Brevet FR2382766A1 — publié le 19780929

La présente invention concerne un multiplicateur d'é- lectrons de type composé de galettes de microcanaux à émission secondaire électronique, ledit multiplicateur possédant un très haut gain de multiplication et une grande linéarité de détection en fonction de la charge à l'entrée. Grand gain de multiplication électronique et grande linéarité dedixotion, c'est-à-dire proportionnalité entre charge à ltentrée et charge à la sortie, mAme lorsque la charge à lten- trée est grande, sont, pour des microcanaux à émission secondaire électronique, des propriétés qui se contrarient du fait même de la nature des phénomènes de multiplication mis en jeu. On sait, en effet, que lorsqu'un microcanal détecte et multiplie une charge négative, apparat à l'intérieur du microcanal sur sa paroi une charge positive qui va croissant de l'entrée vers la sortie, con sécutivement å la multiplication.Cette charge positive est éli- minée par recombinaison avec les électrons du courant de conduction à travers le microcanal, ce qui demande un certain temps, fonction de la charge préalablement délivrée. Il peut atteindre plusieurs millisecondes. Cette charge positive est fonction de la quantité d'événements détectés simultanément à l'entrée du mi crocasel et de son gain Go qui est défini comme étant la quantité de changes délivrées par microcanal lorsque celui-ci détecte une charge unité à l'entrFe. Ce gain Go dépend de la tension appliquee aux bornes du microcanal, donc du champ électrique régnant à l'intérieur de celui-ci, et de ses caractéristiques géométriques. La charge délivrée tend à se saturer lorsque la charge présente à l'entrée est importante ou lorsque le champ électrique règnant à l'intérieur du canal est élevé et entratne un grand gain, cette saturation pouvant être obtenue à la suite de la multiplication d'un seul électron.La charge positive accumulée sur la paroi du microcanal entrain une réduction du champ en sortie du microcanal jusqu'à une valeur limite E1, correspondant à'un gain de i par unité de longueur de multiplication. I1 s'ensuit que le gain du microcanal ntest pas constant pendant le temps de récupération et, qu'a un instant donné, il dépend de la charge préalablement détectée, c'est-à-dire de la charge qui se présente à l'entrée du microcanal correspondant à l'empilement possible de plusieurs électrons en nombre plus ou moins élevé. La dynamique de détection du microcanal, c'est-à-dire le nombre d'électrons qu'il peut multiplier de façon linéaire, s'en trouve limitée. On retrouve les mêmes phénomènes dans les groupements de canaux en galette. Lorsque chaque microcanal fonctionne en régime de gain saturé, du fait du groupement des canaux, la dynamique de détection de la galette est proportionnelle au nombre de microcanaux de la gatte et inversement proportionnelle au temps que met chaque canal à récupérer la charge délivrée. Par ailleurs, en cas de détection d'impulsion multiélectronique, elle est limitée par la probabilité d'empilement de plusieurs électrons par canal à l'entrée.C'est ainsi que, lorsque chaque microcanal fonctionne en régime de gain saturé, c'est--dire ne pouvant multiplier sans perte de gain q'un seul électron détecté par unité de temps inférieure au temps de récupération, la perte de linéarité de réponse de la galette atteint de l'ordre de 1 % lorsqu'elle détecte une charge primaire correspondant à plus d'un électron par ensemble de 100 microcanaux. Il est donc nécessaire pour bénéficier d'une grande linéarité de détection d'accepter de perdre en gain. La galette fonctionne à un gain Go de microcanal très inférieur à celui de saturation G sat. Chaque microcanal peut alors multiplier pleinement, ctest-à-dire, sans perte de gain, un nombre d'électrons pri maires Nep = E Qsat atec E de l'ordre de 0,25 dépendant des carac- GO téristiques géométriques des canaux. Les empilements de 2, 3, E Qsat électrons par microcanal n'entrainent plus de distorsion particulière dans la réponse de la galette.Toutefois, lorsque l'empilement augmente fortement, apparait une nouvelle limitation à la linéarité de la galette due au passage d'un fonctionnement "canal isolés à un fonctionnement en canaux groupés, dit "en nappe", où les canaux interagissent entre eux comme il est indiqué dans l'article intitulé "Multidetector P.M. with micro-channelplates" by M. AUDIER et J.P. BOUTOT, paru dans la revue Philips Rescarch Report 30, 1975, pages 232 - 233.Lors d'un fonctionnement en nappe la charge limite pouvant être fournie par microcanal devient proportionnelle à la capacité C du condensateur équivalent à la portion de surface S de galette excitée et à la valeur du champ électrique régnant dans les microcanaux, cette charge Q ayant approximativement pour valeur : Q = S (EL - Eg) EL et E0 étant le champ respectivement à la sortie, c'est-à-dire au niveau des derniers paliers de multiplication, et à l'entrée de la galette, Eg étant aussi le champ appliqué se déduisant de la différence de potentiel appliquée entre les faces de la galette et # la constante diélectrique du matériau constituant la galette.Comme l'a déterminé l'inventeur, cette charge augmente avec le champ Eg et, pour un Eg donné, devient maximale lorsque le champ électrique en sortie atteint la valeur El, précédemment définie. Son expression est alors : (l) Qmax = # S (z1 0 E'o étant alors la valeur du champ à l'entrée de la galette, ellemême supérieure à Eg comme il est indiqué dans l'article intitulé "Les effets de saturation dans les multiplicateurs tubulaires d'électrons" paru dans la revue Acta Electronica, vol. 14, n- 1, 1971, page 112, colonne 2, auteur C. Loty.Lorsque consécutivement à l'empilement d'électrons primaires, la charge délivrée par la portion de galette approche Un remède apparent à cette saturation en nappe, pour étendre la possibilité de détection d'empilement de charges en régime linéaire, serait, d'auprès la relation (1), d'augmenter le champ électrique E'0, c'est-à-dire aussi E0 à l'intérieur des microcanaux. On sait, comme dit précédemment, que ceci conduit généralement à saturer séparément chaque canal et à faire appa ratre pourdiacun d'eux des non linéarités. Il revient a l'invention le mérite de contourner cette contradiction. Elle remarque que la relation (1) ne fait intervenir aucune hypothèse sur l'épaisseur de galette et sur le gain de la galette. Selon l'invention il est donc conçu de construire un multiplicateur qui comprend en sortie une galette de faible épaisseur, donc de faible gain, du fait du faible nombre de paliers de multiplication, ladite galette étant soumisse à un fort champ électrique interne appliqué Eo de manière à pouvoir délivrer en sortie une charge maximale Qmax élevée. Elle peut alors fonctionner sans apparition de saturation en nappe avec un régime linéaire de grande étendue en présence d'un fort empilement d'électrons à l'entrée, chaque canal pris séparément, compte tenu du gain et du fort champ Eg, appliqué, ntétant pas saturé du fait du seuil de saturation élevé de chacun d'eux. Le champ appliqué Eg en liaison avec l'épaisseur de la galette est au moins égal à de l'ordre de 1800 V/mm, le gain de la galette étant alors de quelques centaines d'unités. Pour donner un grand gain au multiplicateur1 cette dernière galette est précédée d'une autre galette fonction nant en régime linéaire afin que l'effet de la probabilité d'em pilement à l'entrée soit négligeable. Cette dite autre galette joue un rôle de préamplificateur tandis que la première citée constitue un étage de puissance. Le diamètre des canaux de cette galette préamplificatrice est au moins égal à celui des canaux de l'étage de puissance et de préférence très supérieur, ceci afin de ne pas créer d'interférence dans ladite galette de puis sance entre les débits de deux canaux de la galette préamplifi catrice. D'une façon préférentielle, la galette préanipli ficatrice est du type à canaux courbes ou en chevrons de manière à limiter l'effet des réactions ioniques à l'intérieur des micro canaux. Selon l'invention il est ainsi mis au point un multiplicateur électronique constitué d'une première galette de microcanaux à émission secondaire électronique et d'une seconde galette plaquée contre la première, les faces desdites galettes étant portées à différents potentiels électriques, ces potentiels étant croissants de la face externe de l'empilement réalisé, et appartenant à la première galette, à la face externe dudit meme empilement appartenant à la seconde galette, remarquable en ce que le diamètre des canaux de la seconde galette, est au plus égal au diamètre de ceux de la première galette, les potentiels élec triques appliqués aux faces de la première galette sont tels qu'elle fonctionne en régime de gain non saturé, les potentiels appliqués aux faces de la seconde galette sont tels que le champ électrique appliqué aux microcanaux est au moins égal à de l'ordre de 1800 V/mm et en ce que l'épaisseur de la seconde galette est suffisamment faible pour que, compte tenu du champ électrique qui lui est appliqué, son gain ne dépasse pas quelques centaines d'u nités. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description suivante de quelques modes de réalisation de l'inten- tion, donnés à titre d'exemples non limitatifs, accompagnée d'ex - plications techniques et de dessins-qui représentent en coupe selon un plan parallèle aux microcanaux - Fig. 1 - Un multiplicateur électronique selon un premier mode de réalisation de l'invention. - Fig. 2 - Un multiplicateur électronique selon un second mode de réalisation de l'invention. - Fig. 3 - Un multiplicateur électronique selon un troisième mode de réalisation de l'invention. Sur la figure 1 est représentée en Il une première galette et en 12 une seconde galette. Les fléches 13 indiquent le flux d'évènements primaires qui se présente sur la face 14 de la galette 11. Les galettes ne sont pas représentées à 1'é- chelle. Toutefois, est marquée la grande différence de leurs épaisseurs, de longueurs de leur canaux et des diamètres de ces derniers. Chacune de ces galettes est métallisée sur ses faces respectivement 14, 15 et 16, 17 entre lesquelles sont appliquées des différences de potentiel électrique. Ces différences de potentiel sont telles que le champ électrique à l'intérieur des galettes soit orienté de 15 vers 14 et de 17 vers 16. Les galettes sont en contact par leurs faces 16 et 15 celles-ci étant au même potentiel. De cette façon une multiplication électronique s'opère de 14 vers 17. La galette il fonctionne en étage préamplificateur, loin de la saturation, en régime linéaire avec un gain relativement élevé. Pour cela il est fait choix d'une galette dont la longueur des canaux est grande devant leur diamètre. Par ailleurs, la différence de potentiel entre 14 et 15 est ajustée pour rester dans le régime linéaire de fonctionnement. De ce fait, l'effet d'empilement multiélectronique est négligeable. La galette 12 fonctionne en étage de puissance a' faible gain. Pour cela la longueur L des canaux est choisie faible par rapport aux longueurs des canaux des galettes géneralement utilisées. De cette manière, a mtllti- plication électronique ne s'effectue qu'avec un faible nombre de palliers, ce qui conduit a' un faible gain de l'ordre de quelques centaines d'unités.Les longueur L et diamètre des canaux sont L tels que le rapport d est de l'ordre de 40 â 30, valeur a' comparer avec celles des galettes du type utilisé pour la galette 11, qui sont de l'ordre de 80 à 60. Par ailleurs, pour éviter l'effet de saturation en nappe en sortie des canaux de la galette 12, ceuxci sont soumis à un fort champ électrique Eg en vue d'accrottre le plus possible Qmax selon la relation (1). Le diamètre d des canaux de 12 est choisi petit par rapport au diamètre d' de la galette préamplificatrice 11. On fait ainsi correspondre à chaque évènement détecté par la galette préamplificatrice la charge multipliée par plusieurs canaux en nombre n,pratiquement invariable. de étage de puissance, ce nombre n étant approximativement égal à (dt)2. d d Sur la figure 2 est représenté un mode de réaiisation où la galette Il est à canaux courbes. Sur la figure 3 l'étage préamplificateur comporte des canaux en chevrons appartenant à l'ensemble des galettes 31 ét 32. On minimise ainsi dans ces deux modes de réalisation les signaux parasites dus aux réactions ioniques à l'intérieur des canaux0 L'exemple chiffré suivant,accompagné d'explications,permet d'apprécier l'apport de l'invention. La galette préamplificatrice de gain G01 a un rapport de longueur L' des canaux, à leur diamètre d', égal à 80 (d'L'= 80).Le diamètre d' est égal 40/ m, Pour l'étage de puissance le rapport de longueur L des canaux à diamètre d est égal à 40 (dL = 40), le diamètre d étant égal à 12,5 m, Son gain est Go2. Le champ électrique Eo appliqué à l'étage de puissance est par exemple de l'ordre de 3 000 V/mm. La constante diélectrique moyenne du matériau de galette est # = 3 10 - MKS. La galette préamplificatrice fonctionnant en ré- gime linéaire peut détecter et compter par unité de temps de récupération de charge de chaque microcanal, un nombre d'électrons au moins égal au nombre M de microcanaux qutelle comporte. La charge correspondant à ce nombre d'électrons multipliée par Go1 se retrouve sur la face d'entrée de l'étage de puissance. La détection linéaire et le comptage des charges ne pourra se faire en sortie de la seconde galette que,si après multiplication dans cette seconde galette, la charge en sortie reste inférieure à Q max définie par la relation (i). Autrement dit le nombre Nep d'électrons primaires détectables à l'entrée du multiplicateur par microcanal, et comptabilisables, obéit à la relation (2) M. Nep.G01. G02 = Qmax Cette charge Qmax étant proportionnelle à la surface du multiplicateur, est proportionnelle au nombre de canaux de chacune des galettes et en particulier au nombre M de canaux de la galette préamplificatrice et peut donc s'écrire (3) Qmax = & x N qmax représentant la charge maximale tolérable en sortie de ga lette de puissance par surface de microcanal de galette préamplificatrice. Selon les relations (1), (2), (3), le Nep du multiplicateur est fonction de G01 et G02 La partie gauche du tableau ci-dessous donne, fonction de G01 et G02, le Nep du multiplicateur associant galette préamplificatrice et galette de puissance de gain G01 x G02, Nep calculé à partir desdites rela- tions et dont les valeurs sont confirmées par l'expérience. Dans la partie droite du tableau on a indiqué en fonction de Go1 les résultats numériques tirés des relations (1), (2), et (3), concernant un multiplicateur qui ne comporterait que la galette préamplificatrice et dont la linéarité de détection serait limitée par le qmax de saturation en nappe de ladite galette fonctionnant seule. Ensemble de galettes Galette canaux de 40 m et canaux 12 m canaux 40 m seule G01 G02 10 103 104 1,3 10 130 104 5 10 102 103 105 1,3 106 13 105 5 104 0,5 103 103 106 1,3 106 > 1 106 5 104 0,01 La confrontation de la partie gauche et de la partie droite du tableau indique, à gain égal, pour le multiplicateur à deux galettes, un Nep très supérieur à celui d'un multiplicateur ne comportant qu'une galette, ce Nep pouvant être de 50 à 100 fois supérieur. Un tel multiplicateur est avantageusement introduit dans les dispositifs utilisant la multiplication électronique, notamment ceux du type photoélectrique. il va de soi qu'une telle application du multiplicateur, décrit précédemment, fait intimement partie de l'invention. REVENDICATIONS i. Dispositif multiplicateur électronique constitué d'une première galette de microcanaux à émission secondaire électronique et d'une seconde galette plaquée contre la première, les faces desdites galettes étant portées à différents potentiels électriques, ces potentiels étant croissants de la face externe de l'empilement réalisé et appartenant à la première galette, à la face externe dudit même empilement appartenant à la seconde galette, caractérisé en ce que le diamètre des canaux de la seconde galette est au plus égal au diamètre de ceux de la première galette, les potentiels électriques appliqués aux faces de la première galette sont tels qu'elle fonctionne en régime de gain non saturé, les potentiels appliqués aux faces de la seconde galette sont tels que le champ electrique appliqué aux microcanaux est au moins égal à de l'ordre de 1800 V/ - et en ce que l'épaisseur de la seconde galette est suffisamment faible pour que, compte tenu du champ électrique appliqué, son gain ne dépasse pas quelques centaines d'unités. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la première galette comporte des canaux courbes. 3. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que la première galette est constituée d'un ensemble de deux galettes en chevron, 4. Dispositif selon la revendication 1 à 3, caractérisé en ce que le rapport L/d de la longueur des canaux à leur diamètre est supérieur ou égal â de 1' ordre de 60 pour la première galette, inférieur ou égal à 40 pour la seconde, le rapport des diamètres de Oxrs canaux étant pour sa part supérieur ou égal à 2,5. 5. Application du dispositif selon l'une des revendications 1 à 4,caractérisé en ce qu'il est introduit dans un dispositif de détection photoélectrique.