Brevet FR2289049A1 — publié le 19760521

L; présente invention concerne un dispositif multiplicateur d'électrons à émission secondaire électronique du genre microcanal ou galette de microcanaux dont les parois internes des microcanaux présentent une résistivité électrique linéique variable le long de la paroi. Des dispositifs du genre microcanal ou galette de microcanaux à émission secondaire dont la résistivité électrique linéique de paroi n'est pas constante, tont déjà l'objet des brevets américåin N 3.449.582 et français NO 1.456.348. Dans le brevet américain 3.449.582 le microcanal est composé de deux parties : une première partie située du côté de l'entrée des particules primaires dont les parois internes présentent un coefficient d'émission secondaire très supérieur à i et une résistivité électrique linéique de paroi constante le long de la paroi, une deuxième partie faisant suite à la première et s'étendant jusqu'à la sortie des microcanaux, les parois de cette partie ayant un coefficient d'émissien secondaire très inférieur à i et une résistivité électrique linéique constante mais très supérieure a celle de la pre mie partie, la matière des parois étant constituée d'un iso l electrique ou d'un semi-conducteur. Lorsqu'on applique une différence de potentiel entre l'entrée et la sortie d'une telle structure, le champ en sortie est très grand par rapport à celui qui règne dans la première partie du canal d'où sont issus les électrons secondaires. Il s1 ensuit que les électrons sont alors soumis à une forte accélération de telle sorte que leurs trajectoires sont tendues et que leurs directions d'émission en sortie pré- sentent peu de dispersion par rapport à l'axe des microcanaux. Une telle structure présente l'avantage d'améliorer la focalisation des électrons sur les écrans récepteurs dans les tubes image et d'améliorer la résolution. Des préoccupations du même genre sont encore celles du brevet français nO 1.456.348. La résistance des parois internes dn tube est telle que le champ électrique à l'intérieur des canaux présente une composante longitudinale accélératrice dans le sens de l'entrée vers la sortie des particules primaires, et éventuellement, une composante radiale tendant a ramener les particules vers l'axe des microcanaux. Eventuellement > pour augmenter le gain, les canaux sur l'une de leurs sections ont des parois qui présentent le phénomène d'émission secondaire électronique. Cette section est suivie d'une autre section dont les propriétés sont purement accélératrices. Pour de tels microcanauxfonctionnant essentiellement en accélérateur de particules, la résistivité linéique de paroi est soit constante, soit croissante de l'entrée vers la sortie, cette croissance pouvant être obtenue gracie à une diminut-ion de l'épaisseur des parois et permettant une augmentation du champ électrique en se déplaçant vers. la sortie des microcanaux. On obtient comme dans le cas du brevet américain des trajectoires d'électrons plus tendues et une dispersion moins grande de leurs directions. Le but selon la présente invention. n'est pas uniquement d'agir sur l'accélération des particules de façon à tendre leurs trajectoires en sortie de microcanal. La présente invention considère des microcanaux dont les parois présentent le phénomène d'émission secondaire sur toute leur longueur et dont la résistivité linéique est variable le long de ces parois. L'un des buts de l'invention est d'agir ainsi localement sur le coefficient de multiplication électronique le long de la paroi au gré de l'utilisation et des performances désirées. Un autre but de l'invention est aussi d'agir sur la valeur du champ électrique en un point quelconque du canal. Dans ses aspects particuliers, l'invention parvient ainsi à proposer plusieurs types de microcanal ou galette de microcanaux. L'un de ces types présente 11 avantage d'améliorer le rapport de signal à bruit ; la caractéristique d'un autre type est le grand gain des microcanaux. Un autre type présente principalement une faible dispersion en énergie des électrons en sortie de microcanal. Un autre type allie on même temps un faible bruit et une faible dispersion en énergie des électrons en sortie. L'invention sera mieux comprise à l'aide des considérations techniques et de la description suivante de quelques modes de réalisation, ladite description étant accompagnée des dessins qui représentent - figure i, un microcanal avec plusieurs phénomènes successifs de multiplication. - figure 2, un microcanal selon:un mode de réalisation de l'invention. Sur la figure i la paroi est représentée en il en coupe par un plan passant par l'axe 12 du microcanal; 13 et 14 sont respectivement l'entrée et la sortie du microcanal. Une section du microcanal perpendiculaire à l'axe est repérée par son abscisse x mesurée sur l'axe des x parallèle à l'axe du microcanal, l'origine des abscisses étant celle de la face d'entrée 13 du canal. Une différence de potentiel électrique est appliquée entre les faces 13 et 14. Un courant I circule dans les parois internes du microcanal. En première approximation, on suppose que la résistivité électrique de ces parois varie d'une section à de ce microcanal, celle-ci étant constante-dans les parois pour tous les points d'une même section. On peut ainsi, définir une résistance linéique unitaire de paroi du canal, fonction de l'abscisse x, celle-ci représentant la résistance électrique d'une portion tubulaire de paroi de canal de longueur unité et d'abscisse x. Si r (x) désigne cette résistance linéique unitaire, la résistance du canal prise entre les abscisses o et x est Le courant I étant le même en toute section du canal on en déduit les expressions du potentiel V (o,x) et du champ électrique E (x) au point d'abscisse-x ce qui indique que le champ électrique en un point dtabscisse x est proportionnel à la valeur de la résistance linéique en ce point. Ces résultats élémentaires ont d'autres implications techniques qui sont traduites dans les expressions des coefficients de multiplication électronique globaux et/ou partiels et locaux qui expliquent la nature de l'invention et la justifient théoriquement. Sur la figure 1, on a représenté des multiplications successives d'électrons la dernière s'effectuent au point Pn d'abscisse x où le coefficient d'émission secondaire est #n et les autres aux points d'abscisses respectives xO, x1, x2,..............., In-i où les coefficients d'émission secondaire sont: #0' #1' #2'........... #n-1 L'éxpression du coefficient global de multiplication entre O et x est donc M (o,x) = A. #0. #1..........#n. A étant une constante liée à la probabilité de détection. En première approximation, le coefficient d'émission secondaire # en l'un quelconque des points-P considérés est proportionnel à l'énergie de l'électron incident, c'est-à-dire au trajet moyen parcouru depuis l'impact précédent. Si comme dans l'invention la variation de résistance linéique, c'est-à-dire de champ électrique, est faible le long d'un trajet moyen entre deux impacts successifs ce trajet est, en première approximation, proportionnel à l'intensité du champ électrique au point P considéré. En particulier au point Pn on a donc: #n = #(x) = K r (x) où K est une constante. Le nombre moyen n (x) d'étages de multiplication par unité de longueur est pour sa part inversement proportionnel à la longueur du trajet électronique, ctest-à-dire finalement au champ électrique local d'où n (x) = d'où l'on déduit #n = #(x) = B n (x) K' et B étant des constantes. Une telle expression permet d'établir l'expression du coefficient de multiplication M (o,x). Soit en effet No électrons incidents détectés ; au point d'abscisse x, l'accroissement du nombre d'électrons sur la longueur dx du canal est égale à No. M (o,x + dx) - No. M (o,x) = No M (o,x) [i - n (x) dx + n (x) H )dx0-No M (o,x) d'où l'on déduit que d Mx (o,x) dx = M (o,x) {B -n(x dx et en intégrant M (o,x) = exp (Bx - A x H ) dx} (2) Le symbole exp désignant la fonction exponentielle de base e. Cette expression de M (o,x) qui traduit en fait le gain du microcanal a pour conséquence pratique que, pour un canal de caractéristiques géométriques données, et pour un gain donné, celui-ci peut être obtenu pour différentes formes de variation de r (x), le long du canal. L'invention fixe en particulier pour ses besoins, comme indiqué plus loin, les valeurs de r (x) à ltentrée et à la sortie du microcanal, dans le but d'améliorer certaines performances du canal à gain constant et donné. A l'aide de l'expression (2) on établitfacilement l'ex pression du coefficient de multiplication partiel M (x1,x2) concernant la multiplication qui se produit dans la portion de canal dont les extrémités ont pour abscisse x1 et x2. Il est fait usage également de cette expression pour expliquer certaines caractéristiques de- l'invention. L'invention est matérialisée, dans un premier mode de réalisation, par un microcanal ou une galette de microcanal pour lesquels r (x) est faible à l'entrée et fort en sortie et varie d'une façon monotone d'une extrémité à l'autre. Le caractère monotone est important pour exclure toute variation discontinue d'où il pourrait résulter des pièges à électrons dans le canal interdisant la prolongation du phénomène de multiplication, lesquels pièges seraient dus à la diminution locale du coefficient d'émission secondaire, celui-ci devenant inférieur à 1 en relation avec une diminution locale du champ électrique concommitante à une variation discontinue de la résistance linéique de paroi. La structure d'un tel microcanal est représentée sur la figure 2. Le canal a une longueur totale L. A l'entrée sur la longueur e, égale par exemple à 2 diamètres du canal,.la résistance linéique r (x) est par exemple égale à 5.i013R/cm, tandis quten sortie sur une longueur s, de l'ordre de 2 diamètres, elle est par exemple égale à 2.10143L/cm-, cette résistance linéique étant par ailleurs égale par exemple à 10 14/cm. il va de soi que l'on pourrait faire varier de manière continue le long de la paroi1 la résistance linéique de l'une à l'autre des valeurs extrêmes. Du fait que r (x) est faible à l'entrée et d'après l'expression (1) du champ électrique E (x) en fonction de r (x), ce champ est lui-même faible à l'entrée des canaux. il s'ensuit que les électrons qui sont extraits de la paroi au voisinage de l'entrée par émission de champ, d'une façon parasite, sont peu nombreux. Le bruit que vison constate en sortie et qui provient de la multiplication de ces électrons parasites s'en trouve diminué, ce qui améliore le rapport de signal à bruit des microcanaux. Le coefficient local de multiplication en sortie de canal sur la longueur s, M (L, L-s) est d'auprès l'expression (3) ou r désigne la résistance linéique de sortie ; rs étant s s fort, ce coefficient local est faible d'après (4). Du fait que le champ est fort en sortie les trajectoires se trouvent allongées. Ceci a pour effet de retarder la saturation due à la charge de paroi en sortie pour deux raisons - d'une part, l'augmentation du champ vient compenser la dimination locale du champ due à la présence de cette charge de paroi. - d'autre part, la valeur de charge de paroi entre L-s et L est diminuée comme tend à l'indiquer l'expression (-4) du coefficient local de multiplication, ce qui diminue également le champ retardateur dû à ladite charge de paroi. Du fait du retard à l'effet de saturation, on obtient ainsi des microcanaux dont le gain maximum est plus grand que la normale mais avec, toutefois, en sortie, une assez grande dispersion des énergies des électrons et de leurs angles d'émission, lesdits microcanaux présentant par ailleurs un meilleur rapport signal à bruit que des canaux de -même géométrie mais à résistance linéique constante. De tels microcanaux trouvent une application particulière dans les dispositifs image où il existe généralement une voile de fond très gênant, par-exemple en vision nocturne. Selon un deuxième mode de réalisation de l'invention la résistance linéique r (x) est forte à l'entrée et faible en sortie et varie d'une façon monotone d'une extrémité à l'autre. De tels microcanaux présentent un bruit relativement élevé dû à l'émission de champs En sortie le champ électrique est plues faible ce qui tend à raccourcir les trajectoires. Dans le cas du régime de saturation par charge de paroi située au voisinage de la sortie de microcanal, la décroissance de champ oient s'ajouter à celle due à la charge de paroi. il s'ensuit que le régime de saturation ést atteint pour un champ électrique en sortie plus faible que la normale. On obtient ainsi des canaux dont le gain maximal (celui obtenu au voisinage de la saturation) est-plus faible que la-normale avec, comme avantage, une faible dispersion en sortie des énergies des électrons. Ces énergies sont par exemple inférieures à 30 eV dans le cas d'une galette de microcanaux présentant une résistance linéique d'entrée de 2.1014JL/cm et de 5.to13 De tels microcanaux conviennent particulièrement à la réalisation de sources d'électrons commandées par de faibles tensions électriques légèrement supérieures à 30 V par exemple. Une telle sOurce d'électrons comprend par exemple une galette de microcanaux dont les faces d'entrée et de sortie sont respectivement au potentiel - 1000 V et O V. Devant la face de sortie existe une électrode de commande dont le potentiel peut être commuté entre les valeurs O et - 40 V. Lorsqu'un flux d'électrons est dirigé vers l'entrée de la galette il y a émission d'électrons ou non en sortie, suivant que l'électrode de commande est au potentiel O ou - 40 V, du fait que lesdits électrons de sortie ont des énergies centrées autourde-30-e V. Selon un troisième mode de réalisation de l'invention, la résistance linéique r (x) est faible à la fois à l'entrée et à la sortie des microcanaux. A l'entrée comme à la sortie la résistance linéique est par exemple de l'ordre de 5.W13A/cm tandis qu'au centre 14 cette résistance est de l'ordre de 2.iO J?/cm. Ce troisième modes de réalisation peut apparaltre comme la combinaison des deux premiers modes de réalisation : des canaux s-elon le premier mode et des canaux selon le second mode sont mis bout à bout de manière à faire colncider la face de sortie des canaux selon le premier mode avec la face d'entrée des canaux selon le second mode. Les canaux selon ce troisième mode, par rapport aux canaux de l'art antérieur à résistance linéique constante, réunissent les avantages des canaux selon les modes précédents à savoir : faible bruit à l'entrée, émission et multiplication secondaires rapidement saturés en sortie d'où il résulte un gain maximal relativement faible et un spectre étroit des énergies des électrons. Les valeurs de résistance linéique utilisées dans les différents modes- de réalisations ne sont que des exemples comme il est indiqué. En fait l'invention utilise d'une manière plus générale des résistances linéique s qui varient le long de la paroi dans un rapport de 1,5 à 10 par rapport à la valeur moyenne de cette résistance le long des canaux. REVENDICATIONS. i. Dispositif multiplicateur d'électrons du genre monocanal ou galette de microcanaux dont les parois internes des canaux présentent sur toute leur longueur un phénomène d'émission secondaire, lesdits canaux étant munis de moyens pour appliquer entre leurs faces une différence de potentiel électrique, caractérisé en ce que la résistance électrique de paroi par unité de longueur dans le sens de la multiplication - ou résistancé linéique - est variable le long de cette paroi dans un rapport de 1,5 à 10 par rapport à la valeur moyenne de cette résistance linéique le long des canaux. 2. Dispositif multiplicateur d'électrons selon la revendication 1, caractérisé en ce que la-résistance linéique de paroi, variant de façon monotone d'une extrémité à l'autre des microcanaux, est plus faible à l'entrée des canaux qu'à la sortie. 3. Dispositif multiplicateur d'électrons selon la revendication 1, caractérisé en ce que la résistance linéique de paroi variant de façon monotone d'une extrémité à l'autre est plus forte à l'entrée des canaux qu'en sortie. 4. Dispositif multiplicateur d'électrons selon -- revendication 1, caractérisé en ce que la résistance linéique, de l'entrée vers la sortie d'un microcanal, est d'abord croissante puis décroissante, sa valeur étant également des plus faibles à l'entrée et à la sortie. 5. Source d'électrons commandée du genre comprenant dans l'ordre une source d'électrons primaires, une galette de miorocanaux à émission secondaire,-une électrode de commande, des moyens pour appliquer une différence de potentiel de l'ordre de 1000 Y entre les faces de la galette, le potentiel en sortie étant supérieur à celui d'entrée des électrons primaires, et des moyens pour appliquer un potentiel à l'électrode de commande et pour commuter ce dernier potentiel entre des valeurs dont l'une est égale à celle de sortie de la galette et l'autre lui est inférieure d'environ 40 V, caractérisée en ce que la galette de microcanaux est du type selon l'une des revendications 3 et 4.