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Multiplicateur d'électrons
La présente invention concerne, de façon générale, les dispositifs à décharge électronique et, plusspécialement, ceux utilisant une multiplication d'électrons par émission secondaire.
Les multiplicateurs d'électrons à émission secondaire utilisant une cathode thermionique connus jusqu'ici sont limités à certains points de vue ce qui entrave leur application étendue aux tubes radio-électriques ordinaires d'émission et de réception.
Les surfaces à émissivité secondaire donnant un grand nombre d'électrons secondaires (cinq à sept par électron primaire) sont de nature complexecomme ceux à alliage Ag - Mg, à alliage Cu - Be ouà Ag - Ag2O- Cs - Cs 0 etexigent des traitements d'acti- vation compliqués et délicats. Ces matières sont, en outre, instbles dans le temps, surtout en cas de densités de courant
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@ élevées. Il a été constaté aussi qu'il est difficile de faire travailler ces matières complexes aux températures élevées. Ces surfaces sont d'autre part empoisonnées par la matière de "getter" et par les atomes évaporés par la cathode thermionique.
Il est donc clair que, si la multiplication d'électrons par émission secondaire présente des avantages considérables en principe, elle n'a trouvé à s'appliquer, en pratique, qu'à un nombre très limité de cas spéciaux. Un intérêt considérable se manifeste actuellement pour la multiplication d'électrons, dans le but daug- menter la transconductance des tubes travaillant aux fréquences - élevées dans le domaine de la télévision à ultra-haute fréquence et des communications par micro-ondes.
La présente invention a pour but principal de procurer un tube multiplicateur d'électrons perfectionné à fonctionnement stable aux hautes températures.
L'invention ressortira clairement de la description de formes d'exécution préférées représentées, à titre d'exemple, aux dessins annexés, dans lesquels:
La figure 1 est une vue en plan, partiellement en coupe, d'un multiplicateur d'électrons conforme à la présente invention, et
La figure 2 est une vue en plan, partiellement en coupe, d'une variante du multiplicateur d'électrons conforme à la pré- sente invention.
La figure 1 représente un multiplicateur d'électrons à une dynode. On peut considérer que le tube est divisé en deux parties, la partie de formation du faisceau électronique et la partie cible, enfermées toutes deux dans une enveloppe 11.
La partie de formation de faisceau comprend une cathode émettant des électrons et des électrodes de commande et de focali- sation convenables. La référence 13 désigne une cathode de tout type convenable, représentée, dans la présente forme d'exécution, par une cathode thermionique. Celle-ci peut être à chauffage direct ou indirect et est de forme allongée rectiligne. La cathode 13 est
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entourée concentriquement par une grille de commande 14 de construc- tion convenable. Dans la forme d'exécution représentée, la grille de commande 14 se compose de deux tiges latérales 16 et 17 autour desquelles les fils de grille 18 sont enroulés en spirale. Les tiges latérales 16 et 17,'de la grille de commande 14 sont parallèles à la cathode 13 et se trouvent dans le plan commun 20.
La grille de commande 14 est elle-même entourée concen- triquement d'une grille-écran 21. Celle-ci' est de même forme que la grille de commande 14 et est concentrique à la cathode 13. Les deux tiges latérales 22, 23 de la grille-écran 21 sont aussi disposées parallèlement dans le même plan 20 que la cathode 13.
La cathode 13, la grille de commande 14 et la grille-écran 21 reçoivent les tensions de polarisation voulues par des conducteurs respectifs 42, 43 et 45 communiquant avec l'extérieur de l'enve- loppe.
Une électrode de focalisation et d'accélération 25, ayant la forme d'une surface en U, est disposée en substance symétriquement par rapport au plan 20. La cathode 13, la grille de commande 14 et la grille-écran 21 sont placées à l'intérieur de l'électrode de focalisation en U 25. Un conducteur 41, communiquant avec l'extérieur de l'enveloppe, applique à cette dernière élec- trode une tension de polarisation convenable.
Une grille plane 30 est placée devant l'ouverture de @ l'électrode de focalisation 25, perpendiculairement au plan 20 -et couvre pratiquement toute l'ouverture de l'électrode 25. Un conducteur 46, communiquant avec l'extérieur de l'enveloppe, applique une tension convenable à la grille 30.
La partie cible est placée de l'autre côté de la grille plane 30 par rapport à la partie de formation de faisceau, et se compose d'une dynode 31 et d'une anode collectrice 32. La dynode 31 a la forme d'une pièce en V allongée dont la section transversale est en forme de V, la pointe 35 du V étant dirigée vers la partie de formation de faisceau et logée dans le plan de symétrie 20.
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Les branches 33 et 34 de la dynode en V sont disposées symétrique- ment par rapport au pla.n 20. L'angle d'intersection intérieur des branches 33 ou 34 de la dynode 31 avec le plan symétrique 20 est de l'ordre de 30 ou moins. La dynode 31 comprend une surface ou couche support 37 en une matière convenable décrite plus loin, avec un revêtement 39 sur le côté extérieur ou de bombardement de la couche en V 37. Un conducteur ..47 relie la dynode 31 à une source de tension de polarisation convenable, à l'extérieur de l'enve- loppe 11.
Afin de pouvoir amener, par le conducteur 47, la tension la plus faible possible sur la dynode 31, et de pouvofr tirer un profit maximum du grand angle d'incidence, 60 ou plus, des électrons primaires sur la dynode 31, il est intéressant de munir la dynode 31 de surfaces d'émission en une matière à nombre atomi- que faible. Pour atteindre le but de la présente invention, il faut que la matière utilisée sur la surface bombardée de la dynode 31 soit extrêmement stable sous des bombardements électroniques intenses et à des températures élevées. Il faut aussi que la surface soit insensible à l'oxydation et à l'adsorption d'impuretés.
L'expérience a montré que ce qui convient bien est une matière simple, homogène, stable, semi-conductrice ou conductrice à nombre atomique faible, inférieur à 20, comme le carbone ou le bore déposé en une couche aussi lisse que possible. En pratique, si on dépose une couche de carbone sur une surface, le dépôt obtenu est très rugeur à l'échelle microscopique, et le résultat est que le rendement en électrons secondaires est très faible et qu'aucune augmentation de rendement n'est obtenue en augmentant l'angle d'incidence du faisceau d'électrons primaires. Pour ce motif, les surfaces de carbone 39 utilisées comme surfaces de bombardement de la dynode 31 doivent être beaucoup plus lisses que les surfaces obtenues par les procédés ordinaires.
Une surface lisse a été obtenue pr cracking de molécules organiques contenant du carbone, comité des huiles à l'état de vapeur, par exemple des huiles de
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pompe à vide, en chauffant ou bombardant une surface lisse au moyen d'un faisceau électronique en présence des dites molécules.
L'épaisseur de la couche de carbone 39 n'est pas critique pour obtenir un rendement en éléctrons secondaires supérieur à l'unité sous des potentiels de travail pratiques de quelques centaines de @ volts. Ila été constaté cependant qu'en utilisant une très mince couche de carbone de l'ordre de 0,1 micron comme revêtement à émissivité secondaire 39, le degré de poli. est aussi élevé pour la couche émissive que pour le métal de base qui peut être une matière comme du nickel poli.
Il a été constaté aussi qu'avec une couche de carbone 39 d'une épaisseur de 100 angströms ou moins et en utilisant une base 37 en matière conductrice ayant un coefficient élevé de réflexion des électrons, comme le nickel ou l'argent, on peut augmenter encore le rendement en électrons secondaires. En donnant, à la couche de carbone 39, une épaisseur d'environ 100 angstroms, une partie importante des électrons primaires traverse la couche de carbone 39 pour atteindre la base 37 et être réfléchie, à travers la couche 39, de manière à renforcer l'émission d'électrons secondai- res par la couche de carbone 39, par rapport au rendement d'une couche de carbone plus épaisse.
Avec des électrons primaires frappant la surface 39 sous un angle d'incidence de 80 , dans le cas d'une couche de carbone relativement mince d'une épaisseur d'environ 0,1 micron, on peut obtenir un rendement de 2,5 électrons secondaires par électron primaire sous 300 volts, et d'environ 3,2 électrons sous 400 volts. Comme précité, le rendement serait encore plus grand si on utilisait une très mince couche de carbone 39, d'environ 100 angstroms, déposée sur une base 37 convenable réfléchissant les électrons.
En utilisant des surfaces de carbone ou de bore, la dynode 31 peut être chauffée à des températures bien au delà de 500 C
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sous vide pendant la fabrication, sans affecter aucunement les propriétés d'émission secondaire de la surface à émissivité secon- daire 39. En outre, des essais ont montré que le rendement en émis- sion secondaire de la couche 39 varie très peu quand les dynodes travaillent à des températures élevées de quelques centaines de degrés C. En diminuant donc le- gain par étage comparativement aux anciens appareils, on réalise un appareil à très grande stabilité aux hautes températures et aux fortes densités de courant, de qualité inconnue jusqu'ici.
En utilisant, pour la surface 39, une matière émissive stable et homogène, simple à faible nombre atomique, on obtient, en outre, une fonction de travail élevée et une émission thermioni- que et photoélectrique à débit lent, même aux hautes températures, ce qui donne un courant noir faible et peu de bruit. Avec la sur-, face 39, la dynode peut être manipulée sans danger en cours de fabri cation, il n'y a pas de 'procédé d'activation, les matières premiè- res sont peu coûteuses, et les techniques de production sont moins compliquées et moins diverses.
L'anode collectrice 32 de la partie cible se compose de deux plaquettes en une matière convenable, une plaquette disposée de chaque côté du plan de symétrie 20 et dans le yoisinage des surfaces de bombardement de la dynode 31, de manière à recueil- lir les électrons secondaires émis par la dynode 31. Un conducteur 48 est prévu pour relier les deux parties de l'anode collectricè 32 à une source de tension extérieure convenable.
Une grille 44 peut être placée près de la surface collec- trice de l'anode 32, munie d'un conducteur 57 communiquant avec l'extérieur de l'enveloppe.
Afin qu'aucun atome évaporé par la cathode thermionique ne puisse atteindre les surfaces de bombardemant de la dynode 31, ce qui influencerait défavorablement le rendement de l'émission secondaire, un écran 40 est placé entre la cathode 13 et la dynude3L.
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EMI7.1
Eu eu qui COl1el'Uù 10 fonctionnwJlunt de l'appareil de la figure 1, les électrons émis par la cathode thermionique 13 sont focalisés, en substance, en deux faisceaux dirigés hors du plan de symétrie 20 par les tiges latérales 16, 17, 22 et 23 des grilles de commande 14 et écran 21, où ils subissent l'influence du champ établi par l'électrode de focalisation 25.
Ce champ rabat les faisceaux électroniques de façon qu'au moment où les électrons atteignent l'extrémité ouverte de l'électrode 25, ils voyagent en substance parallèlement au plan de symétrie 20.
Une tension est appliquée à la grille d'écran 30 qui est positive par rapport à la cathode 13 et de l'ordre de 180 volts, tandis que la dynode 31 est à un potentiel positif d'environ 200 volts par rapport à la cathode 13. L'anode collectrice 32 est à environ 250 volts positifs par rapport à la cathode 13, de sorte qu'en fait, le volume embrassé par l'anode collectrice 32, la dynode 31 et la grille d'écran ou grille plane 30 est en substance neutre par rapport aux électrons primaires à grande vitesse des faisceaux formés dans la partie de formation de faisceaux.
Grâce à cette région neutre, en substance sans champ électrique, les faisceaux d'électrons primaires peuvent, après la traversée de la grille écran 30, continuer leurs trajectoires en substance parallè- les au plan de symétrie 20 et frapper la surface de bombardement de la dynode 31 sous un angle rasant de 60 ou plus. Sans la région neutre, les faisceaux d'électrons se recourberaient de façon à frapper les surfaces de bombardement de la dynode en substance perpendiculairement. Comme les électrons secondaires émis par la dynode 31 sont à vitesse lente, la différence de potentiel entre la dynode 31 et l'anode collectrice 32 est suffisante pour que cette derniers recueille les électrons secondaires émis par la dynode 31.
D'autre part, la grille 44, environ de 30. volts positive par rapport à la dynode 31, peut séparer la dynode 31 et l'anode collec- trice 32 pour pendre l'action collectrice de cette dernière plus
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indépendante de sa tension instantanée.
L'appareil représenté à la figure 1 n'a qu'un étage multiplicateur d'électrons. Dans certains cas il peut être utile d'utiliser un multiplicateur d'électrons à plusieurs étages, surtout que le gain par étage est réduit dans l'appareil de la présente invention.
La figure 2 représente un appareil conforme à l'inven- tion, consistant en un multiplicateur d'électrons à plusieurs étages.
Le tube représenté à la figure 2 est un tube amplificateur du type à déviation de 'faisceau.
Comme l'appareil de la figure 1, celui de la figure 2 peut être considéré comme composé de deux parties, une partie de formation et de déviation du faisceau et une partie cible- Le dispositif de formation et de déviation du faisceau peut être de tout type convenable., et celui qui est représenté n'est donné qu'à titre d'exemple. Le dispositif de formation et de déviation du faisceau comprend une première électrode 50 ayant la forme d'une rondelle percée d'une petite ouverture 51 placée en face d'une cathode 49. L'ouverture limiteuse 51 de la rondelle 50 aide à la formation d'un faisceau électronique 61 dirigé vers une seconde électrode 53 qui a la forme d'un cylindre avec deux ron- delles à ouverture limiteuse 54 et 55 qui focalisent et accélèrent le faisceau électronique.
Une paire de plaques de déflexion 56 est prévue, à laquelle on applique le signal àamplifier qui fait dévier le faisceau d'électrons 61. Suit une troisième électrode 58 ayant la forme d'un cylindre avec une rondelle 59 à ouverture limiteuse. Une quatrième électrode 60 est encore prévue sous la forme d'une rondelle avec ouverture limiteuse.
Les rôles des première, deuxième, troisième et quatrième électrodes, et des plaques de déflexion avec leur tension, sont bien connus en technique de formation d'un faisceau électronique.
En passant l' ouverture de la quatrième électrode 60 de la partie de formation et de déviation du faisceau, les électrons pénètrent
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dans la partie d'anode ou de multiplication, des électrons du tube.
La partie de multiplication des électrons se compose ici, à titre d'exemple, de quatre étages de multiplication.
La première dynode 64 est une pièce en V placée, en subs- tance, en face de la sortie de la quatrième électrode- La pointe de la première dynode 64 est dirigée vers la cathode 49 et est alignée, en substance, sur le centre de l'ouverture de la quatrième électrode 60. L'angle d'intersection intérieur des deux branches
80 et 81 de la première dynode en V est un angle aigu de 60 ou moins.
Une grille accélératrice 65, qui peut consister en un grillage à larges mailles, est intercalée entre la face extérieure de la branche 80 de la première dynode en V 64 et une seconde dynode 66. Un conducteur 67 communiquant avec l'extérieur applique, à la grille accélératrice 65, un potentiel convenable. Un conducteur¯82 applique un potentiel convenable à la dynode 66. La grille accéléra- trice 65 accélère et focalise les électrons secondaires émis par la surface de la branche 80 de lapremière dynode 64 et envoyés sur la seconde dynode 66. Une grille écran 68 est placée entre la seconde dynode 66 et la grille accélératrice 65 et est maintenue, en substance, au même potentiel que la seconde dynode 66.
Celle-ci est placée de façon que les électrons secondaires émis par la surface de la branche 80 de la première dynode 64 et accélérés par la grille accélératrice 65, frappent la surface de la deuxième dynode 66 sous un angle rasant ou un angle d'incidence de l'ordre de 60 ou plus par rapport à la normale. La grille écran 68 inter- calée entre la seconde dynode 66 et la grille accélératrice 65 tend à maintenir une région en substance neutre ou exempte de champ électrique dans le voisinage de la surface de bombardement de la seconde dynode 66, pour les électrons secondaires émis par la première dynode 64 et accélérés par la grille accélératrice 65.
La région neutre, comme à la figure 1, fait que les électrons secondaires frappant la seconde dynode 66 y arrivent en suivant
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des trajectoires rectilignes et ne sont pas influences par le champ entre la grille accélératrice 65 et la seconde dynode 66 qui pousse- rait les électrons à suivre une courbe et à atteindre la surface de bombardement suivant une direction plus proche de la normale.
Les électrons secondaires à vitesse lente émis par la seconde dynode 66 sont à nouveau accélérés et focalisés par une grille accélératrice 69 et dirigés, à travers une grille écran 70, sur la troisième dynode 71, sous l'effet d'un potentiel convenable appliqué par un conducteur 83; la troisième dynode 71 est de nouveau atteinte sous un angle rasant. La troisième dynode 71 est maintenue à un potentiel convenable par un conducteur 84.
Les électrons secondaires émis par la troisième dynode 71 peuvent ensuite être accélérés par une grille accélératrice 72 et une grille écran 73 semblables et dirigés sur une quatrième anode 74. Les électrons secondaires émis par la quatrième dynode 74 sont recueillis par une plaque collectrice 75 communiquant avec l'ex- térieur du tube par un conducteur 89. Une grille de focalisation 76, alimentée en potentiel convenable par un conducteur 87, est placée entre la quatrième dynode 74 et l'anode collectrice 75. Des tensions convenables sont appliquées à la grille 72 et à l'anode 74 par des conducteurs correspondants 85 et 86. Des tensions de plus en plus élevées sont appliquées aux différentes dynodes et grilles associées d'une manière convenable.
Les électrons secondaires émis par la face extérieure de la branche 81 de la première dynode en V sont aussi multipliés par un moyen semblable à celui utilisé pour les électrons secondaires émis par la branche 80, de façon que la plaque collectrice corres- pondante reçoive un signal opposé à celui reçu par la plaque 75 qui peut ainsi être utilisée en montage push-pull.
Les dynodes 64, 66, 71 et 74 sont faites en les mêmes matières que les dynodes du dispositif décrit avec référence à la figura 1. Une couche stable et lisse de matières du groupe carbone
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et bore à faible nombre atomique est auposée sur la surface de bom- bardement de la dynode et sert de couche à émissivité secondaire.
Les détails au sujet de la nature de la couche et des matières utilisées ont été donnés lors de la description de la figure 1 et ne seront pas répétés ici.
En ce qui concerne le fonctionnement de l'appareil repré- senté à la figure 2, le faisceau d'électrons produit et focalisé dans la partie de foxnnation et de déviation de faisceau, est dirigé sur la première anode 64 en V. Les électrons secondaires émis par la première dynode 64 sont accélérés et focalisés par la grille accélératrice 65 et dirigés, à travers la grille- écran 68, sur la seconde dynode 66 sous un angle rasant ou angle d'incidence de plus de 60 . Ce procédé de multiplication d'élec- trons est répété à travers les quatre étages de la partie de multiplication des électrons, les électrons finissant par être recueillis par l'anode collectrice. La trajectoire du faisceau électronique est représentée par des lignes en traits interrompus.
Quoique l'appareil ait été décrit dans son application aux tubes amplificateurs à cathode du type thermionique, son prin- cipe peut être utilisé dans les multiplicateurs photoélectriques, les renforçateurs d'images, les appareils de captation et de reproduction d'images, ainsi que dans les multiplicateurs utilisés par les compteurs de photons ou de particules chargées des spectro- graphes de masse par exemple.
En outre, quoique le carbone se soit avéré la matière la plus satisfaisante, comme précité, d'autres matières fonction- nent cependant de façon satisfaisante.Par exemple, l'expérience a montré qu'un rendement de 4,3 électrons secondaires par électron primaire incident sous un angle de 80 peut être obtenu avec le bore, pour une énergie primaire de 400 volts.