Brevet FR2619960A1 — publié le 19890303

ANALYSEUR D'ENERGIE DE RADIATION A JONCTION JOSEPHSON La présente invention concerne un analyseur d'énergie de radiation qui utilise une jonction Josephson. La figure 3 montre un analyseur à semiconducteur de l'art antérieur qu'on utilise pour analyser l'énergie d'une radiation (rayonsô, rayons X et particules chargées). Comme le montre la figure 3, la partie de jonction semicon- ducteur de type n 11 - métal 13, ou la partie de jonction semiconducteur de type p 13 - semiconducteur de type n 11l présente une couche de déplétion 12. Une tension est appli- quée à l'analyseur et la majeure partie de cette tension est appliquée à la couche de déplétion 12. En outre, l'épaisseur de la couche de déplétion 12 est supérieure à la distance de pénétration de la radiation. On fait fonctionner le dispositif de la façon sui- vante. Lorsque la radiation atteint la couche de déplé- tion 12, des paires électron et trou sont créées, et elles sont collectées par les électrodes sous l'effet du champ électrique appliqué. L'énergie des charges qui sont ainsi collectées est proportionnelle à l'énergie E de la radiation incidente, et on peut effectuer une analyse d'énergie de la radiation. Les facteurs qui déterminent ici la résolution de l'analyse d'énergie sont les suivants. (a) Un facteur résultant de l'erreur statistique N1/2 relative au nombre N de paires électron-trou qui sont produites; (b) La fluctuation de l'énergie de la radiation qui est absorbée par des processus autres que la génération de paires électron-trou; (c) La fluctuation et le bruit thermique qui sont inhérents aux caractéristiques du système de détection. Parmi les facteurs précités, on va estimer celui indiqué en (a). Lorsqu'on utilise un détecteur à semiconduc- teur consistant en silicium, l'énergie W nécessaire pour produire une paire électron-trou est de 3,6 eV, et lorsqu'on détecte un rayonnement d'une énergie E = 1 MeV, le nombre de paires électron-trou qui sont produites est d'environ N = E/ W. La distribution de N est ici une distribution normale, soit I-= N1/2, et la résolution d'énergie AE prend la va- leur indiquée ci-aprês, lorsqu'on la représente par une lar- geur à mi-valeur. dE = 2,36cr. W = 2,36 (EW)1/2 = 4 keV... (1) De façon générale, A E prend une valeur d'environ keV du fait qu'il existe en outre les facteurs (b) et -2 (c) précités. 6E/E prend donc une valeur d'environ 102 L'analyseur d'énergie de radiation de l'art anté- rieur ayant une telle structure présente les défauts sui- vants. 1. Du fait de l'existence des facteurs (a), (b) et (c) précités, on n'obtient qu'une résolution à E/E -d'environ 102 2. Le dispositif utilise une barrière de surface et une jonction, mais ces structures sont susceptibles de se dégrader lorsque la température augmente. La barrière de surface se dégrade au-dessus de 100 C et la jonction se dé- grade au voisinage de la température ambiante. Il n'est donc pas possible d'effectuer un étuvage et une opération de maintenance à la température ambiante. Le dégazage est iné- vitablement nécessaire lorsqu'un analyseur est accouplé à un appareil fonctionnant avec un vide extrêmement élevé, tel que 13 x 10-9 Pa. L'invention a pour but de procurer un analyseur d'énergie de radiation perfectionné ayant une meilleure ré- solution d'énergie AE/E, qui permette d'effectuer un étu- vage et une opération de maintenance à la température amn- biante. L'invention procure un analyseur d'énergie de ra- diation du type à jonction Josephson comprenant: une jonc- tion tunnel constituée par une triple couche supraconduc- teur-isolant-supraconducteur; et une couche de métal en contact avec l'un des supraconducteurs de la jonction tun- nel, qui est celui situé du côté recevant la radiation. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre d'un mode de réalisation, donné à titre d'exemple non limitatif. La suite de la description se réfère aux dessins annexés sur lesquels: La figure 1 est un schéma montrant un analyseur d'énergie de radiation qui constitue un mode de réalisation de l'invention; La figure 2 est un graphique destiné à exemplifier le fonctionnement de cet analyseur; et La figure 3 est un schéma montrant un analyseur d'énergie de radiation de l'art antérieur. On se référera plus particulièrement à la figure 1 pour expliquer l'invention en détail. On voit sur la figure 1 un analyseur d'énergie de radiation du type à jonction Josephson qui constitue un mode de réalisation de l'inven- tion. Sur la figure 1, la référence 1 désigne un métal qui reçoit une radiation. La référence 10 désigne une jonction Josephson comprenant les constituantssuivants: supraconduc- teur 2-isolant 3-supraconducteur 4. La référence 5 désigne un métal destiné à refroidir la jonction Josephson et la ré- férence 6 désigne de l'hélium liquide pour le refroidisse- ment. La référence 7 désigne une source à courant constant destinée à polariser la jonction Josephson 10 avec un cou- rant constant. La référence 8 désigne des moyens destinés à détecter un changement de tension. Le métal 1 qui reçoit la radiation a une épaisseur supérieure à la distance de pénétration de la radiation, de façon que la radiation incidente puisse perdre toute son énergie dans ce métal. On fait fonctionner le dispositif de la manière suivante. Lorsque le métal 1 reçoit une radiation, des élec- trons du métal 1 sont excités par la radiation incidente et l'énergie est finalement communiquée à des phonons. Ces pho- nons atteignent la jonction Josephson 10 formée par le su- praconducteur 2, l'isolant 3 et le supraconducteur 4, et ils détruisent les paires de Cooper dans la jonction Josephson. La figure 2 montre des caractéristiques I-V de la jonction Josephson avant et après la destruction de paires de Cooper. Comme le montre la figure 2, l'augmentation de la densité de quasi-particules due 3 la destruction de paires de Cooper induit une augmentation du cdourant de quasi-parti- cules et une diminution de la bande interdite dans la région située au-dessous de celle-ci. Lorsqu'on mesure ce change- ment, on obtient un signal correspondant aux phonons inci- dents. Dans ce mode de réalisation, la source de courant constant 7 applique une polarisation par un courant constant dont la valeur correspond à la partie plate de la courbe de la figure 2, et dans une telle condition de polarisation, les moyens de détection de changement de tension 8 fournis- sent un signal de sortie de détection de phonons ayant une sensibilité élevée, du fait que la partie plate de la courbe donne lieu à un changement de tension élevé pour une faible différence de courant. L'énergie nécessaire pour détruire une paire de Cooper va de quelques meV à plusieurs dizaines de meV, et la résolution d'énergie correspondant à l'erreur statistique est d'environ 100 eV d'après l'expression (1). Il est donc possible d'améliorer la résolution d'énergie de deux ordres de grandeur, par rapport au dispositif de l'art antérieur. En outre, du fait qu'on ne détecte finalement dans cette me- sure que l'énergie qui a été convertie en phonons, une er- reur de détection n'apparaît pas, et il n'apparaît pas une erreur correspondant à la fluctuation de l'énergie de la radiation qui est cédée à des processus autres que la géné- ration de paires électron-trou, comme c'est le cas dans le dispositif de l'art antérieur. En outre, la détection par l'utilisation de la jonction Josephson est effectuée à une température basse à laquelle le bruit thermique ne crée aucun problème, ce qui donne une valeur faible aux erreurs qui apparaissent dans ce mode de réalisation et qui corres- pondent au bruit thermique et à la fluctuation inhérents aux caractéristiques du système de détection, existant dans le dispositif de l'art antérieur. En outre, dans ce mode de réalisation, le métal de refroidissement 5 est placé de façon à effectuer un re- froidissement uniquement du côté de la jonction Josephson, ce qui fait que les phonons produits peuvent être détectés en totalité. En outre, du fait que l'analyseur de ce mode de réalisation comporte une jonction qui n'est pas susceptible de réagir en fonction de la température, on peut effectuer une opération de dégazage par la chaleur et une opération de maintenance à la température ambiante. On peut donc utiliser le dispositif du mode de réalisation présent dans un appareil fonctionnant avec un vide extrêmement poussé, et dans un dispositif réel la par- tie en métal 1, le supraconducteur 2, l'isolant 3 et le su- praconducteur 4 sont placés dans un vide extrêmement poussé -9 tel que 13 x 10 9 Pa. La chaleur qui est produite par la radiation incidente dans la partie en métal 1 ne peut donc se dissiper que par la surface de cette partie qui est en contact avec le supraconducteur 2, et toute la radiation incidente est détectée efficacement. On trouvera ci-après un exemple de matière et d'épaisseur pour le métal 1 utilisé dans le mode de réalisa- tion présent. Il est préférable que l'épaisseur du métal soit d'environ deux fois la distance de pénétration de la radiation. A titre de suggestion, lorsqu'on utilise Au pour le métal, la relation entre l'énergie de la radiation inci- dente et sa distance de pénétration est elle qu'on obtient une distance de 15 pnim à une énergie de 2000 keV (voir le do- cument de H. H. Andersen et J. F. Ziegler, "The Stopping Power and Ranges of Ions in Matter", publié par J. F. Ziegler (Pergamon, New-York 1977>). En adoptant un métal d'une telle épaisseur, l'énergie de la radiation incidente est intégralement convertie en chaleur (phonons), et la pré- cision de la détection est améliorée. En outre, dans le mode de réalisation présent, on effectue le refroidissement en employant de l'hélium liqui- de, mais on peut effectuer de refroidissement en employant de l'azote liquide lorsqu'on utilise pour le supraconducteur un supraconducteur fonctionnant à température élevée. La description qui précède montre de façon éviden- te que, conformément à l'invention, on utilise pour l'analy- se d'énergie une jonction Josephson comprenant une structure à trois couches du type supraconducteur-isolant-supraconduc- teur, et un métal auquel une radiation est appliquée est placé en contact avec un supraconducteur de la jonction Josephson, gr&ce à quoi on peut réduire la valeur AE/E de la résolutuon d'énergie et on peut effectuer un dégazage par la chaleur et une opération de maintenance à la tempéra- ture ambiante. Il va de soi que de nombreuses modifications peu- vent être apportées au dispositif décrit et représenté, sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Analyseur d'énergie de radiation du type à jonction Josephson, caractérisé en ce qu'il comprend: une jonction tunnel (10) constituée par une triple couche su- praconducteur (2) - isolant (3) - supraconducteur (4); et une couche de métal (1) placée en contact avec l'un (2) des supraconducteurs de la jonction tunnel (10), cette couche de métal recevant la radiation incidente. 2. Analyseur d'énergie de radiation du type à jonction Josephson selon la revendication 1, caractérisé en ce que la jonction tunnel (10) est refroidie par le côté de l'autre supraconducteur (4). 3. Analyseur d'énergie de radiation du type à jonction Josephson selon l'une quelconque des revendications i ou 2, caractérisé en ce que la jonction tunnel (10) et la couche de métal (1) sont placéesdans un vide extrêmement poussé.