Brevet FR2384353A1 — publié le 19781013

La présente invention concerne un multiplicateur d'électrons de type composé de galettes de microcanaux à émission secondaire électronique ledit multiplicateur présentant un gain à la fois réglable et de-fluctuation relative faible et constante. Ce multiplicateur est notamment destiné à la detection de signaux correspondant à des électrons isolés à l'entrée du multiplicateur, -ces électrons pouvant résulter eux-mêmes d'évè- nements isolés, tels que photons ou particules électriquement charges. On sait que, lorsque pour détecter de tels électrons on les multiplie dans une galette de microcanaux, le gain à considérer est pratiquement celui où s'effectue la multiplication de ces électrons. Ce gain est indiqué dans la littérature spécialisée, (voir par exemple la revue "Acta Electronica", vol. Il janvier 1971, n 1, pages 99 à 105), sous la forme dite de spectre d'électron unique - en abrégé S.E.U. - représentant la distribution du gain Gi de multiplication en fonction de fréquence Ni d'existence de ce gain, une distribution équivalente étant celle de la charge Q i en sortie après multiplication correspondant à en en fonction de ce même Ni. Ces spectres indiquent une forte fluctuation de gain donc de charge.Dans les cas les plus favorables où ces fluctuations sont les plus faibles et pour lesquels la galette fonctionne selon un régime de saturation, courbe de spectre S.E.U. N i = f (Qi) a un aspect de courbe en cloche de Gauss pour laquelle on peut définir une largeur d Q à demi-hauteur et la charge moyenne Q en sortie de microcanal correspondant à l'abscisse du sommet de ladite courbe. Le rapport QQ Q dit de ré Q solution de la galette, indiquant l'aptitude de la galette à détecter et comptabiliser les électrons isolés, dépasse rarement 50 %, performance la plus grande obtenue avec une galette à canaux courbes. Par ailleurs, ce rapport de résolution n'est pas constant en fonction du gain de la galette. Le but de l'invention est de proposer un dispositif multiplicateur dtélectrons construit à l'aide de galettes de mi cro canaux dont le pouvoir de résolution # Q soit beaucoup plus Q faible1 de l'ordre par exemple de 6 %, et quasi constant en fonction du gain moyen G de la galette (correspondant à la charge moyenne Q), lequel est fonction des différences de potentiel élec- trique réglables appliquées aux faces de galettes. Un tel pouvoir de résolution permet alors de comptabiliser les charges détectées avec une faible erreur ce qui n1 est pas le cas lorsque ce pouvoir de résolution est de l'ordre de 50 à 100 ,'. L'invention conçoit le cas idéal où les charges individuelles à détecter se repartiraient chacune spatialement de façon homogène à l'entrée d'un même nombre de canaux d'une galette différents pour chacune des charges, lesquelles seraient assez élevées pour que, compte tenu de la différence de potentiel électrique-entre les faces de la galette, la portion de galette constituée par ledit nombre de canaux fonctionne selon le régime de saturation en nappe dont il est question par exemple dans la demande de brevet n0 77 05 885 déposée le ler Mars 1977, au nom de la demanderesse. La charge délivrée en sortie de portion de galette correspondant à chaque charge individuelle est le maximum de la charge pouvant être délivrée par cette portion de galette. Si S est la surface de cette portion de galette et G la constante diélectrique moyenne du matériau, cette charge est (j) Q max t S (E' - E j) E' et e étant le champ électrique dans les microcanaux, respec E1 tivement à l'entrée et à la sortie, ces valeurs de champ étant fonction de la différence de potentiel électrique établie entre les faces de la galette et du champ E appliqué à l'intérieur o des canaux qui s'en déduit, (On rappelle que E1 est la valeur du champ conduisant à un gain de multiplication de valeur 1 par palier de multiplication). Il s'ensuivrait que, dans ce cas idéal, à chaque charge individuelle à ltentrée de galette, correspondrait en sortie le même quantum Qmax de charge et que le pouvoir de réso- lution serait pratiquement nul, le gain étant par ailleurs réglable par reglage de la tension électrique entre les face-s de la galette, à l'intérieur de limites qui maintiennent le fonctionnement selon le régime de saturation en nappe. Pour se rapprocher de ce cas idéal, l'invention conçoit de faire subir, une première multiplication des électrons isolés à détecter, la multiplication ayant lieu dans un microcanal appartenant à une première galette, ledit microcanal fonctionnant en régime individuel de saturation avec un pouvoir de résolution R = #Q déjà notable, nettement inférieur à 100 % de manière Q déjà à résoudre chaque signal en sortie de galette et comptabi liser les charges multipliées de valeur moyenne Q et de fluctuation à demi-hauteur d Q avec une bonne approximation. Les conditions du cas idéal précédemment évoqué sont alors réunies : l'on dispose de charges élevées en sortie de chaque microcanal de première galette, correspondant chacune à une charge d'électron à l'entrée ; ces charges élevées débouchant chacune d'un microcanal de la première galette peuvent être réparties a l'entrée de plusieurs microcanaux d'une seconde galette dont le diamètre des canaux est très inférieur à celui des canaux de la première galette ; ces charges élevées subissent dans la seconde galette une seconde multiplication conduisant à la saturation en nappe de chacune des portions de galette utilisées par chacune des charges dites élevées issues de la première galette, les potentiels électriques appliqués aux faces de cette seconde galette étant tels que cette saturation en nappe existe lorsque les valeurs desdites charges fluctuent de tôQ autour 2 de leur valeur moyenne Q. A chaque électron isolé à l'entrée de la première galette, correspond ainsi en sortie de seconde galette, sinon un quantum Qmax de charge, du moins une charge dont la fluctuation relative autour de Q max est beaucoup plus faible que celle en sortie de première galette, au point que le pouvoir de réso lution R = 4QQ Q du multiplicateur ainsi constitué en spectre d'é Q lectron unique S.E.U. tombe à une valeur de quelques pour cent, ce qui permet une comptabilisation très précise des électrons détectés. Ainsi selon l'invention, il est réalisé un dispositif multiplicateur électronique constitué d'une première galette de microcanaux a émission secondaire électronique et d'une seconde galette plaquée contre la première, les faces desdites galettes étant portées a différents potentiels électriques, ces po tentiels étant croissants de la face externe de ltempilement réalisé et appartenant à la première galette, à la face externe dudit même empilement appartenant à la seconde galette, remarquable en ce que le diamètre des canaux de la seconde galette est inférieur au diamètre de ceux de la première galette, les potentiels électriques appliqués aux faces de la première galette sont tels que chacun des mnalls fonctionne en régime de gain saturé lors de la multiplication d'un électron unique et les potentiels appliqués aux faces de la seconde galette sont tels que, compte tenu de la charge en sortie de première galette résultant de ladite mxtltiplication d'électron unique, ladite seconde galette fonctionne localement en régime dit de saturation en nappe lors de la multiplication de ladite charge issue de la première galette. La présente invention sera mieux comprise a l'aide de la description suivant de modes de réalisation donnés à titre d'exemples non limitatifs, accompagnés de considérations techniques et de figures qui représentent - Fig. 1 - Une coupe du multiplicateur de l'invention par un plan parallèle aux axes des microcanaux. - Fig. 2 - Une vue partielle et grossie de cette coupe. - Fig. 3 - Une courbe indiquant le gain en électron unique d'un microcanal appartenant a une galette en fonction de la tension électrique appliquée entre ses faces. - Fig. 4 - Une courbe indiquant le spectre en électron unique (S.E.U.) dudit microcanal. - Fig. 5 - Une série de courbes indiquant le gain global d'une galettes fonction du nombre d'électrons primaires par canal (Nep) à ltentréet chaque courbe correspondant a une valeur de tension électrique entre les faces de la galette. Sur la figure 1 est représentée en 11 une première galette et en 12 une seconde galette constituant le multiplicateur. Les fléches 131, 132, 133, indiquent chacune un électron primaire a détecter qui se présente sur la face 14 de la galette 11. Les canaux des galettes ne sont pas représentés à l'échelle. Sst toutefois marquée la très grande différence de leurs diamètres. 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 canaux soit orienté de 15 vers 14 et de t7 vers 15.Les galettes sont de préférence directement en contact par leurs faces 16 et 15, celles-ci étant au même potentiel électrique. Sur la figure 2, on a grossi la portion de mlltiplicateur servant a détecter l'électron représenté par la fléche 131. L'électron est d'abord multiplié dans le canal 18 de la galette 11 et de diamètre d. La charge niultiélectroniqne obtenue en sortie est répartie uniformément dans les canaux de diamètre d' de la galette 12, appartenant a la portion de galette cylindrique faisant face au canal 18 et dont le diamètre est d, égal à celui de 18, le nombre de canaux de cette portion de galette 12 étant sensiblement n = ( d)2. Sur la figure-2 cette portion de galette est représentée par sa section en 19. Les conditions de fonctionnement des canaux appartenant respectivement aux galettes il et 12 sont précisées et explicitées ci-après à l'aide des figures 3, 4 et 5. Sur la figure 3, la courbe 30 représente en coordonnés rectangulaires la correspondance entre le gain moyen G d'un microcanal appartenant à une galette de microcanaux, ledit o gain étant indiqué par son logarithme népérien en ordonnées et la tension VQ entre les faces de la galette lorsque la charge à l'entrée est celle d'un électron. On distingue une partie linéaire OA et une partie AB correspondant à un gain saturé. Le microcanal 18 de la galette Il fonctionne dans cette partie saturée. La courbe 40 de la figure 4,représente en coordonnées rectangulaires le spectre d'électron unique pour un point de fonctionnement de cette partie saturée.En abscisse est indiquée la charge Qi délivrée en sortie de microcanal 18, correspondant a un électron à l'entrée, en fonction de la frquence N. de délivrance de cette charge lors d'un grand nombre de multiplication de charges monoélectroniques. Cette courbe a une allure de courbe en cloche de Gauss de largeur à demi-hauteur # Q. La charge délivrée par électron détecté, notamment l'électron 131, par microcanal est donc de l'ordre Q # #Q , Q étant la valeur moyenne de la charge cor respondant au sommet de la courbe de Gauss et # #Q la fluc2 tuation à demi-hauteur de cette charge.Selon l'invention, on choisira avantageusement comme galette Il une galette pouvant fonctionner avec un gain de microcanal élevé, par exemple, du type dit en chevron ou mieux encore, de préférence, à canaux courbes, permettant d'éviter les effets parasites dus aux retours ioniques lorsque le gain est de l'ordre de 106, le pouvoir de ré solution R = Q 8 étant alors inférieur à 100 % et pouvant bais- Q ser jusqu'a 50 %. La courbe 50 de la figure 5 donne en coordonnées rectangulaires le gain global G d'une galette ou portion de ga lette pour une valeur Y de la tension appliquée entre ses faces, o ladite galette ou portion comportant un grand nombre de canaux fonctionnant simultanément, en fonction du nombre d'électrons primaires par microcanal Nep à l'entrée indiqué en abscisses, les électrons étant uniformément répartis sur l'entrée de la galette ou portion. Cette courbe présente un palier HR d'ordonnée G o o parallèle aux abscisses correspondant au régime linéaire de chaque microcanal et une partie saturée RoLocorrespondant à la saturation en nappe de la galette ou portion de galette. Cette satura tion apparait sensiblement au point R d'abscisse Nep0.Pour une o tension de galette V1 ( Vo, la courbe 50 devient 51 de forme analogue à 50, le pallier parallèle à l'axe de Nep devient plus long; la saturation en nappe apparaissant au point R1 d'abscisse Nep1 > Nepo la pente de la partie saturée restant sensiblement identique. Pour une tension de galette Y2 > V0 la courbe 50 devient 52 également semblable à 50 et 51, la saturation en nappe apparaissant en R2 d'abscisse Nep2 Selon l'invention ce sont de tels points de fonctionnement qui sont choisis pour le fonctionnement des portions telles que 19 de la galette 12 faisant chacune face à un canal tel que 18 de la galette il. De plus, pour le choix de ces points de fonctionnement il est tenu compte de la fluctuation + 42Q de 2 la charge Q correspondant à un électron détecté délivré par un microcanal,tel que 18 de la galette Il (Cf. figure 2).Pour ce choix on fait en sorte, en jouant sur la tension VG d'alimentation de la galette 12, que le nombre d'électrons primaires par canal de galette 12, Nep, correspondant â la charge Q - Q délivré par un canal tel que 18, ctest-à-dire - (Q - 4), soit supérieur n à l'abscisse d'un point tel que R0 de la courbe 50 ou de ses analogues sur les courbes 51 et 52. Ainsi, la tension d'alimentation VG étant de valeur VO, les points représentatifs de fonctionnement sur la courbe 50 d'une portion de galette 12 telle que 19 sont ceux situés sur la portion de courbe M P N, P étant le point qui correspond à la valeur moyenne de charge Q d'abscisse Nepps M et N étant ceux qui correspondent aux valeurs respectivement Q - # Q et Q + # Q d'abscisse respectives NepM et NepN qui sont telles que Nep ( NepM ( Nepp A chaque électron détecté correspond ainsi en sortie une charge Q maux donnée par la relation (t), et dont la fluctuation est fortement amoindrie par rapport à celle en sortie de galette 11, la galette 12 fonctionnant en quelque sorte en stabilisateur de gain de la galette 11. Cette charge, et donc en fait le gain global du multiplicateur, est réglable en agissant sur VG En portant par exemple cette tension à la valeur V1 on à la valeur V2 on pourra respectivement diminuer ou augmenter ce gain, les points de fonctionnement de portions de galette 12 se trouvant représentés sur les courbes 51 et 52, selon les segments respectifs M1 P1 N1 et M2 P2 N2 de Nep supérieurs respectivement à Nepl et Nep2. Un exemple typique d'éléments rentrant dans la constitution du multiplicateur est le suivant La galette Il est constituée de canaux courbes dont le rapport longueur L à diamètre d de canal est L = 80 ; le diamètre des d canaux est d = 40 pm ; la tension électrique entre les faces de galette est 1 500 V ce qui conduit pour cette galette à un gain en électron unique de valeur moyenne G + 10 et à un pouvoir de résolution # Q. La galette 12 plaquée contre la galette Il Q est constituée de canaux droits de rapport Ld = 40, le diamètre des canaux étant égal à 12,5 m. La tension électrique entre les faces de galette est réglable entre 600 et 1 500 V. Le gain global du multiplicateur en électron unique est alors réglable entre 106 et 3 107 ; le pouvoir de résolution global R du multiplicateur est constant en fonction de la tension appliquée à la galette 12 ; il est inférieur à 10 ,'. 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 : 1. 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 inférieur au diamètre de ceux de la première galette, les potentiels électriques appliqués aux faces de la première galette sont tels que chacun des canaux fonctionne en régime de gain saturé lors de la multiplication d'un électron unique et les potentiels appliqués aux faces de la seconde galette sont tels que, compte tenu de la charge en sortie de première galette résultant de ladite multiplication d'électron unique, ladite seconde galette fonctionne localement en régime dit de saturation en nappe lors de la multiplication de ladite charge issue de la première galette. 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 â leur diamètre est supérieur ou égal à de l'ordre de 80 pour la première galette, inférieur ou égal à 40 pour la seconde, le-rapport des diamètres de leurs canaux étant pour sa part supérieur ou égal à 2,5. 5. Application du dispositif selon 3'nne-des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il est introduit dans un dispositif de détection photoélectrique.