Brevet FR2899015A1 — publié le 20070928

Les multiplicateurs électroniques à canal (CEM) sont utilisés en vue d'amplifier des signaux de particules chargées, de photons, ou de particules neutres à grande énergie. Les multiplicateurs électroniques à canal (CEM) sont utilisés pour détecter des photons, des particules chargées positives et négatives, et des particules neutres à grande énergie. Ils sont utilisés en tant que détecteurs dans des spectromètres de masse ainsi que dans les analyseurs de surface tels que les spectromètres de photoélectrons à rayon X/ultra-violets et d'électrons Auger, et sont également utilisés dans des microscopes électroniques. En outre, ils peuvent également être utilisés pour la multiplication d'électrons dans une application de multiplicateur de photons. Le multiplicateur électronique à canal (CEM) utilise une surface émissive pour générer une multiplication d'électrons. La surface émissive émettra des électrons secondaires lorsqu'elle est percutée par une particule chargée, ou par une particule neutre à haute énergie, ou un photon, doté d'une énergie suffisante. Ce processus est répété et génère une avalanche électronique sur la longueur du canal. Une électrode collectrice, tel qu'une coupelle de Faraday, à l'extrémité du canal, collecte les électrons et les convertit en impulsions électriques. Les multiplicateurs électroniques à canal (CEM) typiques sont de nature tubulaire et ont un cône en entonnoir intégral fixé à l'extrémité de faisceau d'entrée destiné à améliorer la détection de profil de faisceau d'entrée. Des multiplicateurs électroniques à canal (CEM) ayant des canaux uniques et multiples dans un corps ont été commercialisés. Un multiplicateur électronique à canal (CEM) à canal unique présente une gamme dynamique de courant de sortie plus courte qu'un multiplicateur électronique à canal (CEM) à canaux multiples ayant la même résistance de canal par unité de canal. La stabilité et la durée de vie des multiplicateurs électroniques à canal (CEM) dépendent de la surface émissive active. Par conséquent, la durée de vie d'un multiplicateur électronique à canal (CEM) à canal unique est plus courte. En outre, le fonctionnement en courant haut débit du multiplicateur électronique à canal (CEM) à canal unique est moins stable que celui d'un multiplicateur électronique à canal (CEM) à canaux multiples. Cependant, un multiplicateur électronique à canal (CEM) à canaux multiples souffre de pertes en termes d'efficacité de détection sous l'effet d'une zone inactive entre les canaux à l'extrémité de faisceau d'entrée. Dans un multiplicateur électronique à canal (CEM) à canal unique, l'efficacité de détection est optimisée au moyen d'une transition lisse entre le cône en entonnoir et le canal. II existe dans l'art un besoin concernant un multiplicateur électronique à canal (CEM) fournissant une efficacité de détection élevée et 5 une durée de vie accrue. Un multiplicateur électronique à canal comportant un multiplicateur électronique à canal (CEM) à canal unique destiné à recevoir une particule d'entrée représente un mode de réalisation de l'invention. Un multiplicateur électronique à canaux multiple est placé en aval du multiplicateur électronique 10 à canal (CEM) à canal unique en vue de recevoir des émissions du multiplicateur électronique à canal (CEM) à canal unique. Une électrode collectrice est placée en aval du multiplicateur électronique à canal (CEM) à canaux multiples en vue de générer un courant d'impulsion en réponse aux émissions du multiplicateur électronique à canaux multiples. 15 La figure 1 montre un multiplicateur électronique à canal (CEM) à canal unique conventionnel. La figure 2 montre un multiplicateur électronique à canal (CEM) à canal unique conventionnel. Les figures 3A et 3B rnontrent un multiplicateur électronique à 20 canal (CEM) à canaux multiples conventionnel. La figure 4 illustre une avalanche électronique dans un multiplicateur électronique à canal (CEM). Les figures 5A - 5C illustrent des multiplicateurs électroniques à canal (CEM) à canaux multiples en tandem à étages multiples dans des modes 25 de réalisation de l'invention. La figure 6 est un graphique de la tension de déviation par rapport au courant de sortie relatif. La figure 7 est un graphique de l'intensité UV relative par rapport au courant de sortie. 30 La figure 8 est un graphique du temps par rapport au courant de sortie relatif normalisé. La figure 1 montre un multiplicateur électronique à canal (CEM) conventionnel exemplaire. La plupart des multiplicateurs électroniques à canal (CEM) incluent un cône en entonnoir d'entrée 101, un canal tubulaire incurvé 35 102, et une coupelle de Faraday 103, tel qu'illustré sur la figure 1. La figure 2 montre un multiplicateur électronique à canal (CEM) alternatif ayant un entonnoir d'entrée 201, en spirale, un canal tubulaire 202 et une coupelle de Faraday 203. La figure 3A montre un multiplicateur électronique à canal (CEM) conventionnel ayant un entonnoir d'entrée 301, des canaux incurvés multiples 302 et une coupelle de Faraday 303. La figure 3B est une vue de face du multiplicateur électronique à canal (CEM) de la figure 3A. La figure 4 est une vue agrandie d'une partie de la figure 2 illustrant le fonctionnement du multiplicateur électronique à canal (CEM). La paroi de canal intérieur de multiplicateur électronique à canal (CEM) 401 est préparée avec une couche émissive d'électrons 402, en règle générale SiO2, au-dessus d'une couche semi-conductrice 403, en règle générale un verre à oxyde de plomb réduit. Le cône en entonnoir 201 fixé au canal tubulaire 202 augmente la sensibilité de détection grâce à une plus grande réception de profil de faisceau de particules entrantes. Lorsqu'une particule chargée, un photon, ou une particule neutre à haute énergie percute la surface de l'extrémité d'entrée d'un multiplicateur électronique à canal (CEM), des électrons secondaires sont générés qui sont ensuite propulsés dans le canal par un champ électrique appliqué. Ce champ électrique pilote les électrons secondaires plus loin dans le canal et les électrons percutent à nouveau le canal de paroi, ce qui produit en outre un grand nombre d'électrons secondaires. Ce processus se répète une multitude de fois et crée une avalanche électronique le long du canal. Une coupelle de Faraday 203 à l'extrémité de sortie collecte les électrons et les convertit en une impulsion électrique 406 qui est transmise dans des circuits électroniques pour un traitement de signaux ultérieur. Des électrons éjectés des parois de canal du multiplicateur sont régénérés par le courant électrique 404 via le verre semi-conducteur. L'illustration de courant électrique 404 montre le courant électrique orienté de l'extrémité arrière la plus positivement polarisée du multiplicateur électronique à canal (CEM), l'extrémité de coupelle de Faraday, vers l'extrémité avant la plus négativement polarisée du multiplicateur électronique à canal (CEM), l'extrémité de cône en entonnoir, et est en accord avec la convention généralement admise. Cependant, il est en règle générale compris que les électrons s'écoulent de l'extrémité avant vers l'arrière. Des CEM à canaux multiples ont été fabriqués, tel qu'illustré sur la figure 3 ; cependant, dans cette configuration, l'efficacité de détection est diminuée. Même en présence d'un cône en entonnoir d'entrée 301, la plupart des électrons secondaires générés par les particules entrantes, qui percutent la zone 304 entre les ouvertures de canal ne pénètrent pas dans les canaux. Par conséquent, aucune multiplication d'électrons n'est générée par des particules percutant la zone 304 et le signal ionique est considérablement affaibli. En revanche, le CEM à canal unique, tel qu'illustré sur les figures 1 et 2, ne montre aucune perte de détection de particules grâce à la transition structurale douce ou progressive entre le cône en entonnoir 101, 201 et le canal 102, 202. Avec le temps, le bombardement en particules chargées des parois de canal occasionne une dégradation progressive de la surface de paroi. Par conséquent, la durée de vie du multiplicateur électronique à canal (CEM) est directement proportionnelle à la superficie totale des parois de canal. Cependant, le multiplicateur électronique à canal (CEM) à canaux multiples de la figure 3A offre une gamme dynamique stable et plus large du courant de sortie, sous l'effet de la multiplicité des canaux (à condition qu'il existe une résistance égale, par canal, ou un courant de bande polarisé égal, par canal) en comparaison à des unités à canal unique des figures 1 et 2. Le multiplicateur électronique à canal (CEM) à canaux multiples de la figure 3A a également une durée de vie plus longue, grâce à une superficie de couche émissive de paroi de canal active 402 qui est plus grande que celle présente dans les conceptions de multiplicateur électronique à canal (CEM) à canal unique. Les modes de réalisation de l'invention constituent une amélioration des performances par rapport aux multiplicateurs électroniques à canal (CEM) existants, aussi bien concernant les versions à canal unique et que celles à canaux multiples, au moyen d'un configuration en tandem qui joint une configuration de multiplicateur électronique à canal (CEM) à canaux multiples avec un canal unique. Le canal unique est positionné à l'extrémité d'entrée de faisceau de particules, suivi de l'agencement de multiplicateur électronique à canal (CEM) à canaux multiples à l'extrémité de sortie d'avalanche électronique. La figure 5A illustre une configuration de multiplicateur électronique à canal (CEM) en tandem 501 dans des modes de réalisation de l'invention. Le multiplicateur électronique à canal (CEM) à canaux multiples en tandem 501 inclut un multiplicateur électronique à canal (CEM) à canal unique 502, et un multiplicateur électronique à canal (CEM) à canaux multiples monobloc 503. Les canaux multiples dans le multiplicateur électronique à canal (CEM) monobloc 503 peuvent être des canaux tubulaires, et incurvés, tel qu'illustré sur la figure 3A. Le faisceau entrant de particules chargées 508 est reçu à un entonnoir (non montré) et déclenche une avalanche électronique le long du multiplicateur électronique à canal (CEM) à canal unique 502. L'émission d'électrons de sortie du multiplicateur électronique à canal (CEM) à canal unique 502 est reçue aux canaux multiples du multiplicateur électronique à canal (CEM) monobloc 503. L'émission d'électrons est collectée au niveau d'une électrode collectrice (par exemple, une coupelle de Faraday) 520. La figure 5B illustre une configuration de multiplicateur électronique à canal (CEM) en tandem 504 dans des modes de réalisation alternatifs de l'invention. La configuration en tandem 504 inclut un multiplicateur électronique à canal (CEM) à canal unique 502 suivi des unités de multiplicateur électronique à canal (CEM) monobloc à canaux multiples 505. Des unités de multiplicateur électronique à canal (CEM) 505 peuvent être des dispositifs à canal unique ou à canaux multiples. Le faisceau entrant des particules chargées 508 est reçu à un entonnoir (non montré) et déclenche une avalanche électronique le long du multiplicateur électronique à canal (CEM) à canal unique 502. L'émission d'électrons de sortie du multiplicateur électronique à canal (CEM) à canal unique 502 est reçue aux unités de multiplicateur électronique à canal (CEM) 505. L'émission d'électrons est collectée aux électrodes collectrices (par exemple, une coupelle de Faraday) 520 placées à l'extrémité de sortie des unités de multiplicateur électronique à canal (CEM) 505. La figure 5C illustre une configuration de multiplicateur électronique à canal (CEM) en tandem dans des modes de réalisation alternatifs de l'invention. La configuration en tandem 506 inclut un multiplicateur électronique à canal (CEM) à canal unique 502 suivi par des unités de multiplicateur électronique à canal (CEM) monobloc à canaux multiples 505. Les unités de multiplicateur électronique à canal (CEM) 505 peuvent être des dispositifs à canal unique ou à canaux multiples. Une troisième matrice d'étage d'unités de multiplicateur électronique à canal (CEM) 507 est positionnée en aval des unités de multiplicateur électronique à canal (CEM) 505. Les unités de multiplicateur électronique à canal (CEM) 507 peuvent être des dispositifs à canal unique ou à canaux multiples. Le faisceau entrant des particules chargées 508 est reçu à un entonnoir (non montré) et déclenche une avalanche électronique le long du multiplicateur électronique à canal (CEM) à canal unique 502. L'émission d'électrons de sortie du multiplicateur électronique à canal (CEM) à canal unique 502 est reçue aux unités de multiplicateur électronique à canal (CEM) 505. L'émission d'électrons de sortie des unités de multiplicateur électronique à canal (CEM) 505 est reçue aux unités de multiplicateur électronique à canal (CEM) 507. L'émission d'électrons des unités de multiplicateur électronique à canal (CEM) 507 est collectée au niveau des électrodes collectrices (par exemple, une coupelle de Faraday) 520 positionnées chacune à l'extrémité de sortie des unités de multiplicateur électronique à canal (CEM) 507. Les configurations de multiplicateur électronique à canal (CEM) en tandem sur les figures 5A 5C fournissent les configurations de multiplicateur électronique à canal (CEM) en mesure de délivrer une sortie de courant à haut débit, stable, et une durée de vie longue avec une haute efficacité de détection de particules. Dans les configurations en tandem des figures 5A - 5C, une distance est nécessaire entre le multiplicateur électronique à canal (CEM) à canal unique et le multiplicateur électronique à canal (CEM) à canaux multiples. La distance réalisable entre les deux dépend de la distance inter-canal sur l'extrémité d'entrée de multiplicateur électronique à canal (CEM) à canaux multiples. Dans des modes de réalisation exemplaires, la distance inter-canal est de 0,1 pouce de centre à centre et la distance réalisable entre le multiplicateur électronique à canal (CEM) à canal unique et le multiplicateur électronique à canal (CEM) à canaux multiples est de 0,1 pouce à 0,75 pouce. En général, l'espacement entre l'extrémité de sortie de multiplicateur électronique à canal (CEM) à canal unique et l'extrémité d'entrée de multiplicateur électronique à canal (CEM) à canaux multiples est déterminé sur la base de l'espacement inter-canal des canaux dans le multiplicateur électronique à canal (CEM) à canaux multiples. Dans des modes de réalisation de l'invention, le multiplicateur électronique à canal (CEM) à canal unique et le ou les multiplicateurs électroniques à canal (CEM) à canaux multiples subséquents sont enclos dans un boîtier commun, dans une construction monolithique. Dans des configurations en tandem décrites ci-dessus d'un multiplicateur électronique à canal (CEM) à canal unique suivi d'un multiplicateur électronique à canal (CEM) à canaux multiples, le multiplicateur électronique à canal (CEM) à canal unique fournit une haute efficacité de détection, et le multiplicateur électronique à canal (CEM) à canaux multiples donne un courant haut débit stable et une durée de vie plus longue. L'avalanche électronique générée par une particule d'entrée à l'extrémité de multiplicateur électronique à canal (CEM) à canal unique se répand sur l'ensemble de la surface d'entrée des canaux multiples. Bien que certains électrons soient perdus dans la région d'entrée de canaux multiples, sous l'effet de l'inefficacité de détection dans la zone entre les canaux, suffisamment d'électrons sont propulsés dans les canaux pour générer de manière suffisante une avalanche électronique via le CEM à canaux multiples, qui arrive ensuite à la coupelle de Faraday. Dans ce cas, l'information d'une particule unique, entrée dans la configuration globale de détecteur, est préservée. La figure 6 est un graphique de la tension de déviation par rapport au courant de sortie relatif. Sur la figure 6, le tracé A représente le signal de sortie d'un multiplicateur électronique à canal (CEM) à 3 canaux uniquement, résultant d'un balayage horizontal de faisceau d'entrée, au moyen de plaques de déviation commandées en tension, à travers le cône d'entrée du multiplicateur électronique à canal (CEM), via un plan contenant l'axe de faisceau. L'axe de faisceau est colinéaire à l'axe du multiplicateur électronique à canal (CEM) à 3 canaux. Dans le tracé A, le balayage coupe deux des trois canaux d'entrés, dont les intersections sont représentées par les deux crêtes aux positions de déviation approximative ù 75 V et + 75 V. La diminution abrupte du courant de sortie entre ces deux crêtes est un résultat direct des pertes occasionnées à partir du faisceau d'entrée étant dispersé hors de l'espace entre canaux. Le tracé B est un tracé de la sortie de la configuration de multiplicateur électronique à canal (CEM) en tandem, au moyen du même agencement de balayage de faisceau d'entrée que pour le multiplicateur électronique à canal (CEM) à canaux multiples. Le tracé B montre qu'il n'y a essentiellement pas de pertes à travers le cône d'entrée de configuration en tandem dans la région où les pertes sont les plus importantes dans le multiplicateur électronique à canal (CEM) à canaux multiples. Ceci indique clairement que l'utilisation d'un multiplicateur d'entrée à canal unique, dans une configuration de multiplicateur électronique à canal (CEM) en tandem, élimine les pertes qui seraient sinon occasionnées où le faisceau est à introduire directement dans un détecteur composé uniquement d'un multiplicateur électronique à canal (CEM) à canaux multiples. La figure 7 est un graphique de l'intensité UV relative par rapport au courant de sortie pour un multiplicateur électronique à canal (CEM) à canal unique et un multiplicateur électronique à canal (CEM) en tandem. Le tracé B montre le courant de sortie pour le multiplicateur électronique à canal (CEM) à canal unique. Le tracé A montre un courant de sortie pour le multiplicateur électronique à canal (CEM) en tandem à étages multiples. Tel qu'illustré sur la figure 7, le multiplicateur électronique à canal (CEM) en tandem fournit une gamme dynamique plus élevée pour le courant d'entrée. Dans ce graphique, la réponse de courant de sortie de multiplicateur électronique à canal (CEM) en tandem, en fonction de l'entrée de signal (intensité UV relative), est plus élevée que celle d'un multiplicateur électronique à canal (CEM) à canal unique, même si le courant de bande de polarisation par canal, dans la configuration en tandem, est 1,6 fois inférieur à celui d'un multiplicateur électronique à canal (CEM) à canal unique. On voit clairement que le multiplicateur électronique à canal (CEM) à canal unique sature à environ 45 NA. C'est une vérification directe que la multiplicité de canal dans le multiplicateur électronique à canal (CEM) continu en tandem est en mesure de générer un courant de sortie plus grand que celui des multiplicateurs électroniques à canal (CEM) à canal unique fonctionnant à un gain relativement comparable. La figure 8 est un graphique des temps par rapport au courant de sortie relatif normalisé. Le tracé A correspond à un multiplicateur électronique à canal (CEM) en tandem et le tracé B correspond à un multiplicateur électronique à canal (CEM) à canal unique. La figure 8 confirme que la configuration CEM en tandem est en mesure de prendre en charge des courants de sortie plus élevés pendant de plus longues périodes qu'un multiplicateur électronique à canal (CEM) à canal unique utilisé sous des conditions de fonctionnement comparables. En fonctionnement continu pendant 3,5 jours, la configuration de multiplicateur électronique à canal (CEM) en tandem reste à 74 % de sa sortie initiale, en comparaison de 46 % seulement de sortie initiale par le multiplicateur électronique à canal (CEM) à canal unique. Ceci indique qu'une augmentation de durée de vie de détecteur, d'un facteur de 1,6, a été obtenue par l'utilisation de la configuration de multiplicateur électronique à canal (CIEM) en tandem. Ceci résulte de la surface de canal totale plus grande grâce à l'utilisation des canaux multiples. Les modes de réalisation de l'invention dépassent des difficultés inhérentes aux multiplicateurs à canal unique, et multiplicateurs à canaux multiples, par la fabrication d'une configuration en tandem qui incorpore un canal unique à l'extrémité de faisceau d'entrée et des canaux multiples à l'extrémité de sortie. Le multiplicateur électronique à canal (CEM) à canal unique contribue à l'efficacité de détection élevée et le multiplicateur d'électrons à canaux multiples maintient un haut débit en courant (gamme dynamique) et une stabilité de courant de sortie, et il génère une durée de vie accrue. Dans les configurations en tandem, l'avalanche électronique générée par une particule d'entrée à l'extrémité de canal unique se répand sur l'ensemble de la zone d'entrée du cône d'entrée des canaux multiples. Bien que certains électrons soient perdus sur la surface entre les extrémités d'entrée des canaux multiples, une quantité d'électrons, plus que suffisante en vue de déclencher des avalanches électroniques dans l'étage à canaux multiples, pénètre dans les canaux multiples. Par conséquent, l'information d'une particule d'entrée unique est préservée. Dans cette configuration en tandem, l'extrémité de faisceau d'entrée du canal unique est polarisée électriquement de sorte qu'elle est négative par rapport à l'extrémité de sortie des canaux multiples. La polarisation est obtenue par l'application d'une tension sur toute la longueur de la configuration en tandem. L'extrémité d'entrée et l'extrémité de sortie du multiplicateur d'électrons incorporent un contact électrique de sorte qu'une tension puisse être appliquée au canal. Un faisceau d'entrée à l'extrémité d'entrée de multiplicateur électronique génère des électrons secondaires. Ces électrons, sous l'influence du champ électrique appliqué, se déplacent vers l'extrémité de sortie des canaux multiples. Sur le chemin, ils subissent des collisions de paroi répétées et, dans l'ensemble, génèrent une avalanche électronique qui est alors collectée par une coupelle de Faraday. Bien que l'invention ait été décrite en référence à des modes de réalisation exemplaires, les hommes du métier comprendront qu'une multitude de modifications peut être apportée et que des éléments équivalents peuvent remplacer des éléments sans s'écarter de la portée essentielle de l'invention. Par conséquent, il est entendu que l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation particuliers décrits en vue de la mettre en oeuvre, mais que l'invention inclut tous les modes de réalisation faisant partie de la portée des revendications jointes en annexe. REVENDICATIONS 1. Multiplicateur électronique à canal caractérisé en ce qu'il comporte : - un multiplicateur électronique à canal (CEM) à canal unique (502) destiné à recevoir une particule d'entrée ; - un multiplicateur électronique à canal (CEM) à canaux multiples (503) placé en aval du multiplicateur électronique à canal (CEM) à canal unique, destiné à recevoir des émissions du multiplicateur électronique à canal (CEM) à canal unique, et - une électrode collectrice (520) placée en aval du multiplicateur électronique à canal (CEM) à canaux multiples, destinée à générer un courant d'impulsion en réponse aux émissions du multiplicateur électronique à canal (CEM) à canaux multiples. 2. Multiplicateur électronique à canal selon la revendication 1 dans lequel le multiplicateur électronique à canal (CEM) à canaux multiples est un multiplicateur électronique à canal (CEM) à canaux multiples monobloc (503). 3. Multiplicateur électronique à canal selon la revendication 1 dans lequel le multiplicateur électronique à canal (CEM) à canaux multiples comporte une pluralité d'unités monobloc de multiplicateur électronique à canal (CEM) (505), les unités monobloc de multiplicateur électronique à canal (CEM) comportant un canal unique. 4. Multiplicateur électronique à canal selon la revendication 1 dans lequel le multiplicateur électronique à canal (CEM) à canaux multiples comporte une pluralité d'unités monobloc de multiplicateur électronique à canal (CEM) (505), les unités monobloc de multiplicateur électronique à canal (CEM) comportant des canaux multiples. 5. Multiplicateur électronique à canal selon la revendication 1 comportant en outre un multiplicateur électronique à canal (CEM) à canaux multiples supplémentaire placé en aval du multiplicateur électronique à canal (CEM) à canaux multiples, destiné à la réception d'émissions du multiplicateur électronique à canal (CEM) à canaux multiples ; dans lequel l'électrodecollectrice (520) étant placée en aval du multiplicateur électronique à canal (CEM) à canaux multiples supplémentaire en vue de générer un courant d'impulsion en réponse aux émissions du multiplicateur électronique à canal (CEM) à canaux multiples supplémentaire. 6. Multiplicateur électronique à canal selon la revendication 1 comportant en outre : un entonnoir destiné à diriger la particule vers le multiplicateur électronique à canal (CEM) à canal unique. 10 7. Multiplicateur électronique à canal selon la revendication 1 dans lequel : un espacement entre le multiplicateur électronique à canal (CEM) à canal unique et le multiplicateur électronique à canal (CEM) à canaux multiples est basé sur l'espacement inter-canal des canaux dans le multiplicateur électronique à canal (CEM) à canaux multiples. 15 8. Multiplicateur électronique à canal, caractérisé en ce qu'il comporte : - un multiplicateur électronique à canal (CEM) à canal unique (502) destiné à recevoir une particule d'entrée ; 20 - un multiplicateur électronique à canal (CEM) à canaux multiples (503) placé en aval du multiplicateur électronique à canal (CEM) à canal unique en vue de recevoir des émissions du multiplicateur électronique à canal (CEM) à canal unique ; - le multiplicateur électronique à canal (CEM) à canal unique et le 25 multiplicateur électronique à canal (CEM) à canaux multiples étant dans une construction monolithique ; - une électrode collectrice (520) placée en aval du multiplicateur électronique à canal (CEM) à canaux multiples, destinée à générer un courant d'impulsion en réponse aux émissions du multiplicateur électronique à canal 30 (CEM) à canaux multiples.5