LU84136A1 - Procede et dispositif de production de photons dans la gamme des longueurs d'ondes ultraviolettes - Google Patents
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Description
2 ; “Procédé et dispositif de production de photons dans la gamme des longueurs d'ondes ultraviolettes^_
La présente invention est relative à 5 un procédé de production de photons, dans la gamme des longueurs d'ondes ultraviolettes, comprenant l'implantation dans une matrice solide d'ions de gaz inerte ou respectivement insoluble vis-à-vis de la matrice, l'excitation du gaz em-10 prisonné sous la forme de défauts étendus de la matrice solide, et l'émission desdits photons par le gaz excité, ainsi qu'à un dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé.
Les sources de lumière courantes pour 15 les gammes de longueurs d’ondes ultraviolettes proches, lointaines et extrêmes, sont généralement des sources à décharge où la lumière est produite en faisant passer une décharge électrique dans un capillaire contenant des gaz nobles où autre s 20 à des pressions comprises entre 10 et quelques dizaines de milliers de Pa. Pour He, un gaz communément utilisé, un spectre continu d'émission résulte de la formation dams la décharge et la décroissance radiative subséquente, de molé-25 cules d'hélium excitées He2
Une autre source importante de rayonnement dans cette gamme du speccre est le synchroy dj 3 I» [ί I: ton, qui est une installation compliquée et coûteuse, accessible uniquement en quelques endroits du monde.
On a également envisagé d'utiliser la 5 fluorescence de l'hélium liquide comme soiice de " rayonnement dans:.la gamme ultraviolette, mais ce procédé demande un refroidissement cryogénique, donc à très basses températures, ainsi qu'un pom- page différentiel, et sa mise en oeuvre est donc î 10 très coûteuse (v. C.M. Surko, R.E. Packard, G.J.
Dick et F. Reif, Spectroscopic Study of the luminescence of liquid hélium in the vacuum ultra-ί vüet, dans Physical Review Letters, Vol. 24,
SI
I N° 12, (1970), p. 657 et suiv.).
15 II est connu par ailleurs de préparer É des matrices solides présentant des défauts éten-| dus, tels que des agglomérats de lacunes, ou des bulles contenant un gaz inerte ou insoluble vis-à-A vis de la matrice. On obtient, par exemple, une § 20 telle matrice avec microbulles d'hélium par bom- I bardement au moyen d'ions He énergétiques. La matrice Al/He a fait l'objet d'études en spectro-copies d'absorption optique et de perte d'énergie électronique (v. J.C. Rife, S.E. Donnelly, A .A.
25 Lucas, J.M. Gilles et J.J. Ritsko, Optical absorp- g tion and e3ectrcn-energy-loss spectra of hélium microbubbles in Aluminum, Physical Review Letters, vol. 46, n° 18 (1981), p. 1220 et suiv.). i On a enfin déjà observé qu'une matrice 30 solide bombardée au moyen d ' ions hélium à grande énergie (200-600 keV) émet, à partir d ' une certaine J dose d'He un spectre continu dans la gamme ces -* j / ; - ' 4 ( ] ! ultraviolets (v. R.S. Bhattacharya, K.G. Lang, A. Scharmann et K.H. Schartner, Continuous émission in the vacuum ultraviolet unâer energetic inert ! gas ion bombardment of aluminium, dans J. Phys.
5 D, vol. 11 (1978), p. 1935 et suiv.) . Il faut noter que l'implantation d'âons hélium à grande énergie est un procédé relativement coûteux et que, j les ions hélium étant implantés à grande profon- I deur dans la matrice, l'intensité de l'émission î 10 des ultraviolets est faible.
I La présente invention a pour but la | mise au point d'un procédé et d'un dispositif de \ production de photons dans la gamme des longueurs ! d'ondes ultraviolettes qui scient simples et peu 15 coûteux tout en donnant des résultats comparables aux sources à décharge.
j j A cet effet, suivant 1'invention, on j réalise un bombardement ionique d'une surface de S la matrice solide par des ions à faible énergie j 20 d'au moins un gaz tel que précité, de manière à obtenir une implantation à faible profondeur de gaz dans la matrice solide, et ensuite un bombardement électronique, à faible énergie, de la matrice solide, avec excitation du gaz emprisonné 25 et émission des photons susdits.
Suivant un mode de réalisation de l'invention, le procédé comprend l'implantation | à faible profondeur d'ions de gaz par une face d'une matrice solide en masse et le bombardement | 30 électronique de cette même face avec émission ! des photons susdits induits à partir de cette ^ / i face. /// ! Uf ! !‘ j I· jh 5
Suivant un autre mode de réalisation | de l'invention/ le procédé comprend l'implanta- i | tion à faible profondeur d'ions de gaz dans une matrice solide lamellaire d'une épaisseur infé-5 rieure à 1 p, et le bombardement électronique ‘ susdit de l'une des faces de cette iratrice avec } I - émission des photons susdits induits à partir de I ’ l'autre face de la matrice.
j
Il est également prévu, suivant l'in- i I 10 vention, un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé suivant l'invention, ce dispositif comprenant une enveloppe sous vide, une matrice solide, dans laquelle sont implantés à faible profondeur des ions d'au moins un gaz inerte ou respective-15 ment insoluble vis-à-vis de la matrice, cette matrice étant montée sur un support à l'intérieur | de l'enveloppe sous vide, un appareil de produc- | tion d'électrons capable de soumettre la matrice ! à un bombardement électronique à faible énergie | 20 et une connexion électrique reliant la matrice i | à l'extérieur, ainsi qu'une sortie pour les pho- i tons produits, prévue dans l'enveloppe.
j D'autres détails et particularités j - de l'invention ressortiront de la description ; - 25 donnée ci-après, à titre non limitatif et avec j référence aux dessins annexés.
i j La figure 1 illustre, de manière sché- matique, un dispositif mettant en oeuvre un pro- j cédé de production de photons suivant l'invention, i 30 La figure 2 illustre, de manière sché matique, un dispositif mettant en oeuvre une va-! riante de réalisation suivant l'invention. /, k i i . 6 ? »
La figure 3 représente, de manière plus dé- | taillée, une vue partiellement en coupe axiale à travers un dispositif suivant l'invention.
La figure 4 représente le spectre de fluo- j j 5 rescence obtenu par l'utilisation d’un dispositif suivant l'invention. Les unités portées en abscisse i | * représentent les longueurs d'onde du spectre de fluorescence et en ordonnées sont portées des unités arbitraires d'intensité d'émission.
a 10 Sur les figures, les éléments identiques ou analogues sont désignés par les mêmes références.
j 3 Le dispositif illustré sur la figure 1 com- i prend une matrice solide 1 qui est préparée par -i implantation d'ions He à faible énergie dans une il : 15 feuille d'Al d'une épaisseur inférieure à um. Un bombardement d'ions He à faible énergie, de l'ordre de 5 keV, permet l'implantation d'une haute concen-I tration (localement supérieure à 10 atomes %) de He Îsur une profondeur de quelques dizaines à quelques
O
20 milliers d'A . L'hélium s'agglomère naturellement dans les lacunes de la matrice produites par le bombardement et forme des défauts étendus, tels qu'agglomérats de lacune ou microbulles 2 qui restent stables à la température ambiante et peuvent résis-25 ter à des élévations de températures allant jusqu'à quelques centaines de °C, par exemple jusqu'à 300°C.
Le dispositif illustré sur la figure 1 comprend également un appareil de production d'élec- j j trons à faible énergie 3, tel qu'un canon électro- | 30 nique, cet appareil projetant un faisceau électro- i inique 4 sur une des faces 5, appelée face arrière, / de la matrice 1. Les électrons du faisceau électro/!/ t 7 nique 4 présentent avantageusement une énergie inférieure ou égale à 20 keV, de préférence comprise entre 1 et 5 keV. Une fluorescence de la cible eèt induite dans ce cas à partir de la face avant 6 de 5 la matrice, l'émission de photons étant représentée par les flèches en traits ondulés 7.
Il est représenté sur cette figure 1, en traits interrompus, une variante de forme de réalisation, dans laquelle la matrice lamellaire 1 se 10 présente sous la forme d'une bande continue, enrou lée à une extrémité en un rouleau de réserve 20 et à son autre extrémité en un rouleau d'évacuation 21.
De cette manière, si la partie de la matrice soumise au bombardement électronique est accidentellement 15 altérée, après une certaine durée de fonctionnement, on peut déplacer la matrice dans le sens de la flèche 22, en faisant tourner lesdits rouleaux 20 et 21, et amener devant le faisceau électronique une nouvelle partie de matrice non encore soumise au bombardement 20 électronique. Ce déplacement peut être effectué manuellement ou automatiquement, et il peut être continu ou intermittent pendant le fonctionnement du dispositif suivant l'invention.
Dans le dispositif illustré sur la figure 2, 25 la matrice est un substrat en masse 8. L'implanta tion des ions He est effectuée de la même manière que pour la matrice lamellaire 1, en procédant de manière à obtenir un naximum de concentration de microbulles 2 de He sous une profondeur, de préfé-
O
30 renceÂnf érieure à 5.000 Ä. Dans ce cas, le canon électronique 3 projette un faisceau d'électrons / à faible énergie sur la même surface que celle par·^ / i 8 ' laquelle les ions He ont été implantés, et une fluorescence de la cible est induite alors à travers cette surface 9, l'émission de photons étant représentée par les flèches en traits ondulés 10. On 5 a donc dans ce dernier cas ce que l'on appellera un bombardement électronique de la face avant de la matrice, par opposition au bombardement électronique de la face arrière de la matrice illustré sur la figure 1.
10 Le dispositif illustré sur la figure 3 repré sente d'une manière plus détaillée un dispositif mettant en oeuvre un bombardement électronique de la face avant de la matrice.
Ce dispositif suivant la figure 3 comprend 15 une enveloppe 11 maintenue sous vide dans laquelle la matrice 8 est montée sur un support 12 qui peut être refroidi par un circuit de refroidissement 13, I par exemple à l'eau, dans l'éventualité d'une utili- sation du dispositif à haute intensité. Un canon 20 électronique 3 émettant un faisceau d'électrons à faible énergie et d'intensité réglable est monté sur l'enveloppe de manière à diriger ce faisceau sur la matrice. L'angle d'incidence entre le faisceau et le plan de la matrice est calculé de façon que les 25 photons émis puissent se propager par l'ouverture de sortie 14 formée à l'une des extrémités frontales de l'enveloppe 11. Cette extrémité est munie d'une bride 15 qui sert au raccordement du dispositif suivant l'invention à un appareil dans lequel la 30 lumière ultraviolette sera utilisée.
Une connexion électrique 16 permet notamment de mesurer le courant électronique dans la matric^^/ 9
On peut prévoir, dans l'ouverture de sortie 14, un écran électronique 17 destiné à empêcher toute sortie d’électrons par cette ouverture, cet écran électronique 17 étant alors lui aussi relié à 5 l'extérieur par une connexion électrique 18.
L'enveloppe 11 est maintenue sous vide, soit par un dispositif de pompage, non représenté, raccordé à l'enveloppe par le raccord à bride 19, soit par le dispositif de pompage maintenant sous 10 vide l'appareil non représenté raccordé à la bride 15.
La matière de la matrice doit remplir deux conditions principales : l'insolubilité du gaz dans la matrice et une relativement faible âDSorption par 15 la matrice du continuum d'émission du gaz. La matière de la matrice doit préférentiellement avoir des propriétés optiques telles que la profondeur d'échappement des photons produits soit compatible avec la profondeur d'implantation. Par conséquent , 20 il n'est pas nécessaire que la profondeur de péné tration du faisceau électronique dépasse cette profondeur d'échappement des photons et des énergies d'électron dans une gamme de 0,1 à 20 KeV sont suffisantes, même pour un bombardement de- surface j . 25 avant, avec une incidence rebtivement rasante.
Cette propriété de la source de photons permet d'éviter les coûts élevés nécessaires à la réalisation de bombardements ioniques et électroniques à grande énergie, tels que ceux utilisés dans les 30 procédés et dispositifs connus. L'excitation peut notamment être produite par l'utilisation d'un canon électronique à faible énergie.
Comme matière de matrice on peut utiliser / y I * 10 avantageusement des matières choisies parmi le groupe comprenant des métaux, tels que Sn, Mg, Al, des semi-conducteurs, tels que Si, Ge ou certains isolants, 5 Comme la profondeur d'émission de la ' source est très petite, la source est sensiblement ’ plane et la surface et la forme de la source peu- . vent être simplement ajustées par structuration du faisceau électronique. Par concentration du 10 faisceau, on peut obtenir une source effectivement ; ponctuelle; par balayage ou étalement du faisceau, I on peut obtenir une source étendue compatible, par ; exemple, avec la géométrie de fente utilisée dans | certains travaux spectroscopiques. De plus, une | 15 intensité de fluorescence variable dans le temps j peut aisément être obtenue en modulant le faisceau i électronique par impulsions, ce qui permet l'utili sation de la source dans des techniques d'asservissement (de type "lock in"). La durée d'exis-20 tence de la fluorescence est inférieure à lo nsec.
Suivant un exemple non limitatif de mise en oeuvre du procédé suivant l'invention, une source de photons à base d'Al/He est préparée de la manière décrite précédemment et mise en oeuvre suivant 25 11 invention sous un bombardement électronique pré sentant une énergie de 3800 V. Cette source produit, ainsi qu'il ressort de la figure 4, un spec- ί tre continu de fluorescence qui s'étend de 580 ! o K à 900 A , ce qui est semblable à ce que l'on ob- 30 tient avec les sources à décharge conventionnelles.
La production de photons de la matrice a été comparée à la source Synchrotron SURF II et cette compa- ^ l· 11 raison indique une efficacité supérieure ou égale à -4 10 photons par électron. A courant électronique suffisant, la brillance peut atteindre celle obtenue par des lampes à décharge .
5 A la différence des sources à décharge con ventionnelles, il existe la possibilité, à l'aide du procédé suivant l'invention, de mettre au point une source composite multi-gaz en vue d'étendre la
O
largeur de la bande spectrale de 580 à 3.000 A. En 10 effet, il est évident qu'outre l'hélium d'autres gaz inertes vis-à-vis de la matrice peuvent être utilisés, par exemple des gaz rares ou autres, comme Ne, ArH2» N , ....Si l'on implante dans la matrice des ions de plusieurs de ces gaz, on peut 15 ainsi obtenir ladite source composite multi-gaz.
Les applications d'une source de photons suivant l’invention sont nombreuses. On peut l'utiliser dans n'importe quelle application où les sources à décharge sont à présent utilisées, par exemple 20 pour la spectroscopie photoélectronique dans l'ultra violet, pour des études de réflectivité, d'adsorption et de photoconductivité, etc.
En plus de l'utilisation du dispositif suivant l'invention comme simple moyen de produire des 25 photons dans la gamme des ultraviolets proches, lointains et extrêmes, la source suivant 1'invention peut être incorporée dans un grand nombre de nouveaux systèmes plus complexes. On peut entre autres citer : 30 a) détecteurs de particules, par la détection de la , fluorescence induite dans le dispositif par le pas- / sage de particules chargées* /]/, ! r i i t 12 b) lithographie de contact dans l'ultraviolet, par implantation d'un circuit intégré au moyen d'un faisceau d'ions de gaz inerte sur un masque sous ! forme de film mince et par impression ultérieure 5 du circuit, par placement du film en contact avec un revêtement photorésistant, sensible aux photons UV, et par bombardement avec un faisceau électronique pour activer la fluorescence aux ultraviolets; c) source d'émission stimulée d'ultraviolets extrê-10 mes (laser à excimère),grâce au choix d'un mécanis me de pompage approprié et d'une cavité résonnante i appropriée.
Les procédés et dispositifs suivant l'invention présentent l'avantage de ne pas nécessiter | 15 de pompage différentiel, de remplacement du gaz et 3 j; de refroidissement cryogénique. De plus, ils sont ij |j très aisés à mettre en oeuvre et d'un fonctionne-
N
y ment souple. La source suivant l'invention offre il SI*avantage d'une brillance, qui peut varier de six 20 ordres de grandeur ou davartage, par modification de l'intensité du faisceau électronique. Elle permet une géométrie ponctuelle par concentration. Enfin, sa mise en oeuvre est relativement bon marché.
Il doit être entendu que la présente inven-* 25 tion n'est en aucune façon limitée aux formes de réalisation décrites ci-dessus et que bien des I modifications peuvent y être apportées sans sortir j
du cadre du présent brevet. /T
IJf
Claims (19)
1. Procédé de production de photons, dans la gamme des longueurs d'ondes ultraviolettes, comprenant l'implantation dans une matrice solide 5 d'ions de gaz inerte ou respectivement insoluble • vis-à-vis de la matrice, l'excitation du gaz emprisonné dans la matrice solide, et l'émission desdits photons par le gaz excité, caractérisé en ce qu'il comprend un bombardement 10 ionique d'une surface de la matrice solide par des ions à faible énergie d'au moins un gaz tel que précité, de manière à obtenir une implantation à faible profondeur de gaz dans la matrice solide, et ensuite un bombardement électronique, à faible 15 énergie, de la matrice solide, avec excitation du gaz emprisonné et émission des photons susdits.
2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend l'implantation à faible profondeur d'ions de gaz par une face d'une 20 matrice solide en masse et le bombardement électro nique de cette même face avec émission des photons susdits induits à partir de cette face.
3. Procédé suivant la revendication 1, , caractérisé en se qu'il comprendt1'implantation 25. faible profondeur d'ions de gaz dans une matrice solide lamellaire d'une épaisseur inférieure à 1 pn, et le bombardement électronique susdit de l'une des faces de cette matrice avec émission des photons susdits induits à partir de l'autre face de la 30 matrice.
4. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il corn- / prend le déplacement intermittent ou continu de la / W ] ' 14 ι j ί matrice, dans laquelle les ions de gaz ont été im plantés, d’une position de réserve à une position de bombardement, où elle subit ledit bombardement électronique, puis à une position d’évacuation, la 5 matrice se présentant sous la forme d’un substrat continu.
5. Procédé suivant l’une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le bombardement ionique est effectué avec des ions dudit f 10 ou desdits gaz présentant une énergie permettant d’obtenir une haute concentration en gaz sous forme J ! de défauts étendus de la matrice, sur une profon- 3 " 0 1 deur n’excédant par quelques milliers d’A .
6. Procédé suivant la revendication 5, : 15 caractérisé en ce que l’énergie des ions de gaz : susdits est de l’ordre de 5 keV. ;1i
7. Procédé suivant l’une quelconque des I revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu’il com prend l’implantation à faible profondeur dans la f 20 matrice d’ions de plusieurs gaz inertes ou respecti- Ivement insolubles vis-à-vis de la matrice.
8. Procédé suivant l’une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu’il comprend l’implantation d’ions de gaz rares, en parti-25 culier d’hélium.
9. Procédé suivant l’une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le bombardement électronique est effectué avec des électrons présentant une énergie inférieure ou égale à ! 30 20 keV, de préférence comprise entre 1 et 5 keV.
10. Procédé suivant l’une quelconque des , revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu’il / I t ' * il t* ! 'J \i ' 15 l;i 13 ! i 1 comprend, pendant le bombardement électronique, la 'S | concentration d'un faisceau électronique sur la ..'îj j matrice de façon à produire une source ponctuelle Ide photons.
11. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il com- | * prend,pendant le bombardement électronique, le ! . balayage de la matrice par un faisceau électronique, Îde façon à produire une source étendue de photons.
12. Procédé suivant l'une quelconque des * revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il corn- ; prend, pendant le bombardement électronique, l'éta- :j lement d'un faisceau électronique, de façon à pro- ! :| duire une source étendue de photons. Al j 15
13. Procédé suivant l'une quelconque des * jj revendications 1 à 12, caractérisé en ce qu'il com- ! prend, pendant le bombardement électronique, une I modulation de l'intensité du faisceau électronique, de façon à produire une source d'intensité variable 20 de photons.
14. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisé en ce que la matrice utilisée est en une matière présentant une faible absorption du spectre continu d'émission 25 du gaz excité, contenu dans la matrice.
15. Procédé suivant la revendication 14, i caractérisé en ce que la matrice utilisée est en une matière chdsie parmi le groupe comprenant des métaux, tels que Sn, Mg, Al, des semi-conducteurs, tels que 30 Si, Ge, ou des isolants, tels que LiF, NaCl. !
16. Dispositif pour la mise en oeuvre du / ? procédé suivant l'une quelconque des revendications/"· / 17 une position de bombardement de la matrice et une position d'évacuation.
20. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 16 à 19, caractérisé en ce 5 qu'il comprend un circuit de refroidissement du sup- * port de la matrice. * 21. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 16 à 20, caractérisé en ce que l'enveloppe présente une bride de raccordement autour de la sortie pour les photons produits, pour le montage d'un appareil sous vide sur le dispositif, et en ce qu'éventuellement le dispositif présente en travers de cette sortie un écran électronique, relié à l'extérieur.
22. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 16 à 21, caractérisé en ce que l'appareil de production d'électrons à faible énergie est un canon électronique produisant des électrons présentant une énergie inférieure ou égale à 20. keV.
23. Dispositif, suivant l'une quelconque des revendications 16 à 22, caractérisé en ce qu'il comprend une pompe à vide raccordée à l'enveloppe • sous vide.
24. Procédé de production de photons, tel que décrit ci-dessus et/ou tel qu'illustré sur les dessins annexés.
25. Dispositif de production de photons, tel que décrit ci-dessus et/ou tel qu'illustré sur les / 30 dessins annexé. /V Dess ns : —sU— planches / // J.*— pages dont —A— page de garde ____pages de description f ..........5...-. pages de revendications abrégé descriptif Luxembourg, le -7 MA11982 Le r*sD^ata're ! y y ' 16 1 à 15, caractérisé en ce qu'il comprend une enveloppe sous vide, une matrice solide dans laquelle sont implantés à faible profondeur des ions d'au moins un gaz inerte ou respectivement insoluble 5 vis-à-vis de la matrice, cette matrice étant montée * sur un support à l'intérieur de l'enveloppe sous vide, un appareil de production d'électrons capable de soumettre la matrice à un bombardement électronique à faible énergie et une connexion électrique ÎlO reliant la matrice à l'extérieur, ainsi qu'une sor tie pour les photons produits, prévue dans l'enve- J loppe.
17. Dispositif suivant la revendication 16, caractérisé en ce qu'il comprend une matrice solide ? 1. en masse, dont une surface contient des ions de gaz j implantés, l'appareil de production d'électrons étant '1 j agencé de manière à effectuer le bombardement élec tronique susdit de cette surface, avec émission des photons susdits induits à partir de cette surface.
18. Dispositif suivant la revendication 16, caractérisé en ce qu'il comprend une matière solide lamellaire d'une épaisseur inférieure à 1 pm, l'appareil de production d'électrons étant agencé de * manière à effectuer le bombardement électronique 25 susdit de l’une des faces de cette natrice avec « émission des photons susdits induits à partir de l'autre face de la matrice.
19. Dispositif suivant 1'une quelconque des. revendications 16 à 18, caractérisé en ce qu'il 30 comprend une matrice sous forme d'un substrat con tinu, déplaçable dans l'enveloppe de manière intermittente ou continue entre une position de réserv^^/
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