Détecteur de particules
La présente invention a pour objet un détecteur de particules chargées positivement de particules neutres et de photons, dans lequel un jet de ces particules est dirigé vers une cible qui, chaque fois qu'elle reçoit l'une desdites particules, émet un ou plusieurs électrons qui sont ensuite accélérés vers un scintillateur suivi d'un photomultiplicateur.
La détection des ions positifs constituant un jet de plasma fut initialement effectuée en utilisant un multiplicateur d'électrons dont la première dynode était polarisée négativement.
L'utilisation de ce type de dispositif comme détecteur d'ions entraîna plusieurs difficultés: une variation du coefficient d'émission secondaire de la première dynode en fonction de l'énergie des ions incidents, la modification du gain du dispositif suivant les conditions de vide et, en particulier, les retours successifs à la pression atmosphérique.
Ces variations du gain entraînaient de grandes difficultés pour l'étude d'un spectre d'énergie relativement large.
En conséquence, on fit appel à un procédé connu faisant application d'une méthode de scintillation.
Les ions du faisceau étudié sont accélérés vers une cible métallique à émission secondaire, les électrons émis par cette cible sont à leur tour accélérés en direction d'un scintillateur dans lequel est produit un signal lumineux que détecte un photomultiplicateur extérieur à l'enceinte.
La fig. 1 représente la partie utile de l'optique d'un tel détecteur. Le jet 2 de particules que l'on étudie est envoyé en 4 suivant l'axe A parallèlement à l'axe de la cible à émission secondaire 6 portée à un potentiel négatif par rapport au scintillateur métallisé 7.
On notera que la face utile 8 de la cible est parallèle à la direction initiale du faisceau. L'impact des ions sur cette cible déclenche l'émission d'électrons qui sont dirigés vers le scintillateur métallisé 7.
On a tracé sur la fig. 1 le réseau d'équipotentielles 10, 11, 12, 13, 14 qui correspondent respectivement aux tensions de 20 kV, 15 kV, 10 kV, 5 kV et 1 kV établi en supposant que la cible était portée à un potentiel de 25 kV et que le scintillateur avait un potentiel nul.
On a également représenté les trajectoires 16, 17, 18, 19, 20 et 22 suivie par des ions positifs ayant respectivement des énergies de 10 eV, 1 keV, 3 keV, 7 keV, 12 keV et 16 keV ainsi que celles des électrons secondaires correspondant auxdits ions positifs 16J***2O1.
L'examen de cette figure montre que lorsque l'éner- gie des ions est supérieure à 12 keV, ceux-ci ne tombent plus sur la cible. On peut préciser que les électrons dont l'émission par la cible est déclenchée par des ions ayant une énergie supérieure à 8 keV ne tombent plus sur la surface utile du scintillateur et ne sont plus détectés.
En résumé, on peut dire qu'un détecteur d'ions du type qui vient d'être décrit ne présente un gain constant que dans une gamme d'énergie restreinte.
La présente invention vise à réaliser un détecteur de particules chargées positivement, de particules neutres, ainsi que de photons dont le gain est indépendant de l'énergie cinétique de chaque particule lorsque l'appareil est utilisé pour déceler des ions.
Pour cela, le détecteur selon l'invention est caractérisé en ce que la cible coupe l'axe du canal d'entrée dudit jet par rapport auquel elle est oblique.
Suivant une variante préférée de l'invention, la surface active de la cible plane fait un angle sensiblement égal à 200 avec l'axe du canal d'entrée.
Selon une autre variante, on réalise un détecteur d'ions qui utilise une cible à émission secondaire et dont le canal d'entrée est équipé d'un dispositif d'injection des ions qui comporte une lentille électrostatique.
On a déjà expliqué que le coefficient d'émission secondaire de la cible doit varier relativement peu quelle que soit l'énergie du faisceau étudié de particules.
La titulaire a constaté que, compte tenu des variations de ce coefficient en fonction de l'angle d'incidence desdites particules, l'émission secondaire est sensiblement constante si les électrons envoyés vers le scintillateur ont une énergie supérieure à 20 keV. En conséquence, la tension cible-scintillateur sera de préférence supérieure à 20 kV.
Le calcul numérique des trajectoires justifie cette condition en montrant que la variation de l'angle d'incidence n'entraîne pas alors une modification importante du gain.
Dans le but de sélectionner les ions suivant leur énergie, il est possible d'équiper le scintillateur d'un cache muni d'une fenêtre.
Afin d'éviter que l'émission de champ à la surface de la cible soit importante, le champ électrique sera avantageusement partout inférieur à 5000 V/mm.
Ce détecteur, de structure simple et de fonctionnement sûr, permet d'effectuer des mesures dans une bande d'énergie très large.
Pour mieux faire comprendre les caractéristiques de la présente invention on va en décrire un exemple de réalisation étant entendu que celui n'a aucun caractère limitatif quant aux modes de mise en oeuvre et aux applications qu'on peut en faire.
La fig. 1 représente la partie utile de l'optique d'un détecteur d'ions de type connu;
la fig. 2 représente la partie utile de l'optique d'un détecteur de particules conforme à la présente invention;
la fig. 3 est un graphique permettant de comparer les variations en fonction de l'énergie des ions incidents, du gain du détecteur de la fig. 1 et de celui de la fig. 2.
Avant de décrire un détecteur de particules conforme à l'invention on rappellera les principales phases de l'étude qui a permis d'en définir les caractéristiques.
Tout d'abord l'utilisation d'un détecteur d'ions du type de celui de la fig. 1 a permis d'établir qu'une cible à émission secondaire dont la surface active plane est parallèle à la direction initiale des ions ne permet pas de recueillir les ions affectés d'une forte énergie. En conséquence, le titulaire décida d'utiliser une cible dont la surface active coupe la direction d'entrée des particules et est oblique par rapport à celle-ci.
Il est évident que malgré l'emploi de cette disposition particulière on doit s'assurer que tous les électrons émis par la cible ont des trajectoires aboutissant sur un scintillateur.
On doit éviter que le coefficient d'émission des électrons ne soit modifié de façon importante quand l'énergie des particules varie dans une large gamme et tenir comDte du fait que l'angle d'incidence des particules sur la cible est fonction de l'énergie cinétique en ce qui concerne les particules chargées.
Pour satisfaire cette condition on choisit une tension d'accélération des électrons émis par la cible supérieure à 20 kV.
Enfin, le champ électrique ne doit pas dépasser 5000 V/mm à la surface des différents organes du détecteur, car le dépassement de cette valeur entraînerait les inconvénients dus à l'émission de champ.
Afin de guider le titulaire dans la détermination des caractéristiques du nouveau détecteur de particules en particulier celles de sa géométrie et afin de donner à celui-ci les meilleures performances en ce qui concerne la détection des ions on a étudié la répartition des potentiels ainsi que des trajectoires ioniques et électroniques.
L'élaboration de la structure du détecteur de particules qui sera décrit et dont l'optique et plus particulièrement sa partie utile sont représentées sur la fig. 2 a été facilitée par des calculs donnant une solution approchée de l'équation de La place et des équations du mouvement des ions.
Différents éléments sont représentés à la fois sur les fig. 1 et 2, ils sont désignés par les mêmes repères numériques.
Il est à noter ici, que le canal d'entrée des particules est muni d'une lentille électrostatique 22 de manière à éviter une déflexion trop rapide dans le cas des ions.
La surface active de la cible à émission secondaire 24 coupe l'axe d'arrivée des particules et forme avec lui un angle de 200 environ. Il y a lieu de préciser que l'extrémité avant 25 de la cible 6' qui reçoit les ions de très grande énergie ainsi que les particules neutres et les photons doit se prolonger légèrement au-delà de l'axe
A. Le scintillateur 7 ainsi que le dernier élément de la lentille électrostatique 22 étant à la masse tandis que la cible est portée à une tension de 25. kV on a représenté différentes équipotentielles 10', 11', 12', 13' et 14' qui correspondent aux mêmes tensions que dans le cas de la fig. 1.
On a également porté sur la figure les trajets 26, 28, 30, 32 et 34 des ions ayant des énergies respectivement égales à 10 eV, 6 keV, 40 keV, 300 keV et une très grande énergie ainsi que les trajets 26,... 341 des électrons émis par la cible après l'impact des ions précédemment définis.
Quelle que soit l'énergie des ions on peut facilement constater qu'ils déclenchent l'émission d'électrons qui sont accélérés vers le scintillateur.
Le titulaire a réalisé plusieurs détecteurs de particules de ce type dont les caractéristiques ont été étudiées au moyen d'une source d'ions fournissant un faisceau monocinétique. L'énergie de ces ions pouvant varier entre 0,5 keV et 150 keV, il a été possible de mesurer l'efficacité du détecteur.
Une série d'expériences a permis de démontrer la supériorité du nouveau détecteur d'ions sur celui qu'illustre la fig. 1 en ce qui concerne la stabilité du gain G (en unités arbitraires) vis-à-vis de l'énergie E (keV).
Deux courbes G = f(E) sont représentées sur la fig.
3, elles correspondent respectivement au détecteur conforme à l'invention (courbe I en trait plein) et au détecteur du type de la fig. 1 (courbe II en trait interrompu).