Brevet FR2562256A1 — publié le 19851004

L'invention a pour objet un procédé et un circuit électronique utilisable particulièrement pour la mesure des signaux ayant de très faibles amplitudes et se trouvant à un potentiel continu très éloigné de celui de la terre. En spectrométrie, il est souvent nécessaire d'uti- liser un circuit multiplicateur d'électrons pour réaliser une première amplification de signaux de courant, dont la sortie se situe à un potentiel de plus de 1 000 V par rapport à la masse ou terre. Ces signaux ont, dans la plupart des cas, des amplitudes infimes. Dans les appareils de mesure connus, ces signaux sont d'abord mis au niveau du potentiel de la terre à l'aide de capacités ou de transformateurs d'isolation. Une résistance de grande valeur permet de convertir les courants en tensions. Or, on sait que la puissance de bruit d'une résistance R est égale à 4KT x R. Au moment de la mesure, ce bruit s'ajoute donc aux faibles signaux en plus de ceux qui sont introduits aussi par les câbles de connection dont l'em- ploi est souvent nécessaire dans ces circonstances d'utilisa- tion. Il en est ainsi, par exemple, en analyses par rayons-X ou par microsonde-X. Les signaux sortant d'un détec- teur proportionnel se trouvent à un potentiel supérieur à + t G';O0 V par rapport à la terre; ils sont transférés aux appareils de mesure à travers une capacité et une résistance de 1 gigohm (I G12) montées en série. L'amplitude du bruit introduit par cette résistance, à la température ambiante et pour un comptaqe de 10 000 coups par seconde, est de 0,4 mV eff., ce qui est de l'ordre de grandeur des signaux (1 mV). Ce bruit introduit par la résistance est donc important. Il oblige à ralentir le comptage pour l'exécution de mesures correctes. Les durées des analyses sont considérablement allong-es. il en est de m&me, dans les cas de spectromètres Auger équio-s d'ana!ys:u! e type dispersif dans lesquels des courants de quelues c.taines de picoampère sont ramenés des hautes tensions à la masse commune par des capacités ou des transformateurs d'isolation. Ces moyens de couplage en courant alternatif déterminent, dans ce cas, les différentes méthodes de spectrométrie. Ces dernières sont de trois sortes: 1/ La modulation d'énergie, effectuée sur l'analyseur. La composante de la modulation est transmise vers les appa- reils de mesure par une capacité de liaison. La technique en est simple, mais les informations recueillies par cette méthode sont incomplètes pour des évaluations quantitatives des analyses. Il faut pouvoir mesurer, dans ce cas, la dis- tribution énergétique des électrons émis par l'échantillon, ce qui ne peut se faire que par les deux méthodes suivantes. 2/ Le découpage du faisceau primaire d'excitation ou modulation de brillance. Dans le cas d'un faisceau primaire provenant d'un canon à électrons, le Wehnelt est modulé. Sa réalisation est simple. Cependant le fonctionnement en régime impulsion- nel introduit des distorsions et des incertitudes dans les résultats. De plus, avec cette méthode, les conditions de fonctionnement ne permettent pas le passage aisé vers un autre mode de fonctionnement, soit en modulation d'énergie, soit en visualisation de l'échantillon en électrons-secon- daires. - 3/ La troisième méthode utilise un très faible courant d'ana- lyse de telle manière que les impacts dans le multiplicateur d'électrons y créent des impulsions de courants compatibles avec un système de comptage. Cette dernière méthode est sensible et précise si l'on utilise un temps de comptage suffisamment long. Ceci réduit considérable le champ des analyses de surface à l'aide du spectromètre Auger, quand on sait que les phénomènes de surfaces ont souvent des évo- lutions rapides. De plus, le prix d'une chaîne de comptage de bonne performance est très élevé. Dans le cas des spectromètres Leed-Auger équipés d'analyseur à champs retardateurs, le transfert des signaux aux appareils de mesures se fait souvent par un transformateur d'isolement. On sait que les niveaux des bruits mélangés aux signaux sont importants. La méthode utilisée pour ces mesures consiste à moduler le potentiel des grilles de l'analyseur, et par détection synchrone sur la première harmonique de la fréquence, à obtenir ainsi la courbe de la distribution des électrons émis. Pour extraire d'autres informations, il est nécessaire de réaliser la détection synchrone réglée sur la deuxième harmonique. Cette méthode est pénalisée par les niveaux élevés du bruit. Les filtrages nécessaires allongent démesurément les temps d'analyses. Le but principal de l'invention est de parvenir à mesurer les signaux de très faibles amplitudes à potentiel élevé ou très élevé par rapport à la terre, en courant conti- nu, comme les signaux provenant éventuellement d'un détecteur, sans diminution du rapport signal sur bruit et sans que la liaison des circuits actifs souffre des bruits dus à une éventuelle liaison par câbles, en profitant de la meilleure sensibilité des détecteurs ou des analyseurs. Un but secondaire de l'invention est de permettre un gain de temps sur les mesures des signaux faibles noyés dans des bruits par un filtrage efficace améliorant le rapport signal sur bruit. On atteint le but principal indiqué en ce que, selon le procédé de l'invention, on amplifie le signal faible à potentiel élevé, on transforme le signal de tension en cou- rant reproduisant ce signal et ensuite seulement on l'abaisse au niveau du potentiel de la masse et on le mesure. Secondai- rement, si le signal amplifié est accompagné de bruits gênants, on le soumet à un échantillonnage, soit avant, soit après l'avoir mis au niveau du potentiel de la masse, selon l'origine du signal faible à potentiel élevé0 On met en oeuvre ce procédé grâce à un circuit électronique constitué par la combinaison de deux parties dans laquelle la premiere partie comprend un amplificateur de tension ou de courant lié en courant continu à la source des signaux, par exemple à la sortie d'un multiplicateur d'électrons et, dans ce cas, cet amplificateur est un électromètreo Il est suivi par au moins un amplificateur de courant. Lorsque la tension de mode commun du signal est très élevé, la première partie du circuit reçoit une alimentation qui lui est propre et qui est substantiellement au niveau du potentiel des signaux, par exemple à la haute tension de sortie du multiplicateur d'électrons. La deuxième partie du circuit, selon l'invention, réalise le transfert sensiblement au niveau du potentiel de la masse des appareils de mesure des signaux de courant provenant de la première partie. Quand il s'agit de signaux en courant continu, cette deuxième partie comprend au moins un transistor, le plus souvent une série de transistors, bipolaires ou à effet de champ, de polarité et de tenue en tension convenable. Le ou les transistors sont montés en base commune ou en amplificateurs de courant. Ils peuvent être de type Darlington ou à montages composites. Le montage est en série lorsqu'il est nécessaire d'utiliser plusieurs transistors pour partager la différence de tension. Dans ce cas, une série de résistances d'égale valeur permet de polariser les transistors. La série de résistances doit joindre, d'un côté le circuit d'alimentation de la première partie du circuit décrite précédemment, de l'autre la masse commune. Le transfert des signaux de courant se fait vers la masse commune, par le collecteur du dernier transistor, dans le cas d'une série, et par une résistance reliée à la masse commune. Les mesures de tensions des signaux s'effectuent aux bornes de cette résistance. Ces tensions peuvent être éventuellement am- plifiées par au moins un amplificateur, soit en liaison courant continu, avec réglages par commandes externes, si nécessaires, soit par détections d'impulsions, mises en formes et intégra- tions. La sortie-de ce dernier étage constitue la fin de la deuxième partie du circuit selon l'invention. Il est souhaitable, quand les signaux à mesurer sont accompagnés de bruits gênants, d'utiliser, dans le cadre de l'invention, une troisième partie placée avant ou après la deuxième partie du circuit. Selon l'invention, cette troisième partie réalise un échantillonnage des signaux déjà amplifiés et constitue un moyen de filtrage et de préservation contre les bruits. Elle est constituée par une porte analogique, au moins, intercalée sur le chemin de circulation du signal, à un endroit choisi du circuit, selon l'utilisation envisagée. Ainsi, dans le cas de l'emploi de l'invention en spectromé- trie Auger, l'échantillonnage du signal est préférentiellement effectué, au niveau du potentiel élevé de la première partie du circuit. La porte analogique est alors insérée entre l'am- plificateur d'entrée de signal et l'amplificateur de courant. Dans ce cas précis, le circuit constituant cette porte reçoit les mêmes tensions d'alimentation qui sont réservées à la première partie du circuit. De cette façon, le signal échan- tillonné est transmis, à travers la deuxième partie du circuit, sans être affecté par les éventuelles imperfections de ce dernier. Le signal échantillonné est alternatif, il est évident que sa transmission vers le potentiel de masse commune peut alors être effectuée à travers un condensateur au moins, à valeur convenable, et constituant la deuxième partie du circuit pour relier la sortie de la première partie du circuit au potentiel commun. Mais ce cas est limité à la transmission- des signaux alternatifs assez rapides. Dans d'autres cas d'emploi de l'invention, la troisième partie citée cidessus peut être placée à la suite de la deuxième partie du circuit pour réaliser l'échantillon- nage du zignal à ce niveau. L'opération d'échantillonnage se fait dans tous les cas au moyen de la porte analogique grâce à un signal de période appropriée provenant d'un circuit externe à celui de l'invention et qui commande l'ouverture et la fermeture de cette porte. La porte est polarisée de telle façon que l'on puisse faire des mesures, soit avec, soit sans échantillonnage. La reconstitution ou démodulation du signal échan- tillonné se lait par des circuits externes qui ne font pas partie de l'invention, selon des techniques bien connues comme la détection synchrone ou synchrodyne, qui reconstituent le signal avant échantillonnage, moyenné, donc avec un rapport signal sur bruit amélioré. On donnera maintenant, sans intention limitative et sans exclure aucune variante, une description de deux exem- pies de réalisation. On se reportera aux dessins annexes dans lesquels: la figure 1 est un schéma d'un premier circuit électronique conforme à l'invention avec une troisième partie d'échantil- lonnage placée après la deuxième partie, - la figure 2 est un schéma d'un deuxième circuit électronique conforme à l'invention avec une troisième partie d'échantil- lonnage placée avant la deuxième partie. On se reportera d'abord à la figure 1. La première partie I du circuit, selon l'invention, est séparée sur cette figure 1 de la deuxième partie II par un trait mixte. Le signal de courant à mesurer arrive à cette première partie I. Il est appliqué directement à une entrée 1 d'un amplificateur 2. Dans le cas de mesure de tension, la liaison de l'amplificateur 2 aux signaux se fait en 1 par une résistance de valeur convenable avec une résistance 3 pour procurer un gain choisi. Le signal passant par l'amplificateur 2 est envoyé en continu par un fil 4 à une entréee d'un ampli- ficateur de courant constitué dans ce cas par un amplificateur et un transistor PNP 6; les signaux sortent par le collec- teur 7 du transistor 6. Cet ensemble, non limitatif en compo- sants, constitue la première partie I du circuit selon l'in- vention. Il est alimenté par une source de tension isolée de la masse commune et ayant sur la figure des bornes opposées 8 et 9 avec un point milieu 10. Le potentiel du point 10 est celui de la référence du circuit de cette première partie I. La différence de potentiel de la source par rapport à la masse Commune de l'ensemble instrumental se trouvant à la terre, par exemple, est représentée en 11. La partie haute tension de 11 est donc reliée à la masse 10 de la première partie I du cir- cuit qui se trouve alors à une tension de mode commun élevée. La deuxième partie du circuit selon l'invention, désignée sur la figure par la référence II, est limitée par rapport à une troisième partie III par un trait mixte double. Le transfert des signaux à travers la différence de potentiel entre le circuit de la première partie I et le potentiel de masse des appareils suivants est fait à travers une série de transistors montés en base commune, ou drain commun, dont le nombre dépend de la valeur du potentiel à transférer. Dans cet exemple de réalisation, il existe dans ce circuit d'abaissement du potentiel une série de trois tran- sistors bipolaires PNP, 12, 13 et 14. Ils sont polarisés par des résistances mises en série 15, 16 et 17 avec des capacités de filtrage 18, 19 et 20. Cet ensemble de transistors et son pont de polarisation effectuent la jonction en courant continu entre le potentiel de la première partie I du circuit, selon l'invention, à l'entrée 15, 18 et 12 au potentiel de la masse commune en 17, 20 et 14. Les signaux provenant du transistor 6 sortent par le collecteur 21 du dernier transistor 14. Ils sont amplifiés par au moins un amplificateur 22 dont une entrée 23 peut recevoir une polarisation du niveau du signal continu recueilli à sa sortie 24 o un relevé des mesures peut être effectué. Dans de nombreuses circonstances, le circuit de l'invention peut être limité aux deux parties I et II. Le signal ayant été préalablement amplifié avant d'être mis au potentiel de la masse des appareils de mesure, il est pré- pondérant par rapport aux bruits introduits par la partie II du circuit. Mais, si le signal est accompagné de bruits gênants qui SOnt amplifiés avec lui, il est avantageux d'utiliser la partie III du circuit. Cette troisième partie effectue des opérations d'échantillonnage du signal provenant de la sortie 24 de la partie II. Le signal arrivant à la sortie 24 est envoyé à travers une porte analogique 25 à une résistance de charge, en 26. Un signal de fréquence appropriée appliqué à l'entrée 27 d'un transistor 28 de commande de la porte 25 permet à la charge 26 de recevoir des échantillons du signal venant de la sortie 24. Le signal échantillonné recueilli en 26 peut être traité par un circuit de reconstitution, connu en soi, qui lui fait suite et qui n'est pas inclus dans le circuit de l'inven- tion. On se reportera maintenant à la figure 2 pour décrire un deuxième exemple d'un circuit selon l'invention. Pour fixer les idées, ce circuit est prévu pour son applica- tion à la spectrométrie Auger et, à ce titre, n'est nullement limitatif. Le schéma est semblable en tout point à celui du premier exemple de la figure 1, sauf en ce qui concerne l'em- placement du circuit d'échantillonnage constituant la troisième partie du circuit selon l'invention. Cette troisième partie III, identique en ellemême à celle décrite précédemment et entourée -d'un trait mixte pour mieux la faire apparaître, est montée de la façon suivante. La porte analogique 25 est intercalée entre d'une part la sortie 4 de l'amplificateur 2, d'autre part l'en- trée de l'amplificateur 5. Le transistor de commande 28de la porte 25 est alimenté par la même tension 9 que l'ensemble de la première partie I. L'entrée 27 du transistor 28 peut rece- voir un signal de fréquence appropriée pour la commande de la porte, par un circuit non inclus dans celui de l'invention. Dans ce cas, l'amplificateur 5-6 transmet des échantillons de signaux sous forme de courant, vers la masse commune, à travers le circuit de la deuxième partie II déjà décrite précédemment. On trouve les signaux à la sortie 24 de l'amplificateur 22. Ils sont alors reconstitués comme indiqué plus haut par des circuits non inclus dans l'invention. Il est bien entendu que dans certains cas, un condensateur 29 de valeur convenable peut remplacer l'ensemble des éléments 15, 16, 17, 18, 19, 20, 12, 13 et 14 pour trans- mettre les signaux alternatifs vers la masse commune. Ce condensateur relie alors en courant alternatif le point 30 de sortie de l'amplificateur 5-6 au point 21 d'entrée de l'ampli- ficateur 22 par l'intermédiaire d'une résistance non représen- tée. A titre indicatif, on précisera que l'on peut utiliser dans les circuits qui viennent d'être décrits les composants suivants, disponibles dans le commerce: pour l'am- plificateur 2: AD 515 K; pour les amplificateurs 2, 22, 27: LF 355; pour la porte analogique 25: 2N 4091; pour le tran- sistor 29: BC 437 b NPN; pour le transistor 6: BC 307 b NPN; pour les transistors 12, 13, 14: BC 393 NPN (Ve commune 180 V). Ainsi, il apparaît que l'invention apporte un nouveau procédé de mesure particulièrement utile dans la spec- trométrie Leed-Auger, XPS. En effet, il permet la spectrométrie sans modulations ou découpage du faisceau d'électrons, évitant les fonctionnements en régimes dynamiques élevés des optiques dont on ne connait pas bien les fonctions de transferts et donc leurs produits de convolutions sur les signaux. Le cir- cuit de l'invention permet de mesurer directement les résultats donnés par le type d'analyseur utilisé, avec une grande sensi- bilité de mesures et une meilleure sensibilité d'analyse grâce au grand rapport signal sur bruit. La réponse du circuit com- posé d'éléments actifs est rapide. L'accélération des mesures specltrométriques pour suivre un phénomène est possible. De plus, le circuit de l'invention réalise les mesures en aval de l'analyseur, le passage du mode analyse au mode visualisation en éI du découpage du faisceau d'analyse, L'automatisation du spec- tromètre s'an trouve faclitée. On notera que le circuit selon J'invention foncteonne aussi bien en amplificateur d'impulsions et peut être suivi -entuelement par un compteur ou un inté- ara eur. Ainsi qu'on l'a --.C dite le circuit de l!inven- tîl est util _sable pour 'ds mesrres- de courant continu et alteznratif. LDans 2e cas de sign-]- e. courant alternaLif, la séra, des 'rinsistors 1 X! 4 ns le. partie II peut être relirLacé-e par une série de capac-.ts, ou de transformateurs ou de moyens de transmission à fibres optiques. Son utilisa- tion en spectrométries de rayons-X et microsonde-X apporte l'intérêt de son faible niveau de bruit, de son faible encom- brement; il peut remplacer, dans ce cas, tout le système de comptage et servir de moyen de comptage. Dans ce cas, il s'intègre parfaitement à l'ensemble d'un appareil miniaturisé. I1 est à remarquer aussi que le circuit de l'in- vention peut apporter ses avantages aux appareils utilisant des signaux provenant de capteurs et souffrant d'une influence électromagnétique sévère. REVENDICATIONS 1 / Procédé pour la mesure de signaux très faibles à potentiel élevé comparables à ceux d'un spectromètre, carac- térisé en ce qu'on amplifie ces signaux, on les transforme en signaux de courant, on les met ensuite au niveau du potentiel de la masse et on les mesure. 2 / Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que, lorsque les signaux amplifiés sont accompagnés de bruits gênants, on intercale une opération d'échantillonnage soit avant soit après la mise au niveau du potentiel de la masse. 3 / Circuit électronique pour la mesure de signaux très faibles a potentiel élevé comparables à ceux d'un spectro- mètre, caractérisé en ce qu'il comprend une premièere partie (I) constituée par au moins un amplificateur (2) directement relié en courant continu à la source des signaux suivi d'au moins par un amplificateur de courant (5), cette premiere partie (I) ayant: une tension d'alimentation substantiellement au niveau du poten- tiel de la source des signaux, et une deuxième partie (II) constituée par au moins un circuit d'abaissement du potentiel sensiblement au niveau de la masse des appareils de mesure des signaux. 4 / Circuit électronique selon la revendication 3 caractérise en ce que, pour des signaux en courant continu, le circuit d'abaissement du potentiel comprend au moins un transistor (12) recevant les signaux de courant provenant de la première partie (1) du circuit, par son émetteur ou source, et les transmettant à la masse commune des appareils qui sui- vent le circuit par son collecteur, ce transistor dtant pola- risé par une résistance (15) au moins, reliant un point à potentiel élevé de la première partie (1) du circuit à la masse conelune. / Circuit électronique selon la revendication 4 Caractérisé en ce que la deuxième partie (Il) comprend plusieurs transistors (12, 13, 14) montés en série, reliés du collecteur du piemier (12) à lVémetteur du deuxième (13) et ainsi de suite, le dernier transistor (14) ayant son collecteur relié par une résistance de charge au potentiel de la masse commune, ces transistors (12, 13, 14) étant polarisés chacun par des résis- tances (15, 16, 17) branchées respectivement entre base et collecteur et reliées entre-elles en série, entre un point au potentiel de la première partie (I) du circuit et un point au potentiel de la masse commune, ces résistances (15, 16, 17) partageant la différence de potentiel entre les transistors à des valeurs adéquates. 6 / Circuit électronique selon la revendication 3 caractérisé en ce que, pour des signaux en courant alternatif, le circuit d'abaissement du potentiel comprend au moins un moyen choisi entre un condensateur, un transformateur, un moyen de transmission par fibre optique. 7 / Circuit selon l'une quelconque des revendica- tions 3 à 6 caractérisé en ce que la deuxième partie (II) se termine par un amplificateur final (22) dont l'entrée est branchée sur la résistance de charge du collecteur du transis- tor ou du dernier transistor (14), la sortie de cet amplifica- teur (22) fournissant le signal à mesurer. 80/ Circuit selon la revendication 3 caractérisé en ce qu'il comprend une troisième partie (III) d'échantillon- nage comprenant une porte analogique (25) ayant une entrée reliée à la sortie de la deuxième partie (II) et une sortie (26), cette porte (25) ayant un moyen extérieur (27, 28) de commande d'ouverture et de fermeture à une fréquence appropriée. 9 / Circuit selon la revendication 3 caractérisé en ce qu'il comprend une troisième partie (III) d'échantillon- nage comprenant une porte analogique (25) ayant une entrée reliée à la sortie (4) de l'amplificateur (2) et une sortie (26) reliée à une entrée de l'amplificateur de courant (5), cette porte (25) ayant un moyen extérieur (27, 28) de commande d'ou- verture et de fermeture à une fréquence appropriée, alimenté à la même tension que la première partie (I). / Circuit selon la revendication 9 caractérisé en ce que la deuxième partie (II) comprend un condensateur (29) et un amplificateur de sortie (22), ce condensateur reliant la sortie (30) de l'amplificateur de courant (5) à une entréee (21) de l'amplificateur de sortie (22).