Brevet FR2970112A1 — publié le 20120706

PHOTOCATHODE-GRILLE POUR EMISSION D'ELECTRONS L'objet de la présente invention concerne notamment un dispositif d'assemblage photocathode-grille PGA destinée, par exemple au camera à balayage de fente, plus connue sous l'expression anglo-saxonne "streak camera". Le dispositif selon l'invention est utilisé, par exemple, dans la fabrication de tubes convertisseurs d'image, de caméras à balayage de fente, ou dans des dispositifs requérant une optique ultra-rapide. Les caméras à balayage de fente sont notamment destinées à 10 mesurer des signaux lumineux rapides. L'un des composants essentiel d'une telle caméra est le tube convertisseur d'images. La résolution temporelle d'un tube de type bi lamellaire peut atteindre quelques dizaines de femto secondes, ce qui correspond à une bande passante de plusieurs TeraHertz. Cependant, cette résolution 15 temporelle est limitée par le phénomène de charge d'espace. En effet, si la densité d'électrons augmente, les forces électriques de répulsion (forces de Coulomb) entraînent un élargissement du faisceau selon les deux axes, spatial et temporel. II s'ensuit une dégradation rapide des résolutions spatiales et temporelles. 20 II a été démontré que la densité de courant dans l'espace d'accélération compris entre une photocathode et une grille d'accélération est limitée par la loi de Child-Langmuir connue de l'Homme du métier: JCL=K.V3'2/d2 V étant la tension d'accélération, d la distance d'accélération et K une 25 constante. II en découle que pour augmenter la résolution temporelle d'un tube à balayage de fente, il faut augmenter la tension d'accélération V et/ou diminuer la distance d'accélération d. Diminuer la distance d est plus efficace puisqu'elle est élevée au carré dans la formule alors que la 30 tension V est élevée à la puissance 1,5. Toutefois le champ électrique E = V/d ne peut pas être augmenté indéfiniment en raison des phénomènes de claquage électrique. L'un des objectifs est donc d'augmenter ce champ électrique sans augmenter la probabilité de claquage. Dans les dispositifs connus du Demandeur, traditionnellement, la grille est polarisée par une tension électrique continue de plusieurs kilovolts, positive par rapport à la cathode. Pour éviter des claquages entre électrodes, la distance entre la photocathode et la grille doit être de quelques millimètres, soit un champ électrique de quelques dizaines de kilovolts par centimètre. Le Laboratoire National de Livermore (LLNL) a développé une caméra ultra-rapide décrite dans le document intitulé "Sub-picosecond Streak Camera Measurements at LLNL" : from IR to X-rays, UCRL-CONF-201645, publié le 19 décembre 2003. Dans cette caméra, le matériau photosensible est déposé sur une plaquette de céramique. La grille d'accélération est un tamis très fin (pas de 25 pm) placé à 0,5 mm de la photocathode. Dans ce dispositif la photocathode est séparée de la grille, l'ensemble étant maintenu en place au moyen d'un bâti mécanique adapté pour assurer au mieux le parallélisme de la photocathode par rapport au plan de la grille. Au repos, la photocathode est polarisée positivement par rapport à la grille de façon à bloquer l'émission d'électrons. Pour effectuer la mesure, une impulsion électrique négative de largeur 5 ns et d'amplitude 15 kV est appliquée à la photocathode, ce qui crée un champ accélérateur d'environ 300 kV/cm. Malgré tous les avantages qu'elle procure, une telle caméra présente néanmoins un inconvénient majeur qui se traduit par une sensibilité aux erreurs de positionnement mécanique de la grille par rapport à la photocathode. Toute erreur de parallélisme entre la grille et la photocathode entraîne une distorsion des trajectoires électroniques et une dispersion des temps de parcours, donc une dégradation de la résolution temporelle. Cet inconvénient est d'autant plus sensible qu'on réduit la distance entre grille et photocathode. L'idée de la présente invention est d'offrir un assemblage photocathode grille pour caméra montée sur un même support permettant ainsi de répondre notamment aux problèmes de parallélisme généré par les dispositifs de l'art antérieur. L'invention concerne un assemblage photocathode-grille destinée à être utilisée pour générer des électrons caractérisé en ce qu'il comporte au moins les éléments suivants : une plaque en matériau diélectrique sur laquelle est disposée sur une première face une première métallisation et sur une deuxième face une deuxième couche de métallisation, ladite plaque comprenant une fente de largeur I et de longueur L, ladite première couche de métallisation comprenant une surface S3 émettrice d'électrons, lesdits électrons ainsi générés étant accélérés par une grille disposée en face de la surface de métallisation S3, ladite grille étant disposée sur ladite deuxième face de la plaque. Le matériau constituant la plaque est un diélectrique, tel que de la céramique. La métallisation peut être réalisée en or. La première couche de métallisation disposée sur la première 20 face comprend, par exemple, au niveau de la surface S un matériau photosensible. La première couche de métallisation est une feuille métallique recevant un rayonnement X. La grille est, par exemple, constituée d'un treillis en fils 25 métalliques ou bien d'une feuille métallique percée par laser. La plaque a une épaisseur ou longueur L comprise, par exemple, entre 0, 1 et 0, 5mm et en ce que ladite plaque est percée d'une fente de largeur comprise entre 0 ,05 et 0,3 mm et de longueur comprise entre 5 et 30 mm. 30 L'assemblage photocathode décrite précédemment est par exemple utilisé dans une caméra à balayage pour la mesure d'un signal lumineux. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit d'un ou plusieurs exemples de réalisation annexée des figures qui représentent: - La figure 1A une vue en coupe d'un dispositif photocathode-grille selon l'invention et la figure 1B une vue côté grille, - Les figures 2A et 2B, deux exemples de grilles sous la forme de tamis et/ou de perçage laser, et - La figure 3, un exemple de mise en place d'un tel dispositif au sein d'une caméra. La figure 1 représente un exemple de photocathode-grille selon 15 l'invention désigné PGA pour simplifier. Ce PGA comporte notamment les éléments décrits ci-après. Le dispositif PGA 1 est un assemblage photocathode-grille destiné aux caméras à balayage de fente. Le dispositif utilise une plaquette 2 en céramique ou matériau diélectrique présentant notamment 20 des propriétés de tenue en tension élevée et pouvant être usiné. D'autre part, le matériau diélectrique qui sera choisi comme support doit permettre le dépôt d'une couche d'une métallisation au moins sur une de ses faces. La forme de la plaquette est typiquement, mais pas nécessairement, un cercle d'environ 40 mm de diamètre. Elle peut aussi avoir une forme 25 rectangulaire. La plaquette en matériau diélectrique est de faible épaisseur, par exemple variant de 0,1 à 0,5 mm. La plaquette 2 est percée d'une fente 3 de largeur 13 comprise entre 0,05 et 0,3 mm et de longueur L3 comprise entre 5 et 30 mm. La 30 largeur 13 de la fente 3 correspond à la fenêtre qui permet le passage des électrons produits soit par un matériau photosensible soit par une métallisation comme il sera décrit par la suite. La fenêtre de passage correspond à la surface S3 de la figure 1. La fente a typiquement une largeur de 0 ,1 mm et une longueur de 20 mm. Elle est par exemple formée par découpe au moyen d'un laser. La plaquette 2 est métallisée, par dépôt de métal ou feuille métallique 5a, 5b, par exemple, sur deux faces 4A, 4b disposées parallèlement l'une de l'autre. Selon un autre mode de réalisation, la plaquette ne peut comporter qu'une seule face métallisée, par exemple lorsque le faisceau qui est utilisé pour générer des électrons est composé de rayons X. Le dépôt métallique peut être une couche d'or déposée sur la première face 4a et sur la deuxième face 4b. Ces couches forment avantageusement une ligne en bande plus connue sous le terme anglo-saxon « strip-line ». La photocathode est collée ou brasée sur la face 4a et la grille est collée ou brasée sur la face opposée 4b. La plaquette est équipée de connecteurs 6a, 6b portée à haute tension à chaque extrémité de la ligne en bande. La photocathode pour la mesure des rayons X est une mince feuille métallique. La photocathode pour la mesure des rayons visibles ou ultra violet UV est une mince feuille métallique sur laquelle on dépose un matériau 7 photosensible. Le matériau photosensible 7 est disposé sur une surface S3. Pour des mesures en Rayons X, la photocathode est constituée d'une fine feuille métallique adaptée à l'énergie des rayons X (or, aluminium, ou autre). Pour des mesures en lumière visible des matériaux alcalins sont déposés sur la feuille métallique, selon des techniques connues de l'Homme du métier. La photocathode est collée ou soudée ou brasée sur la face 4a métallisée de la plaquette. La grille 8 de surface sensiblement égale à la surface S3 précitée est composée par exemple d'une grille sous la forme d'un tamis, telle qu'illustrée à la figure 2A, composé d'un treillis 20 en fils métalliques ou bien une feuille métallique 21 percée par laser, (figure 2B), le perçage pouvant prendre la forme de cercles 22 ayant un diamètre le plus important possible pour laisser le passage libre des électrons et en même temps assurer la présence d'un champ homogène. La grille ainsi constituée peut être collée ou soudée ou brasée sur la deuxième face métallisée de la plaquette. La figure 3 décrit un exemple de mise en oeuvre du dispositif selon l'invention dans une caméra à balayage. Une caméra à balayage ou « streak camera » est souvent utilisée pour mesurer directement l'évolution temporelle de signaux lumineux. Dans l'exemple de la figure 3 une lumière incidente I arrive sur l'optique d'entrée d'une caméra. Une caméra comporte, en général, une fente rectangulaire, une optique d'entrée 30, un tube comprenant une enceinte 31 dans laquelle est disposée une photocathode-grille 1 selon l'invention, une anode 32, un dispositif de focalisation électronique 33 permettant de focaliser la trajectoire Te du faisceau d'électrons générés par la photocathode-grille selon l'invention, des plaques de déviation 34, un écran phosphore 35, par exemple sur lequel arrivent les électrons et un capteur CCD. Les différents éléments qui ont besoin d'être mis sous tension sont reliés à des connexions électrodes 36.L'application du dispositif selon l'invention consiste à remplacer l'ensemble composée d'une photocathode et d'une grille qui sont généralement séparées dans l'art antérieur par le dispositif bloc photocathode-grille selon l'invention. II est possible de conserver la grille d'accélération d'origine située à quelques millimètres du dispositif selon l'invention afin de disposer d'un deuxième champ électrique d'accélération. Ceci permet notamment d'obtenir une tension d'accélération totale identique à la tension d'origine, donc la même vitesse des électrons et ainsi de ne pas changer l'optique électronique du tube. Au repos, la photocathode sera polarisée par une tension légèrement supérieure par rapport à la grille, ce qui interdit l'émission d'électrons par la cathode. Le dispositif PGA est soit au même potentiel que la grille d'origine du tube, soit polarisé négativement par rapport à celle-ci, par exemple de 15 kV. A la réception du signal de déclenchement de la mesure, une impulsion négative de courte durée (ex. : 5 ns) à haute tension, par exemple de 15 kV, est appliquée à la photocathode en synchronisme avec ce signal, ce qui crée un champ accélérateur puissant. En utilisation, les photons de la lumière incidente à mesurer sont focalisés par l'optique d'entrée sur la photocathode du dispositif selon l'invention afin de produire, une émission d'électrons proportionnelle à l'impulsion de la lumière incidente, par effet photoélectrique. Les électrons sont ensuite accélérés dans la fente du dispositif selon l'invention grâce au champ électrique photocathode-grille. En modulant le potentiel électrique entre les plaques de déviation, le champ électrique produit une déviation variable dans le temps des électrons, balayant les électrons à travers un écran fluorescent à l'extrémité du tube. Un détecteur linéaire, comme un dispositif connu sous l'abréviation anglo-saxonne « charge-coupled device » ou CCD est utilisé pour mesurer la trace produit sur l'écran par les électrons, et donc le profil temporel de l'impulsion lumineuse. Le temps de résolution des meilleures caméras à balayage optoélectronique est d'environ 100 femto secondes. Mesure des impulsions plus courtes que cette durée nécessite d'autres techniques telles que l'auto corrélation optique et la fréquence de déclenchement-optique résolue (FROG).30 REVENDICATIONS1 - Photocathode-grille destinée à être utilisée pour générer des électrons caractérisé en ce qu'il comporte au moins les éléments suivants : une plaque (2) en matériau diélectrique sur laquelle est disposée sur une première face (4a) une première métallisation (5a) et sur une deuxième face (4b) une deuxième couche de métallisation (5b), ladite plaque comprenant une fente de largeur I et de longueur L, ladite première couche de métallisation comprenant une surface S3 émettrice d'électrons, lesdits électrons ainsi générés étant accélérés par une grille disposée en face de la surface de métallisation S3, ladite grille (8) étant disposée sur ladite deuxième face (4b) de la plaque. 2 - Photocathode-grille selon la revendication 1 caractérisée en ce que le matériau constituant la plaque (2) est diélectrique. 3 - Photocathode grille selon la revendication 2 caractérisée en que le matériau constituant la plaque (2) est de la céramique. 4 - Photocathode-grille selon l'une des revendications 1 ou 2 caractérisée en ce que la métallisation est réalisée en or. 5 - Photocathode-grille selon l'une des revendications 1 à 3 caractérisée en ce que la première couche de métallisation disposée sur la première face comprend au niveau de la surface S un matériau photosensible. 25 6 - Photocathode-grille selon l'une des revendications 1 à 3 caractérisée en ce que la première couche de métallisation est une feuille métallique recevant un rayonnement X.20 7 - Photocathode-grille selon l'une des revendications 1 à 5 caractérisée en ce que la grille est un treillis en fils métalliques ou bien une feuille métallique percée par laser. 8 - Photocathode-grille selon l'une des revendications 1 à 7 caractérisée en ce que la plaque a une épaisseur ou longueur L comprise entre 0, 1 et 0, 5mm et en ce que ladite plaque est percée d'une fente de largeur comprise entre 0 ,05 et 0,3 mm et de longueur comprise entre 5 et 30 mm. 9 - Utilisation d'une photocathode selon l'une des revendications 1 à 8 dans une caméra à balayage pour la mesure d'un signal lumineux.