Brevet FR2716264A1 — publié le 19950818

d4 2716264 Procédé et dispositif pour mesurer la quantité de charge s'écoulant dans le vide La présente invention concerne un procédé pour mesurer pour chaque unité de temps une quantité de charge électrique traversant une zone de volume sous vide dans un sens défini, selon lequel des particules transportant la charge sont captées à l'aide d'un dispositif capteur relié à un circuit de mesure pour un courant galvanique, et le courant galvanique produit par le captage est mesuré dans le circuit. L'invention concerne aussi un dispositif de mesure pour la quantité de charge traversant à chaque unité de temps une zone de volume sous vide dans un sens défini, comportant un dispositif capteur disposé dans le vide et relié à un circuit de mesure de courant galvanique. L'invention concerne enfin une utilisation du procédé et du dispositif de mesure. On connaît un moyen qui consiste à capter au moins en partie la quantité de charge électrique s'écoulant dans le vide, qu'elle soit produite par des ions ou des électrons, en prévoyant des dispositifs capteurs sur le trajet d'écoulement. Le dispositif capteur est raccordé à un circuit de mesure de courant pour un courant galvanique, c'est-à-dire un courant de conduction par électrons, et le courant galvanique produit par le taux de captage est mesuré à l'aide d'un dispositif de mesure de courant tel qu'un circuit électromètre. De tels dispositifs capteurs sont également montés en amont de multiplicateurs d'électrons secondaires afin d'augmenter la sensibilité. La plage de mesure de courant est limitée par la plage dynamique du dispositif capteur ou par la plage dynamique de la capacité de modulation du dispositif de mesure de courant ou du système électronique prévu à cet effet. Dans la pratique, la plage dynamique est augmentée grâce à une commutation de la sensibilité, c'est-à-dire de la plage de mesure du système électronique de mesure, ou grâce au fait que plusieurs dispositifs capteurs sont disposés dans le vide parallèlement au sens d'écoulement des porteurs de charge, c'est-à-dire côte à côte, et sont reliés à des systèmes électroniques de mesure respectifs présentant différentes plages de mesure. On connaît aussi un moyen qui consiste à mettre en oeuvre pour la mesure du courant galvanique des amplificateurs logarithmiques, mais cela s'accompagne d'une perte de précision dans les plages de courant basses, c'est- à-dire dans la plage pA, par exemple, et entraîne des constantes de temps de mesure trop grandes dans le cas de l'enregistrement de courants galvaniques, par exemple au- dessous de 10 pA. Selon "Low Level Measurements", 4ème édition, Keithley Instruments, Inc., Cleveland, OH 44139, USA, "précision" signifie "une mesure de la qualité d'accord entre une lecture d'instrument et celle d'un étalon primaire pouvant tout à fait être rattaché à une norme sanctionnée par un organisme de normalisation reconnu". Les amplificateurs logarithmiques, bien qu'ils donnent une plage dynamique importante, sont donc inappropriés, dans de nombreux cas pratiques, pour cette mesure. Avec un positionnement parallèle, réalisé dans le sens mentionné plus haut, de capteurs dans le courant de particules comme par exemple dans un faisceau d'ions ou d'électrons, on poursuit généralement deux objectifs. Cela permet d'une part d'étendre la plage dynamique, les systèmes parallèles étant équipés de systèmes électroniques de mesure de courant de sensibilités différentes. Cela permet d'autre part d'apprécier la qualité de la mesure, dans la mesure o cette dernière dépend des capteurs, puisque des écarts de signaux de mesure au-dessous des niveaux de capteurs prévus parallèlement peuvent être utilisés à des fins de correction de signaux: à courants de particules égaux, affichages égaux. A des fins d' étalonnage, un faisceau de particules est déclenché entre les capteurs parallèles. Les systèmes de capteurs dits de Faraday qui sont connus, notamment pour mesurer des courants d'ions et/ou d'électrons, ou les combinaisons de ces systèmes avec des multiplicateurs d'électrons secondaires comme par exemple MCP (micro channel plate), CT (Channeltron), ST (Spiraltron) et les multiplicateurs d'électrons avec un nombre de dynodes discret sont des systèmes montés en parallèle ou des systèmes séquentiels dans le temps aptes à être commutés dans le temps. On trouve des systèmes de mesure de capteurs dans de multiples applications, par exemple dans des spectromètres magnétiques de masse tels que le MAT 261 de la société Finnigan et le détecteur de fuites ASM 120 de la société Alcatel, ou dans l'appareil M.T. Esat présenté dans Nucl. Instrum. & Methods Physical Research Section B, un spectromètre de masse multi-détecteur de 61 cm à l'Université Nationale d'Australie. L'étalonnage de tels instruments est réalisé de façon séquentielle avec des grandeurs de référence connues, comme cela est décrit par exemple dans DE-OS-31 39 975. Ces étalonnages ne concernent pas les dispositifs capteurs en soi, mais seulement leur système électronique de mesure de courant monté en aval. Les systèmes de mesure séquentiels dans le temps, qui peuvent présenter par exemple les combinaisons suivantes: système capteur de Faraday/système capteur de Faraday, système capteur de Faraday/MCP, système capteur de Faraday/CT, système capteur de Faraday/multiplicateur d'électrons secondaires (SEV), système capteur de Faraday/ST, fonctionnent de façon échelonnée dans le temps, par exemple grâce à la commutation du faisceau de particules. Un système et un procédé de ce type sont décrits par exemple dans DE-37 20 161 et FR-2 600 416-A. L'inconvénient de prévoir des capteurs disposés parallèlement dans le courant de particules doit être considéré en principe dans le fait que la quantité de charge est ainsi mesurée à plusieurs endroits. L'origine d'une variation de signal enregistrée au niveau de l'un des détecteurs prévus parallèlement, par rapport aux autres ne doit pas obligatoirement se situer au niveau d'un mauvais réglage du système électronique de mesure associé. Cela peut aussi indiquer une répartition variable de la densité de courant ou une variation de la répartition de la densité de charge s'écoulant, sur la surface observée du courant de particules. Ces effets, ainsi que les variations de caractéristiques du capteur en soi, entraînent tous une variation de signal au niveau du système électronique de mesure de courant et ne peuvent pas être séparés les uns des autres. Le montage parallèle des capteurs est également utilisé, bien souvent, pour mesurer justement la répartition de densité de charge dans le courant comme fonction de l'endroit. On se reportera à ce sujet à la référence mentionnée plus haut, dans Nucl. Instrum. & Methods Phys. Res. Sect. B et à T.A. Peyser et ai., Segmented concentric Faraday cup for measurement of time-dependent relativistic electron beam profiles, Rev. Sci. Instrum. 62 (12), ainsi qu'à K.Asano et al., Multi-faraday-cup-type beam profile monitoring system for a dual-beam irradiation facility, Nucl. Instrum. & Methods Phys. Res. Sect. B. Les procédés séquentiels dans le temps, qui nécessitent une commutation notamment pour des raisons de choix de plage de mesure, ne conviennent que dans certaines conditions pour mesurer des courants à variation rapide, car le système de mesure est aveugle pendant les opérations de commutation et la commutation nécessite en partie une variation du système optique d'ions ou d'électrons dans la zone des capteurs. EP-A-O 172 477 a divulgué un procédé selon lequel, en particulier dans le domaine optique ionique, on fait disparaître des particules de façon commandée lorsqu'une valeur limite donnée de courant de particules est atteinte. Il s'agit, là aussi, d'un procédé séquentiel dans le temps présentant les inconvénients cités précédemment. Avec un manomètre à ionisation à cathode chaude, on connait par ailleurs, d'après DE-OS 28 36 671, un moyen qui consiste à mesurer exclusivement les pressions élevées de l'absorbeur de gaz grâce à une mesure simultanée du courant au niveau d'un collecteur d'ions et d'une électrode en forme de grille, les courants mesurés étant soumis à une combinaison mathématique d'o on déduit la pression ou l'absorbeur. L'utilisation de grilles d'émission d'électrons secondaires montées en cascade pour enregistrer le profil de faisceau au niveau d'un accélérateur de protons est connue d'après "Small pickup for current and profile of beam of pulsed electrostatic proton accelerator" V.N. Getmanov, Instruments and Experimental Techniques, vol. 28, N 1, février 1985, New York, USA. D'après S. Paszti et al. "Current measurement on MeV energy ion beams", Nuclear Instruments & Methods in Physics Research, Section B: Beam interactions with materials and atoms, vol. B47, N 2, ler avril 1990, Amsterdam, on connaît également un moyen de mesurer un faisceau d'ions ou d'électrons à l'aide d'un Faraday haché mécaniquement. La présente invention s'est fixé pour but de créer un procédé et un dispositif de mesure du type spécifié en introduction, qui suppriment les inconvénients cités plus haut et qui permettent de mesurer des courants de particules chargées avec une grande précision, avec une plage de mesure sensiblement accrue et en continu. Selon l'invention, ce but est atteint en ce qui concerne le procédé grâce au fait que dans le sens défini, le captage des particules est réalisé simultanément et en cascade. Grâce au fait que le captage des particules est réalisé en cascade, et donc en série, dans l'espace, l'avantage, contrairement au captage parallèle, est qu'on enregistre la même zone de surface au niveau de la cascade de captage par rapport au courant de particules dans le vide. On peut ainsi obtenir un calibrage mutuel optimal du captage en cascade ou des capteurs prévus à cet effet, en aval desquels sont montés des circuits de mesure de courant. Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, le captage en cascade est réalisé sélectivement par rapport à des plages d'énergie prédéfinies des particules, ou bien suivant des taux de captage de particules relatifs prédéfinis, par rapport à la quantité totale de particules s'écoulant. Selon une autre caractéristique avantageuse de l'invention, la sélectivité est établie ou réglée grâce à l'application de potentiels électrostatiques aptes à être définis aux étages de capteurs en cascade et/ou grâce à la définition préalable de la transmission optique au niveau des étages de capteurs prévus. Par transmission optique, on entend le rapport vides-matière solide que rencontrent les particules affluant au niveau d'un dispositif capteur tel qu'une grille de captage. L'invention propose aussi que le courant galvanique soit mesuré à partir des courants galvaniques partiels associés aux cascades de captage. D'une manière avantageuse, les courants de particules sont mesurés simultanément puis sont de préférence soumis à un traitement pondéré. Le but fixé par l'invention est également atteint en ce qui concerne le dispositif de mesure grâce au fait que le dispositif capteur comprend des capteurs disposés en cascade dans le sens défini et procédant à une mesure simultanée. Selon une autre caractéristique de 1'invention, une partie au moins des capteurs sont formés par des grilles. D'une manière avantageuse, les capteurs peuvent être reliés à des sources de tension de préférence réglables, afin de définir ou de régler leur potentiel électrostatique. Les capteurs peuvent aussi être reliés, de préférence simultanément, à des circuits de mesure de courant pour différentes plages de courant, et les signaux de sortie des circuits de mesure de courant peuvent être superposés au niveau d'une unité de superposition. L'invention prévoit qu'au moins un capteur comprenne deux grilles qui sont tournées l'une par rapport à l'autre ou réglables en rotation dans le plan des grilles. Elle prévoit aussi que les plages de courant se chevauchent. Le procédé et le dispositif de mesure proposés par l'invention sont mis en oeuvre en particulier pour des appareils de mesure de pression partielle et de pression totale comme par exemple des spectromètres de masse ou des tubes Bayard d'Alpert. La présente invention va maintenant être décrite à l'aide de figures. La figure 1 montre schématiquement un dispositif de capteurs parallèles connu, avec des unités de mesure de courant de plages de mesure différentes associées aux étages parallèles, la figure 2 est une représentation de principe, semblable à la figure 1, d'un dispositif de mesure de l'invention, la figure 3 montre schématiquement une possibilité de liaison entre les unités de mesure de courant et un dispositif d'affichage commun, et la figure 4 montre un mode de réalisation préféré d'un dispositif de mesure analogue à la figure 2. La figure 1 représente schématiquement un dispositif de capteurs connu qui comporte, dans le courant de particules chargées électriquement, représenté à titre d'exemple par un faisceau d'ions S, des surfaces de captage la, lb et lc. Les surfaces de captage sont reliées à un circuit de mesure de courant 5 généralement formé par un branchement de mesure de courant relié au potentiel de référence Oo. Le courant galvanique produit par l'arrivée des particules chargées sur les surfaces de captage 1 dans les branchements de mesure de courant, par exemple un courant de recombinaison, de multiplicateur d'électrons secondaires ou encore d'influence, est mesuré à l'aide d'unités de mesure de courant 7a à 7c. Pour que l'on obtienne une plage de mesure aussi large que possible, les unités de mesure de courant 7 sont conçues avec des plages de mesure différentes et, comme il est représenté schématiquement, leurs sorties sont reliées sélectivement à la sortie A du dispositif de mesure. Comme on peut le voir, avec les différentes surfaces de captage 1 prévues dans le faisceau S, les courants partiels sont enregistrés au niveau de différentes zones par rapport à la surface de coupe transversale du faisceau. Des variations des signaux de sortie des unités de mesure de courant 7 peuvent ainsi provenir d'effets différents, inséparables, ce qui complique en particulier un calibrage mutuel des unités de mesure de courant 7, qui doit partir du principe que des courants de particules identiques doivent donner des signaux de sortie identiques au niveau desdites unités 7, exception faite du choix de la plage de mesure. La figure 2 représente schématiquement le procédé de l'invention. Dans le sens de diffusion x du faisceau S, au moins deux capteurs 10, par exemple trois capteurs 10a à O10c, sur la figure 2, sont prévus en cascade les uns derrière les autres. Les capteurs 10a et 10b montés en amont du dernier capteur 10c dans le sens de diffusion x présentent des pourcentages de transmission donnés T", Tb par rapport aux particules du faisceau S qui doivent être enregistrées. Comme pour le procédé de la figure 1, des unités de mesure de courant 17a à 17c sont prévues. Les unités de mesure de courant 17, avec les capteurs 10 prévus selon l'invention, sont conçues pour des plages de mesure différentes et sont dominantes pour un dispositif d'affichage A, de façon spécifique pour une plage de mesure, comme il est représenté schématiquement au niveau de l'unité 19. On obtient pour le courant de particules i. que laisse passer (transmet) le capteur 10a: ia = itotT. Le courant galvanique i., proportionnel au courant de particules capté, qui est mesuré au niveau de l'unité 17a s'élève à in = i0t (1-T.) De même, on obtient pour le courant transmis ib: ib = i.Tb = itotTbT. et pour le courant galvanique i, au niveau du capteur lob, suivant le courant de particules i capté à cet endroit: ib = i.(l-Tb) = itotT.(l-Tb). Pour le courant in capté par le capteur O10c, enfin, on obtient: ir = ib = itotTbT. Si on choisit par exemple un coefficient de transmission T de 90 % pour chacun des capteurs 10a et 10b, on obtient pour les courants de mesure galvaniques: i = 0, 1 itot, imb =' 0 tot' i.b = 0,09 itt , in = ib = 0,81 itot. Ainsi, des courants de particules faibles sont mesurés avec le capteur associé à in, et des courants de particules plus forts avec les capteurs associés à in et ib. Mais suivant la mise en oeuvre voulue, on peut aussi utiliser d'autres valeurs de transmission. Avec les capteurs montés en cascade prévus selon l'invention, on procède en réalité dans le courant de particules à une division de courant définie progressivement, suivant un rapport donné T/1-T. Etant donné qu'au niveau de tous les capteurs, on mesure le courant de particules divisé selon le rapport donné, il est tout à fait possible, selon la figure 3, de superposer au niveau d'une unité de superposition 20 les signaux de sortie des unités de mesure de courant 17a à 17c, conçues chacune par exemple pour trois décades 'grandeur réelle", et de transmettre le signal de sortie de l'unité de superposition 20 à un dispositif d'affichage pour trois décades. Avec des unités simples sensibles aux valeurs seuils 22 et une commande de dispositifs d'affichage 23 correspondants, on peut afficher la plage de décades pour laquelle la valeur de décade affichée momentanément au niveau de l'unité 25 est valable. On obtient un élargissement supplémentaire déterminant de la plage de mesure grâce au fait qu'en aval du capteur qui reçoit le taux maximal, selon la figure 2 et les indications de chiffres données plus haut, par exemple en aval du capteur 10a, on prévoit un circuit de pondération qui a pour fonction précise de déterminer le comportement de transition pour l'optimisation des signaux de mesure, par exemple un amplificateur de courant non linéaire, notamment logarithmique. Cela permet aussi un traitement pondéré simultané du signal de mesure dans des plages de transition. Les transmissions ou coefficients de transmission T des capteurs prévus en cascade selon l'invention sont définis ou réglés grâce à une définition préalable de la transmission optique et/ou électrostatique. Comme capteurs 10a et 10b, on utilise de préférence des grilles présentant des rapports de surface vides-barreaux prédéfinis correspondant à la transmission, c'est-à-dire avec une transmission optique prédéfinie. La figure 4 représente schématiquement un mode de réalisation actuellement préféré d'un dispositif de mesure de l'invention. Le capteur 10a de la figure 2 est défini par une première grille, le capteur 10b par une seconde grille et le capteur 10c par une couche de métal, par exemple d'or, appliquée par métallisation sous vide. Le substrat de la couche d'or 27 et les écarteurs 28 prévus entre les grilles de captage sont formés par des bagues d'écartement isolantes, par exemple en céramique. Dans le cas du circuit électromètre des amplificateurs opérationnels prévus pour la mesure de courant au niveau des unités 17 selon la figure 2 et, comme on l'a indiqué plus haut, avec des coefficients de transmission T., Tb de 90 % pour les grilles de captage 10a et 10b, on obtient l'échelonnement des résistances R indiqué à titre d'exemple. Comme il est indiqué en trait discontinu en 32 pour la grille de captage O10a, il est tout à fait possible de modifier la transmission des différents capteurs en les mettant à un potentiel de préférence réglable, à l'aide d'une source de tension, moyennant quoi des particules de la polarité concernée sont retenues au niveau du capteur, en particulier au niveau de la grille de captage, et ce de façon réglable. Comme grilles de captage, on peut aussi utiliser deux grilles, ou plus, tournées les unes par rapport aux autres dans le plan des grilles. Avec une déconnexion mutuelle aussi faible que possible, cette combinaison permet d'obtenir de façon simple et souple des coefficients de transmission voulus, ou de les régler grâce à un réglage de la position de rotation. Avec un tel dispositif, il est tout à fait possible de mesurer en continu en particulier les courants d'ions ou d'électrons sur neuf décades ou plus. De plus, il est tout & fait possible de calibrer les unes par rapport aux autres les unités de mesure de courant prévues, car les courants des capteurs sont indépendants de la répartition de densité de courant dans le faisceau de particules, à la différence du dispositif connu de la figure 1, et les rapports de transmission des capteurs sont définis. Grâce à des transmissions prédéfinies faibles, par exemple de 10%, on peut réaliser par exemple un affaiblissement progressif. Avec le mode de réalisation de la figure 3 d'un dispositif de mesure selon l'invention, avec lequel les courants de particules sont mesurés simultanément, les zones FS sont conçues de préférence pour se chevaucher, pour un bon traitement de signaux, et une superposition pondérée est réalisée de préférence dans les zones de chevauchement. Comme fil pour les grilles de captage, on utilise de préférence du fil de tungstène. REVENDICATIONS 1. Procédé pour mesurer pour chaque unité de temps une quantité de charge électrique traversant une zone de volume sous vide dans un sens défini (x) , selon lequel des particules transportant la charge sont captées à l'aide d'un dispositif capteur (1, 10) relié à un circuit de mesure pour un courant galvanique, et le courant galvanique produit par le captage est mesuré dans le circuit (7, 17), caractérisé en ce que dans le sens (x) , le captage des particules est réalisé simultanément et en cascade. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que si on considère le sens (x), le captage en cascade est réalisé sélectivement par rapport à des plages d'énergie prédéfinies des particules. 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le captage se fait en cascade suivant des taux de captage de particules relatifs prédéfinis, par rapport à la quantité totale de particules s'écoulant. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le captage en cascade se fait avec une définition préalable de la transmission optique pour les particules et/ou avec une définition préalable de potentiels électrostatiques au niveau des étages de captage. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le courant galvanique est mesuré à partir de courants galvaniques partiels associés aux cascades de captage. 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que les courants de particules sont mesurés simultanément puis sont soumis à un traitement pondéré. 7. Dispositif de mesure pour la quantité de charge traversant à chaque unité de temps une zone de volume sous vide dans un sens défini (x), comportant un dispositif capteur disposé dans le vide et relié à un circuit de mesure de courant galvanique, caractérisé en ce que le dispositif capteur comprend des capteurs (10a à 10c) disposés en cascade dans le sens (x) et procédant à une mesure simultanée. 8. Dispositif de mesure selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'une partie au moins des capteurs sont formée par des grilles. 9. Dispositif de mesure selon l'une quelconque des revendications 7 et 8, caractérisé en ce que les capteurs sont reliés à des sources de tension de préférence réglables, afin de définir ou de régler leur potentiel électrostatique. 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 7 à 9, caractérisé en ce que les capteurs sont reliés, de préférence simultanément, à des circuits de mesure de courant pour différentes plages de courant, et les signaux de sortie des circuits de mesure de courant sont superposés au niveau d'une unité de superposition (20). 11. Dispositif de mesure selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'au moins un capteur comprend au moins deux grilles qui sont tournées l'une par rapport à l'autre ou réglables en rotation dans le plan des grilles. 12. Dispositif de mesure selon la revendication 10, caractérisé en ce que les plages de courant se chevauchent. 13. Utilisation du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 ou du dispositif de mesure selon l'une quelconque des revendications 7 à 12 pour des spectromètres de masse.