dans le cas d'un cristal de germanium comportant une couche intrinsèque intermédiaire compensée au lithium, il doit en outre être conservé à très basse température pour éviter une redistribution et une précipitation du lithium. A cet effet, on enferme le cristal du détecteur dans une enveloppe métallique étanche où regne un vide suffisant. La tension de polarisation du détecteur est appliquée au moyen de deux électrodes dont l'une peut être constituée par la masse métallique de l'enveloppe, l'autre faisant l'objet, par exemple, d'une traversée isolée sous forme d'un passage verre-métal, ou encore au moyen de deux électrodes traversant chacune un passage verre-métal. Il est connu également de protéger certains détecteurs, notamment des détecteurs plans (ctest-à-dire à jonction plane), en les enfermant dans une enveloppe constituée de deux flasques métalliques, de préférence en cuivre ou en aluminium, fixés de part et d'autre d'un anneau en matière isolante : dans ce cas, les flasques métalliques sont en regard des faces principales du cristal semi-conducteur et l'un des flasques peut même reposer sur la face principale recevant les rayonnements à travers une zone dite fenêtre d'entrée. Ces différentes enveloppes connues présentent un inconvénient commun et majeur, à savoir que la partie métallique soumise aux rayonnements est relativement épaisse ; or, on sait qu'il est préférable, au contraire, de disposer en regard de la face du détecteur recevant les rayonnements une masse métallique minimale, de façon à éviter le phénomène de rétrodiffusion, ou réémission desdits rayonnements par activation dans~le métal, notamment dans la fenêtre d'entrée En outre, le queusot souvent nécessaire pour la mise sous vide augmente notablement l'encombrement du détecteur par rapport à son élément sensible, surtout dans le sens de l'épaisseur. La présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients et concerne un ensemble de détection d'encombrement minimal dont l'enveloppe assure une protection efficace du cristal et contribue à lui conserver la meilleure efficacité. Elle s'appuie sur la propriété particulière à la céramique d'être fortement perméable aux rayonnements. Selon la présente invention, une enveloppe hermétique qui comprend un bottier et un couvercle pour le cristal semiconducteur d'un détecteur de rayonnements et dont au moins une portion d'une des faces constitue la fenêtre d'entrée de ceux-ci, est caractérisée en ce qu'au moins ladite fenêtre d'entrée est essentiellement en une matière céramique étanche au vide. La céramique possède la propriété d'être non seulement perméable aux rayonnements, mais également d'être facilement usinable, ce qui permet de réaliser une fenêtre d'entree de faible épaisseur présentant une absorption minimale tout en assurant une parfaite étanchéité. De plus, lamasse métallique soumise aux rayonnements étant réduite à celle des plages de contact formées de couches de quelques microns d'épaisseur, les phénomènes de rétrodiffusion ou de réémission de rayonnements sont pratiquement éliminés ou, pour le moins, fortement, atténués. De préférence, le matériau céramique étanche utilisé est un oxyde de métal de faible masse atomique, par exemple alumine A1203 ou oxyde de beryllium BeO. Le détecteur peut être enclos dans son enveloppe sous vide ou sous ultra-vide et, dans le cas où le détecteur doit être utilisé sous vide à basse température, l'enveloppe ne pose aucun problème puisque elle-même peut supporter de telles conditions d'emploi. Selon une première forme de réalisation de l'invention, la fenêtre d'entrée en céramique est une portion du boiter. Cette première forme de réalisation s'applique avantageusement aux détecteurs plans : on sait en effet que dans ce cas, la face de l'enveloppe utilisée comme fenêtre d'entrée doit servir le plus souvent de support mécanique au cristal semi-conducteur afin de réduire au minimum le parcours des rayonnements jusqu'à la jonction détectrice formée dans ledit cristal. Dans une telle forme de réalisation, le couvercle peut être indifféremment ou en métal ou en matière isolante, notamment céramique, le choix étant lié uniquement aux applications que l'on désire donner à l'ensemble détecteur. Dans une deuxième forme de réalisation de l'invention, la fenêtre d'entrée en céramique est une portion du couvercle. Cette autre forme de réalisation s'applique plus particulièrement aux détecteurs dits coaxiaux (c'est-à-dire comportant au moins deux zones coaxiales semi-conductrices de types de conduction différents) et notamment à ceux décrits dans la demande de brevet français P.V. NO déposée ce jour, à la même heure, par la Demanderesse pour "Dispositif pour la fixation du cristal d'un détecteur de rayonnements semi-conducteur". En effet, dans les détecteurs coaxiaux, cylindriques ou non, le volume est fortement augmenté, ce qui a pour effet, d'une part, d'accroître le volume utile et de rendre ainsi toutes les faces du détecteur sensibles aux rayonnements, mais, d'autre part, d'augmenter le poids : en conséquence, pour obtenir une efficacité optimale, il est donc préférable d'éviter d'utiliser comme fenêtre d'entree le boîtier de l'enveloppe qui, compte tenu de son rôle de support rnécanique, doit avoir alors une épaisseur irnportante, donc un pouvoir absorbant plus grand. L'élément de l'enveloppe (boîtier ou couvercle) qui contient la fenêtre d'entrée peut être tout entier en céramique. Cette solution est choisie en raison de sa facilité d'exécution et de sa reproductibilité et, aussi, pour assurer une bonne étanchéité. Au contraire, cet élément de ltenveloppe peut être en partie métallique et comporter, dans sa face soumise aux rayonnements, une portion en céramique de forme correspondant à celle de la région sensible auxdits rayonnements du cristal semiconducteur, lorsque ce dernier est mis en place dans ladite enveloppe, ladite portion en céramique étant rendue solidaire, de manière étanche au vide, de la partie métallique. Cette solution, également bonne du point de vue solidité ét étanchéité, présente l'avantage de pouvoir être utilisée dans des dispositifs de formes complexes tout èn restant peu onéreuse en raison de sa facilité d'exécution. La description qui va suivre, en regard des dessins annexés donnés à titre d'exemple non limitatif, fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. La figure 1 représente schématiquement en coupe un détecteur plan muni d'une enveloppe dont le boîtier supportant le cristal forme une cuvette entierement en céramique. La figure 2 représente, également schématiquement et en coupe,un détecteur plan muni d 'une enveloppe dont le bottier comporte, dans sa face soumise aux rayonnements, une pastille en céramique. La. figure 3 est une coupe schématique d'un détecteur coaxial muni d'une enveloppe dont le couvercle est entièrement en céramique. La figure 4 est une coupe schématique d'un détecteur coaxial du type "puits" dont l'enveloppe comporte, dans sa face soumise aux rayonnements, une région en céramique de contour correspondant à celui du puits. I1 est à noter que les dimensions sur les dessins sont considérablement exagérées et non proportionnées afin de rendre les figures plus claires. Le détecteur de rayonnements montré par la figure 1 comporte un cristal semi-conducteur 1 partagé en deux régions de types de conduction différents par une jonction détectrice J1 et disposé dans le bottier 2 d'une enveloppe, de manière que cette jonction soit placée sur le trajet des rayonnements à détecter, figurés par les flèches F. Le boîtier 2 a la forme d'une cuvette et est obtenu par moulage ou usinage, son fond 2a, traversé par lesdits rayonnements, étant de faible épaisseur. Les faces internes du fond 2a et des parois latérales du bottier 2 sont recouvertes, au moins partiellement, d'une couche métallique 3, bonne conductrice de l'électricité, ohtenue par métallisation sous vide. Sur le bord supérieur 2b du boîtier 2, on dispose un anneau métallique 4 qui est, d'une part, brasé sur la céramique dudit bottier et, d'autre part, soudé à la couche métallique 3. Cet anneau 4 forme une collerette pour le bottier 2 et permet, d'une part, de poser un couvercle 5 sur ce dernier et, d'autre part, d'assurer l'une des liaisons électriques (par ltintermé- diaire du fil soudé 6) du cristal semi-conducteur 1 avec l'extérieur. La pose du couvercle 5 est effectuée sous vide de manière à éviter de placer un queusot dans le boStierj Dans le cas où le couvercle 5 est métallique, cas représenté sur la figure 1, sa soudure avec l'anneau 4 est assurée par soudage à froid ou soudure électrique. Dans ce cas également, une traversée isolante 7 est prévue dans ledit couvercle pour permettre le passage du deuxième fil de connexion 8 du cristal semi-conducteur 1.La pression du cristal 1 contre le fond 2a du boîtier constituant la fenêtre d'entrée est assurée par un ressort 9 prenant appui sur la partie isolante du passage verre-métal 6. Pour éviter d'avoir à réaliser une traversée isolante 7 dans le couvercle 5, il est possible de réaliser ledit couvercle 5 en matériau isolant et notarciment en céreilique o dans ce cas, il y aura lieu de prévoir, sur le bord supérieur 2b de la cuvette 2 et/ou sur le pourtour du couvercle 5, une couche métallique permettant le brasage des deux parties. Le cristal semi-conducteur Il du détecteur montré par la figure 2, comporte une jonction détectrice J2 et est disposé dans un boîtier 12 de manière que ladite jonction J2 soit placée sur le trajet des rayonnements à détecter, figurés par les flèches F Ce bottier 12 comporte une pastille de céramique 12a enserrée et brasée ou soudée par bombardejnent électronique dans une couronne métallique 12b. Cette pastille céramique 12a forme la fenêtre d'entrée du détecteur et se trouve située, pour cette raison, au plus près et en regard de la jonction détectrice J2. Un couvercle 13 est ensuite fixé sur le boîtier 12. Comme pour le détecteur décrit en regard de la figure 1, ce couvercle 13 peut être en matière isolante, céramique par exemple, ou en métal et, dans cette dernière hypothèse, il comporte alors au moins un passage verre-métal 14 laissant passer un des fils de connexion 15 relié au cristal 17, le deuxième fil de connexion 16 étant directement fixé sur le couvercle 13. Un ressort 17 presse le cristal 11 contre la fenêtre d'entrée 12a. Les modes de réalisation illustrés par les figures 1 et 2 présentent l'avantage d'être simples, peu onéreux et de garantir une parfaite étanchéité. Le cristal du détecteur, par exemple cylindrique, montré par la figure 3, comporte deux couches coaxiales 21 et 22 v v v w s de types de conduction opposés séparées par une couche intrinsèque 23, généralement compensée au lithium. Ce détecteur est bloqué dans une bague 24, métallique ou en céramique métallisée, qui permet d'assurer une liaison électrique avec la couche extérieure 21. Le détecteur fixé dans la bague 24 est disposé dans un boîtier 25 en forme de cuvette, l'ensemble étant maintenu en position à l'aide d'un anneau 26 extérieur audit boîtier 25, situé en regard de la bague 24 et fretté. Le boîtier 25 étant généralement métallique, pour assurer la liaison électrique avec la couche interne 22, on prévoit, dans ledit boîtier 25 une traversée isolante 27 à travers laquelle passe le fil de connexion 28 soudé à la couche 22, tandis que lton soude un fil de connexion 29 directement sur le boîtier 25 pour former la liaison avec la couche 21. Si la bague 24 est uniquement en céramique, on peut relier le fil de connexion 28 à la couche 21 au lieu de la couche 22 et relier alors cette dernière au boîtier 25 par une autre connexion. L'ensemble est recouvert par un couvercle 30 enveloppant le cristal du détecteur fixé sur le boftier 25 et réalisé soit par moulage soit par usinage, dans une matière isolante céramique. Ce couvercle forme alors fenêtre d'entrée pour les rayonnements que l'on désire détecter, il est possible de prévoir à l'extrémité du couvercle 30 venant en regard du boîtier 25s une pièce métallique annulaire permettant de souder ledit couvercle 30 sur le boîtier métallique 25 soit par soudure à froid ou fluage, soit par soudure électrique. La figure 4 montre un détecteur formait un puits destiné à entourer une source de rayonnements et comportant également deux couches 31 et 32 coaxiales de types de conduction opposés séparées par une couche intrinsèque 33, la couche interne 32 épousant la forme du puits 34 creusé dans le détecteur. Le cristal de ce détecteur est serré dans un support enveloppant 35 décrit dans la demande de brevet français mentionnée ci-dessus. Le support 35 étant en matière isolante est recouvert d'une couche métallique 36 destinée à assurer la liaison électrique, par l'intermédiaire de la connexion en pont 37, avec la couche interne 32. Comme il a été dit pour le dispositif de la figure 3, l'ensemble est fixé dans un boîtier métallique 38 à l'aide d'une bague métallique 39 et d'un anneau extérieur fretté 40. Ce boîtier 38 comporte une traversée étanche 41 pour assurer la liaison électrique avec la couche externe 31 par l'intermédiaire du fil de connexion 42, la liaison de la couche 32 avec ltexté- rieur étant obtenue au moyen de la bague 39 serrée sur la couche 36 et du fil de connexion 43 soudé directement sur le boîtier 38. Le couvercle enveloppant le cristal comporte une partie métallique 44a soudée par fluage sur le boîtier 38 et une partie rentrante 44b en céramique, brasée sur le couvercle 44a et deforme telle qu'elle puisse être introduite dans le puits 34 du cristal détecteur. Les formes de réalisation illustrées par les figures 3 et 4 permettent d'augmenter considérablement l'efficacité des détecteurs car ceux-ci deviennent sensibles à la presque totalité des rayonnements quelle que soit leur orientation. REVENDICATIONS 1.- Enveloppe hermétique qui comprend un boîtier et un couvercle pour le cristal semi-conducteur d'un détecteur de rayonnements et dont au moins une portion d'une des faces constitue la fenêtre d'entrée de ceux-ci, caractérisée en ce qu'au moins ladite fenêtre d'entrée est essentiellement en une matière céramique étanche au vide. 2.- Enveloppe selon la revendication 1, caractérisée en ce que la matière céramique est un oxyde d'un métal de faible masse atomique, tel que l'alumine ou l'oxyde de beryllium. 3.- Enveloppe selon la. revendication 1, caractérisée en ce que la fenêtre d'entrée en céramique est une portion du boîtier. 4.- Enveloppe selon la revendication 1, caractérisée en ce que la fehêtre d'entrée en céramique est une portion du couvercle. 5.- Enveloppe selon les revendications 1 et 3, caractérisée en ce que le bottier est tout entier en céramique. 6.- Enveloppe selon les revendications 1 et 4 caractérisée en ce que le couvercle est tout entier en céramique. 7.- Enveloppe selon les revendications 1 et 3, caractérisée en ce que le boîtier qui est en partie métallique, comporte, dans sa face soumise aux rayonnements, une portion en céramique de forme correspondant à celle de la région sensible auxdits rayonnements du cristal semi-conducteur, lorsque ce dernier est mis en place dans ladite enveloppe, ladite portion en céramique. étant rendue solidaire, de manière étanche au vide, de la partie métallique. 8.- Enveloppe selon les revendications 1 et 4, caractérisée en ce que le couvercle qui est en partie métallique comporte, dans sa face soumise aux rayonnements, une portion en céramique de forme correspondant à celle de la région sensible auxdits rayonnements du cristal semi-conducteur, lorsque ce dernier est misen place dans ladite enveloppe, ladite portion en céramique étant rendue solidaire, de manière étanche au vide, de la partie métallique. 9.- Détecteur de rayonnements comportant un cristal semi-conducteur, caractérisé en ce qu'il comporte une enveloppe selon l'une des revendications 1 à 8, dont le boîtier et le support sont assemblés de manière étanche au vide.