EP0515261A1 - Ceramic electron multiplying structure especially for photomultiplier and its manufacturing procedure - Google Patents
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- EP0515261A1 EP0515261A1 EP92401357A EP92401357A EP0515261A1 EP 0515261 A1 EP0515261 A1 EP 0515261A1 EP 92401357 A EP92401357 A EP 92401357A EP 92401357 A EP92401357 A EP 92401357A EP 0515261 A1 EP0515261 A1 EP 0515261A1
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Definitions
- the invention relates to electron multipliers, comprising a large number of independent electronic multiplication channels.
- the invention also relates to the devices resulting from the association of this type of multi-channel multipliers with various sources of incident electrons upstream and with receivers (active or passive) of multiplied flow of electrons downstream.
- the invention also relates to the manufacture of this type of multipliers.
- This particular application of electronic multipliers is that which combines a photocathode source of the primary electrons and a base carrying the electrodes to extract the signals and polarize the stages, in order to create a photomultiplier.
- the making of these photodetectors is based on lamp technology with glassmaker intervention, where, most of the time, the porthole (photocathode support), as well as the base are an integral part of the envelope. Consequently, the geometry and the connections of these tubes do not allow effective groupings in order to compose large homogeneous photosensitive surfaces (qq m2). This constitutes a severe limitation of their use in the whole field of material and living sciences than in the industrial world.
- FIG. 1 brings together the main components that explain the process.
- the reference 1 symbolizes a vacuum enclosure where the other elements are arranged.
- the multiplication electrodes E 1, 2, 3, 4 have a shape and a spatial arrangement suitable for collecting and re-emitting electrons. They are electrically isolated from each other and communicate with the outside by pins fixed to the casing by means of insulating passages.
- the output electrode or anode 5 proceeds from the same technique. Each electrode is covered with a layer which promotes emission secondary.
- the electrode 3 will supply the primary electrons necessary to trigger the multiplication; here it plays the role of cathode.
- the potential distribution is established in order to apply an electric field between the electrodes.
- the anode is connected to ground through a measuring instrument.
- FIG. 2 it is possible to thus constitute a series of channels 86 oriented vertically in this figure. They consist of a series of cells 88 having the properties mentioned in the previous paragraph. These channels result from a stack of metal plates 80, 82 and 84 in which the cells 88 have been machined. These cellular metal plates, called perforated plates, are insulated by insulating plates or spacers 81.
- the entry window 2 generally made of glass, which allows photons to reach a photocathode 4 deposited on the internal face of this entry window 2.
- One or two grids 6, placed below the photocathode 4 impose an electrostatic distribution of field lines, joining photocathode 4 to the multiplier structure in order to define a determined number of pixels, namely here 64.
- Below this grid 6, is the stack composed of the various perforated plates 8, assuming the multiplication function.
- the stack of perforated plates 8 ends with an output electrode 10 segmented into 64 output electrodes connected to the outside by the pins 14. These electrodes 10 are placed on an output plate 12, often made of glass, and collect electrical signals of amplitude proportional to the incident photon fluxes which expose each of the pixels.
- the set of multiplier plates 8 is placed under vacuum in an enclosure delimited by the inlet 4 and outlet 12 plates, and by walls 16.
- Figures 4 and 5 show at scale 1, in bottom view 4 and side view 5, the industrialized version of a multi-channel photomultiplier incorporating in its glass envelope a multiplexer with perforated sheets respecting the principle diagram in all respects of figure 1.
- the aim of the invention is therefore to remedy these drawbacks and to propose an autonomous electron multiplier with respect to vacuum, the mechanical aspect of the polarization of the stages and the spatial distribution of the inputs / outputs of the multiplication channels.
- the invention proposes the development of a multiplier in the form of a compact, self-supporting block, including in the mass all the elements capable of establishing the potentials and producing the secondary electrons necessary for multiplication using technology.
- multilayer ceramics for over twenty years, have been the subject of in-depth studies and intensive industrialization and provide inexpensive products in series and high physical, chemical, mechanical and geometric performance.
- the precision of the dosages of the constituents and the computerization of the development protocols widen the possibilities offered in order to satisfy more complex day-to-day achievements.
- the invention claims to make use of the advances in multilayer ceramic technology and to adapt them in order to produce a compact electron multiplier, usable in numerous applications, including those of photomultipliers.
- a first object of the invention is a compact electron multiplier structure by secondary emission having a plurality of multiplier channels, characterized in that it is consisting of a compact, waterproof, ceramic insulating block, in which are distributed, according to three dimensions, cavities with conductive walls formed of a conductive deposit, suitably activated and connected together by a connecting conduit allowing the transit of the amplified flow of electrons, as well as means for polarizing these cavities.
- the multiplying structure according to the invention results from a high temperature sintering of a stack of plates (or sheets) of raw ceramic of which each plate (or sheet) has been previously punched and machined in order to create connecting conduits and cavities;
- the polarization means being constituted by the metallic deposit on the surface of the cavities and conductive tracks on a surface of each ceramic plate to connect each cavity to lateral electrical contacts.
- the cavities can occupy any position in the block, contrary to what is required by the stacking of perforated metal plates.
- the technique of "co-sintering" of insulating sheets offers a real three-dimensional (3D) distribution of the cavities and, thereby, the freedom to associate the cavities to form curved channels.
- the channels can meet, communicate with each other, or even subdivide or regroup.
- several successive cavities of the same channel can be polarized at the same voltage by being connected to the same lateral contact, thus constituting the same multiplier stage.
- the structure can also be used as an electronic multilens, in order to condition the electrons in spatial and energy distributions.
- a second main object of the invention is a photomultiplier comprising a multiplier structure as defined above, and a photocathode arranged at a first end of each channel to receive the light pulses and transform them into electronic pulses in said channels, at least an output electrode for sampling the amplified pulses and disposed at the second end of each channel, a base, also consisting of ceramic plates coated with conductive electroemissive layers suitably arranged.
- the first cavity 33 is of cylindrical shape.
- the second cavity 34 is a stack of coaxial hollow cylinders.
- the third cavity 35 has any shape which can be obtained approximately by a stack of suitably cut sheets.
- FIG. 7 briefly shows a possible configuration of a channel in a multiplier according to the invention, and more precisely in a ceramic block 20.
- the channel is formed by a succession of several cavities 21 connected by connecting conduits 27.
- Each cavity 21 is equipped with polarization means 28, 24, 23, to bring the internal surface of each of them to a determined electrical potential.
- the conductive walls covered with a conductive metallic deposit 28, then chemically activated constitute the multiplier zones.
- This metal deposit 28 is itself connected to an external electrical contact 23 located on one of the surfaces of the ceramic block 20, by means of a connector 24.
- Each lateral contact 23 is brought to the potential necessary for the corresponding cavity, for that the latter constitutes a multiplying zone.
- the connectors 24 are embedded in the ceramic block 20.
- the production of such a configuration is preferably obtained by constituting the ceramic block 20 by the use of ceramic sheets.
- the connectors 24 are then applied to a surface of these sheets, during the preparation of the latter.
- Figure 8 shows another function of the multiplier cavities which is the spatial distributivity of the secondary electrons.
- the channel is divided into 21 into two parts by means of two conduits 32 each leading to another cavity 31.
- the channel is thus divided into two and ends with two output electrodes 25. In the case shown in this figure, these two output electrodes 25 are placed on two different faces of the ceramic block.
- FIG. 9 Another example of a cavity shape is shown in FIG. 9.
- the cavities 371, 372, 373, as well as the conduits 39 are cylinders obtained by stacking suitably perforated sheets. For each cavity, one of the sheets constituting it will carry the conductive track 38 connecting it to the external contact 23.
- Such an embodiment makes it possible to simplify the manufacture of the ceramic block by simplifying the forms to be practiced in the plates 36. All the cavities of the same stage 372 are brought to the same potential by means of the conductive tracks 38 connecting the conductive deposits of the cavities between them and to outside contact 23.
- each successive cavity of a channel is set to a determined electrical potential, and successively increasing, to meet the conditions of multiplication.
- Figure 10 shows a cross section of three multipliers 40 already described. This example wants to show the associativity of the multiplier blocks resulting from the invention, between them, thus exploiting their mechanical and electrical autonomy.
- Figure 12 shows in section such a compact ceramic structure. It can be seen that all the channels 43 have their entry on the upper surface 26. On the other hand, the exits of these channels are on three different surfaces 45, 46 and 47.
- the lateral contacts 23 can be assembled on the same lateral surface 48 or 49.
- the cavities 21 of the channels can thus be brought to different potentials, compared to the other cavities of the same channel, but also compared to the cavities of the same rank of the others canals.
- FIG. 13 shows several raw ceramic plates 51 to 56, primed and placed one above the other, during stacking, and FIG. 14 after firing.
- ceramic plates are used beforehand that is prepared (machining by punching, drilling, ...) in order to constitute a stack intended to produce the multiplying structure.
- An exemplary embodiment of two adjacent channel portions is therefore illustrated in this figure 13.
- the first two plates (or sheets) 51 and 52 are joined to one another.
- they are perforated and each hole 57 is coated with a conductive material 58.
- This operation is preferably carried out by screen printing of a conductive ink which connects the two opposite surfaces 59 of the two plates 51 and 52, as well as to a lateral contact 23 by means of a conductor 24.
- the diameter of these holes 54 is relatively large, with the aim of constituting the internal wall of two cavities.
- the fourth and fifth plates 54 and 55 suffer the same fate, in the same way.
- the third plate 53 and the sixth plate 56 are individually inked on their large surface 60, around holes 61 of smaller diameter than the holes 57 of the other plates.
- the position of these holes 61 is in correspondence with the position of the holes 57 of the other plates. Note that the holes 61 have most of their insulating internal wall, since it is made of ceramic.
- Figure 14 shows the stacking of these six plates.
- the third and sixth plates 53 and 56 are placed relative to the two assemblies consisting of the first and second on the one hand and the fourth and fifth on the other hand, off-center.
- the holes 61 of these third and sixth plates 53 and 56 are offset from the holes 57 of the other four plates.
- Figure 15 shows the side of a multiplier structure, as obtained using the method illustrated in Figures 13 and 14. Indeed, on the side face 64 of this structure, one can distinguish several lateral contacts : 230 polarizes the input of the channels, 231 the middle stage, 232 the output electrode.
- electrodeposition or any other method, it is also possible to cover the conductive areas with one or more suitable metals, capable of receiving surface treatments to increase the phenomenon of secondary emission.
- the distribution of the different potentials on the lateral contacts 23 can be done by means of a resistive ink.
- the values can be adjusted after firing by volatilization of the ink under the impact of a laser beam.
- FIG. 16 generally represents a photomultiplier obtained by means of a multiplying structure manufactured with the method according to the invention.
- Such a photomultiplier comprises an inlet porthole 90 carrying on its internal face a photocathode 92 which will emit photoelectrons under the action of light. These electrons, drawn towards the entry of the channels will multiply as the electronic impacts in the multiplier progress.
- the outgoing flow of electrons is collected by the internal electrodes 96 connected to the external contacts 91 by conductive tracks 95. All these elements are included in the base 98 produced from multilayer ceramic.
- This base 98 is preferably made of multilayer ceramic, in order to remove the connection pins in favor of surface contacts 91. indeed, these constitute robust connection elements, compact and compatible with the standards practiced in microelectronics. In addition, such a base, as well as the multiplier, are completely opaque to light.
- such a compact multiplier structure can be simply placed between a porthole carrying a photocathode and a signal extracting base.
- the manufactured object behaves like a component to be inserted in an instrumental chain free from any protection against the ambient atmosphere.
- the final assembly is carried out by the transfer technique which allows the choice of the type of porthole and photocathode, as well as the level of its emissivity before the final sealing of the tube.
- This separation of functions allows the production of several tubes at the same time and reduces the failure rate during manufacture.
- the multiplier structure according to the invention is not limited to its application already described to photomultipliers.
- the initial source of particles is a photocathode
- the ceramic multiplier has a permanent polarization of the stages
- the receiver is an internal phosphorescent screen associated with a battery of photodetectors or with a charge transfer device.
- the source is a target bombarded by ions and providing secondary electrons
- the ceramic multiplier has a permanent polarization of these stages
- the receiver consists of output electrodes associated with operating electronics.
- the source is a surface or a deposit on a surface which provides a spontaneous or stimulated electronic exo-emission
- the ceramic multiplier with its permanent polarization of the stages and output electrodes in connection with operating electronics.
- the source comes from an excitation of the molecules and residual atoms of a vacuum enclosure
- the ceramic multiplier has a permanent polarization of the stages associated with a magnetic field.
- the source is one of the aforementioned sources
- the multiplier is ceramic with a conditional supply of the stages.
- the output it consists of electrodes each associated with operating electronics.
- the ceramic multiplier with the permanent polarization of the stages and an electronic optic to adapt the transfer of the electronic flux to the electronic optical output stage.
Abstract
Description
L'invention concerne les multiplicateurs d'électrons, comportant un grand nombre de canaux de multiplication électronique indépendants. L'invention concerne également les dispositifs issus de l'association de ce type de multiplicateurs multivoie à des sources variées d'électrons incidents en amont et à des récepteurs (actifs ou passifs) de flux multipliés d'électrons en aval. L'invention concerne également la fabrication de ce type de multiplicateurs.The invention relates to electron multipliers, comprising a large number of independent electronic multiplication channels. The invention also relates to the devices resulting from the association of this type of multi-channel multipliers with various sources of incident electrons upstream and with receivers (active or passive) of multiplied flow of electrons downstream. The invention also relates to the manufacture of this type of multipliers.
Malgré l'apparition sur le marché de nombreux détecteurs très sensibles, la détection d'un unique électron de basse énergie (qq ev) nécessite une multiplication électronique afin d'obtenir une charge électrique suffisante pour être détectée. Le multiplicateur d'électrons joue un rôle essentiel dans un composant très connu qui est le photomultiplicateur, mais son emploi ne saurait être limité à cette application.Despite the appearance on the market of many very sensitive detectors, the detection of a single low-energy electron (qq ev) requires electronic multiplication in order to obtain an electrical charge sufficient to be detected. The electron multiplier plays an essential role in a well-known component which is the photomultiplier, but its use cannot be limited to this application.
Néanmoins, c'est à travers cette application que nous soulignerons les insuffisances et les inconvénients des photomultiplicateurs multivoies existant actuellement sur le marché pour justifier les propositions de l'invention et dégager les avantages qu'elle procure.However, it is through this application that we will highlight the shortcomings and disadvantages of multi-channel photomultipliers currently on the market to justify the proposals of the invention and to identify the advantages it provides.
Cette application particulière des multiplicateurs électroniques est celle qui leur associe une photocathode source des électrons primaires et un culot portant les électrodes pour extraire les signaux et polariser les étages, afin de créer un photomultiplicateur. Actuellement, quel que soit le fabricant, la confection de ces photodétecteurs relève de la technologie des lampes avec interventions du verrier, où, la plupart du temps, le hublot (support de la photocathode), ainsi que le culot font partie intégrante de l'enveloppe. En conséquence, la géométrie et la connectique de ces tubes ne permettent pas des regroupements efficaces en vue de composer de grandes surfaces photosensibles homogènes (qq m²). Ceci constitue une limitation sévère de leur emploi dans tout le domaine des sciences de la matière et du vivant que dans le monde industriel.This particular application of electronic multipliers is that which combines a photocathode source of the primary electrons and a base carrying the electrodes to extract the signals and polarize the stages, in order to create a photomultiplier. Currently, whatever the manufacturer, the making of these photodetectors is based on lamp technology with glassmaker intervention, where, most of the time, the porthole (photocathode support), as well as the base are an integral part of the envelope. Consequently, the geometry and the connections of these tubes do not allow effective groupings in order to compose large homogeneous photosensitive surfaces (qq m²). This constitutes a severe limitation of their use in the whole field of material and living sciences than in the industrial world.
Rappelons succinctement le principe de fonctionnement d'un multiplicateur d'électrons, qu'il soit mono ou multicanal. La figure 1 rassemble les principaux composants propres à expliquer le processus. La référence 1 symbolise une enceinte à vide où sont disposés les autres éléments. Les électrodes de multiplication E 1, 2, 3, 4 ont une forme et une disposition spatiale propres à recueillir et à réémettre des électrons. Elles sont électriquement isolées entre elles et communiquent avec l'extérieur par des broches fixées à l'enveloppe au moyen de passages isolants. L'électrode de sortie ou anode 5 procède de la même technique. Chaque électrode est recouverte d'une couche qui favorise l'émission secondaire. L'électrode 3 fournira les électrons primaires nécessaires pour déclencher la multiplication ; elle joue ici le rôle de cathode.Let us briefly recall the operating principle of an electron multiplier, whether it is mono or multichannel. Figure 1 brings together the main components that explain the process. The reference 1 symbolizes a vacuum enclosure where the other elements are arranged. The
On établit la distribution des potentiels afin d'appliquer un champ électrique entre les électrodes. L'anode est reliée à la masse au travers d'un instrument de mesure.The potential distribution is established in order to apply an electric field between the electrodes. The anode is connected to ground through a measuring instrument.
Un électron émis par 3 est accéléré par le champ électrique qui règne entre 3 et E₁ puis impacte E₁, qui émet à son tour N électrons eux-mêmes accélérés pour impacter E₂. Le processus se poursuit et 5 intercepte un flux de N⁴ électrons.An electron emitted by 3 is accelerated by the electric field which reigns between 3 and E₁ then impacts E₁, which in turn emits N electrons themselves accelerated to impact E₂. The process continues and 5 intercepts a flow of N⁴ electrons.
Comme l'ont proposé certains auteurs, voir figure 2, il est possible de constituer ainsi une série de canaux 86 orientés verticalement sur cette figure. Ils sont constitués d'une série d'alvéoles 88 ayant les propriétés mentionnées dans le paragraphe précédent. Ces canaux résultent d'un empilement de plaques métalliques 80, 82 et 84 dans lesquelles ont été usinées les alvéoles 88. Ces plaques métalliques alvéolées, dites plaques perforées, sont isolées par des plaques ou entretoises isolantes 81.As proposed by certain authors, see FIG. 2, it is possible to thus constitute a series of channels 86 oriented vertically in this figure. They consist of a series of cells 88 having the properties mentioned in the previous paragraph. These channels result from a stack of
Avec un tel empilement, il est ainsi possible de constituer un multiplicateur à plaques perforées, tel qu'il est représenté sur la figure 3.With such a stack, it is thus possible to constitute a multiplier with perforated plates, as shown in FIG. 3.
Il est décrit dans un article de J. P. BOUTOT, P. LAVOUTE et G. ESCHARD, "Multianodes, photomultiplier for detection and localization of low light level events", IEEE, France, Nucl. Sci., n° 34, 1987, 449.It is described in an article by JP BOUTOT, P. LAVOUTE and G. ESCHARD, "Multianodes, photomultiplier for detection and localization of low light level events", IEEE, France, Nucl. Sci., N ° 34, 1987, 449.
Il comprend une fenêtre d'entrée 2, généralement en verre, qui permet aux photons d'atteindre une photocathode 4 déposée sur la face interne de cette fenêtre d'entrée 2. Une ou deux grilles 6, placées au-dessous de la photocathode 4, imposent une répartition électrostatique de lignes de champ, joignant la photocathode 4 à la structure multiplicatrice en vue de définir un nombre déterminé de pixels, à savoir ici 64. En dessous de cette grille 6, se trouve l'empilement composé des différentes plaques perforées 8, assumant la fonction de multiplication. L'empilement des plaques perforées 8 se termine par une électrode de sortie 10 segmentée en 64 électrodes de sortie reliées à l'extérieur par les broches 14. Ces électrodes 10 se trouvent placées sur une plaque de sortie 12, souvent réalisée en verre, et recueillent des signaux électriques d'amplitude proportionnelle aux flux photoniques incidents qui insolent chacun des pixels. L'ensemble des plaques multiplicatrices 8 est placé sous vide dans une enceinte délimitée par les plaques d'entrée 4 et de sortie 12, et par des parois 16.It includes an
Notons que, sur ce schéma de principe de la figure 3, extrait de la publication précitée, les broches assurant la polarisation des différents étages multiplicateurs ne sont pas représentées.Note that, in this block diagram of FIG. 3, extracted from the aforementioned publication, the pins ensuring the polarization of the different multiplier stages are not shown.
Les figures 4 et 5 représentent à l'échelle 1, en vue de dessous 4 et vue de profil 5, la version industrialisée d'un photomultiplicateur multivoie incorporant dans son enveloppe de verre un multiplexeur à feuilles perforées respectant en tout point le schéma de principe de la figure 1.Figures 4 and 5 show at scale 1, in bottom view 4 and side view 5, the industrialized version of a multi-channel photomultiplier incorporating in its glass envelope a multiplexer with perforated sheets respecting the principle diagram in all respects of figure 1.
On peut remarquer tout d'abord la forme encombrante de l'enceinte étanche délimitée par les parois 16, par rapport à la dimension de la zone active, c'est-à-dire des 64 pixels. Cet encombrement est encore accru par l'existence d'un queusot 17 débordant des parois 16. De plus, ces plaques multiplicatrices 8 sont polarisées par des broches périphériques 18 placées autour de l'empilage et dépassant de la plaque de sortie 12.We can first notice the bulky shape of the sealed enclosure delimited by the
Ce photodétecteur, ainsi réalisé, présente les inconvénients suivants :
- le rapport de la surface photosensible à l'encombrement total est de l'ordre de 13 %, ce qui est trop faible ;
- la forme est compliquée par l'existence du
queusot 17 qui réduit à moins de 10 % l'efficacité géométrique de ce composant en cas de juxtaposition de plusieurs tubes ; - son utilisation impose le câblage d'une embase spéciale, encombrante et coûteuse, pour distribuer les polarisations des différents étages ;
- les broches des signaux de sortie et des broches de haute tension, pour polariser les étages, se côtoient sur la même face du tube ;
- la difficulté d'extraire, avec des connexions courtes, les signaux des 64 broches implantées en zone centrale ;
- la difficulté d'obtenir, pour un même tube, une multiplication homogène des 64 canaux et, au sein d'une série de tubes, une homogénéité entre individus (comme cela a été mis en évidence par des tests de fonctionnement) ;
- la difficulté de faire évoluer le tube en dimension dans le but d'accroître le nombre de pixels (256 ou 1 024) ;
- la difficulté d'obtenir à des coûts et des délais raisonnables le type de photocathode désiré ;
- la difficulté d'obtenir de la part des fabricants le type de fenêtre d'entrée désiré ; et
- finalement l'impossibilité pour l'utilisateur d'insérer le multiplicateur seul dans une chaîne expérimentale entre un générateur de particules initiales, qui remplacerait la photocathode, et un dispositif particulier d'analyse des flux électroniques de sortie.
- the ratio of the photosensitive surface to the total size is of the order of 13%, which is too low;
- the shape is complicated by the existence of the
queusot 17 which reduces the geometric efficiency of this component to less than 10% in the event of the juxtaposition of several tubes; - its use requires the wiring of a special base, bulky and expensive, to distribute the polarizations of the different stages;
- the pins of the output signals and of the high voltage pins, to polarize the stages, coexist on the same face of the tube;
- the difficulty of extracting, with short connections, the signals from the 64 pins located in the central area;
- the difficulty of obtaining, for the same tube, a homogeneous multiplication of the 64 channels and, within a series of tubes, homogeneity between individuals (as has been demonstrated by functional tests);
- the difficulty of making the tube evolve in size in order to increase the number of pixels (256 or 1,024);
- the difficulty of obtaining the desired type of photocathode at reasonable cost and time;
- the difficulty of obtaining from manufacturers the desired type of entry window; and
- finally, the impossibility for the user to insert the multiplier alone in an experimental chain between an initial particle generator, which would replace the photocathode, and a particular device for analyzing the electronic output flows.
Tous ces inconvénients ne relèvent ni des formes, ni des dimensions et des positions des zones multiplicatrices et pas davantage de la nature des électrodes ou des dépôts émissifs.All these drawbacks do not relate to the shapes, nor to the dimensions and positions of the multiplying zones and no more to the nature of the electrodes or the emissive deposits.
Ils résultent de la conception même du multiplicateur dont l'élaboration et par suite le fonctionnement imposent qu'il soit logé dans une enceinte à vide, ici en verre. En poursuivant l'analyse de cette application particulière pour la fabrication de photomultiplicateurs, nous remarquerons que cette technologie du verre implique les étapes suivantes :
- la préparation de la mécanique des structures multiplicatrices par attaque chimique, assemblage des étages multiplicateurs, empilement des étages électriquement isolés par des billes de verre et des entretoises de céramique ;
- la préparation d'un culot porteur des broches qui servent à polariser les étages et extraire les signaux et à fixer mécaniquement le multiplicateur ;
- la préparation d'une enveloppe de verre qui relie le hublot, futur support de la photocathode, au culot ;
- la phase finale où le montage doit être pompé, étuvé, puis sensibilisé par élaboration de la photocathode et activation des dynodes. Cette phase d'activation doit avoir lieu en une seule opération, qui, si elle se révèle défectueuse, conduit au rejet sans récupération de tous les composants du montage. On note que ces pratiques conviennent à la fabrication des photomultiplicateurs de petite taille où les étages sont plans.
- preparation of the mechanics of multiplier structures by chemical attack, assembly of multiplier stages, stacking of stages electrically insulated by glass balls and ceramic spacers;
- the preparation of a base carrying the pins which serve to polarize the stages and extract the signals and to mechanically fix the multiplier;
- the preparation of a glass envelope which connects the porthole, future support of the photocathode, to the base;
- the final phase where the assembly must be pumped, steamed, then sensitized by developing the photocathode and activating the dynodes. This activation phase must take place in a single operation, which, if it proves to be defective, leads to the rejection without recovery of all the components of the assembly. It is noted that these practices are suitable for the manufacture of small photomultipliers where the stages are planar.
L'ensemble de ces inconvénients n'est pas spécifique à l'application qui nous a servi de support pour analyser et qualifier l'art antérieur.All of these drawbacks are not specific to the application which served us as a support for analyzing and qualifying the prior art.
Le but de l'invention est donc de remédier à ces inconvénients et de proposer un multiplicateur d'électrons autonome vis-à-vis du vide, de l'aspect mécanique de la polarisation des étages et de la distribution spatiale des entrées/sorties des canaux de multiplication.The aim of the invention is therefore to remedy these drawbacks and to propose an autonomous electron multiplier with respect to vacuum, the mechanical aspect of the polarization of the stages and the spatial distribution of the inputs / outputs of the multiplication channels.
A cette fin, l'invention propose l'élaboration d'un multiplicateur sous forme d'un bloc compact, autoporteur, incluant dans la masse tous les éléments propres à établir les potentiels et produire des électrons secondaires nécessaires à la multiplication en utilisant la technologie des céramiques multicouches. Les céramiques multicouches, depuis plus de vingt ans, font l'objet d'études approfondies et d'une industrialisation intensive et fournissent en série des produits peu coûteux et de hautes performances physiques, chimiques, mécaniques et géométriques. De plus, la grande variété des produits, la précision des dosages des constituants et l'informatisation des protocoles d'élaboration élargissent les possibilités offertes dans le but de satisfaire des réalisations de jour en jour plus complexes.To this end, the invention proposes the development of a multiplier in the form of a compact, self-supporting block, including in the mass all the elements capable of establishing the potentials and producing the secondary electrons necessary for multiplication using technology. multilayer ceramics. Multilayer ceramics, for over twenty years, have been the subject of in-depth studies and intensive industrialization and provide inexpensive products in series and high physical, chemical, mechanical and geometric performance. In addition, the wide variety of products, the precision of the dosages of the constituents and the computerization of the development protocols widen the possibilities offered in order to satisfy more complex day-to-day achievements.
A l'exemple des établissements NTK (Japon) et XERAM (France), des susbtrats en céramique multicouches "cofrittés" sont commercialisés comme boîtiers pour loger des circuits intégrés ou comme circuits imprimés permettant d'implanter en haute densité des composants électroniques. Ces performances sont le fait du grand nombre de connexions superficielles réalisables sur chaque face des dix, vingt ou trente feuilles de céramique avant cuisson. Le produit obtenu à l'issue du frittage présente une très haute herméticité, gage d'une très grande fiabilité et longévité, et un très dense réseau d'interconnexion superficiel et massique, reliant les composants électroniques disposés en périphérie.Following the example of establishments NTK (Japan) and XERAM (France), "co-sintered" multilayer ceramic substrates are marketed as housings to house integrated circuits or as printed circuits allowing high-density implantation of electronic components. These performances are due to the large number of surface connections that can be made on each side of the ten, twenty or thirty ceramic sheets before firing. The product obtained at the end of the sintering has a very high hermeticity, pledge of a very great reliability and longevity, and a very dense network of superficial and mass interconnection, connecting the electronic components arranged on the periphery.
L'invention prétend se servir des acquis de la technologie des céramiques multicouches et de les adapter en vue de réaliser un multiplicateur d'électrons compact, utilisable dans de nombreuses applications, dont celles des photomultiplicateurs.The invention claims to make use of the advances in multilayer ceramic technology and to adapt them in order to produce a compact electron multiplier, usable in numerous applications, including those of photomultipliers.
Un premier objet de l'invention est une structure compacte multiplicatrice d'électrons par émission secondaire présentant une pluralité de canaux multiplicateurs, caractérisée en ce qu'elle est constituée d'un bloc compact, étanche, isolant en céramique, dans lequel se trouvent distribuées, selon trois dimensions, des cavités à parois conductrices formées d'un dépôt conducteur, convenablement activées et reliées entre elles par un conduit de liaison permettant le transit du flux amplifié d'électrons, ainsi que des moyens de polarisation de ces cavités.A first object of the invention is a compact electron multiplier structure by secondary emission having a plurality of multiplier channels, characterized in that it is consisting of a compact, waterproof, ceramic insulating block, in which are distributed, according to three dimensions, cavities with conductive walls formed of a conductive deposit, suitably activated and connected together by a connecting conduit allowing the transit of the amplified flow of electrons, as well as means for polarizing these cavities.
Dans sa principale réalisation, la structure multiplicatrice selon l'invention résulte d'un frittage à haute température d'un empilement de plaques (ou feuilles) de céramique crues dont chaque plaque (ou feuille) a été préalablement poinçonnée et usinée afin de créer des conduits de liaison et des cavités ; les moyens de polarisation étant constitués du dépôt métallique sur la surface des cavités et de pistes conductrices sur une surface de chaque plaque de céramique pour relier chaque cavité à des contacts électriques latéraux.In its main embodiment, the multiplying structure according to the invention results from a high temperature sintering of a stack of plates (or sheets) of raw ceramic of which each plate (or sheet) has been previously punched and machined in order to create connecting conduits and cavities; the polarization means being constituted by the metallic deposit on the surface of the cavities and conductive tracks on a surface of each ceramic plate to connect each cavity to lateral electrical contacts.
Pour compléter la description de cette structure, on notera que les cavités peuvent occuper n'importe quelle position dans le bloc, contrairement à ce qu'impose l'empilement de plaques métalliques perforées. La technique du "cofrittage" de feuilles isolantes offre une réelle distribution en trois dimensions (3D) des cavités et, par là-même, la liberté d'associer les cavités pour constituer des canaux courbes.To complete the description of this structure, it will be noted that the cavities can occupy any position in the block, contrary to what is required by the stacking of perforated metal plates. The technique of "co-sintering" of insulating sheets offers a real three-dimensional (3D) distribution of the cavities and, thereby, the freedom to associate the cavities to form curved channels.
L'indépendance électrique des cavités, associée à la distribution spatiale 3D, permet la réalisation de canaux courbes, figure 7, où les flux électroniques incident et sortant apparaissent sur la même face du bloc.The electrical independence of the cavities, associated with the 3D spatial distribution, allows the realization of curved channels, FIG. 7, where the incident and outgoing electronic fluxes appear on the same face of the block.
Plusieurs positions relatives des canaux entre eux sont possibles. En effet, les canaux peuvent se rencontrer, communiquer entre eux, ou bien se subdiviser ou se regrouper.Several relative positions of the channels between them are possible. In fact, the channels can meet, communicate with each other, or even subdivide or regroup.
Dans une réalisation particulière des canaux, plusieurs cavités successives d'un même canal peuvent être polarisées à la même tension en étant reliées au même contact latéral, pour constituer ainsi un même étage multiplicateur.In a particular embodiment of the channels, several successive cavities of the same channel can be polarized at the same voltage by being connected to the same lateral contact, thus constituting the same multiplier stage.
Si les cavités sont simplement métallisées, la structure peut également être utilisée comme multilentille électronique, en vue de conditionner les électrons en distributions spatiale et énergétique.If the cavities are simply metallized, the structure can also be used as an electronic multilens, in order to condition the electrons in spatial and energy distributions.
Un deuxième objet principal de l'invention est un photomultiplicateur comportant une structure multiplicatrice telle que définie ci-dessus, et une photocathode disposée à une première extrémité de chaque canal pour recevoir les impulsions lumineuses et les transformer en impulsions électroniques dans lesdits canaux, au moins une électrode de sortie pour le prélèvement des impulsions amplifiées et disposées à la deuxième extrémité de chaque canal, un culot, également constitué de plaques céramiques revêtues de couches conductrices électroémissives convenablement disposées.A second main object of the invention is a photomultiplier comprising a multiplier structure as defined above, and a photocathode arranged at a first end of each channel to receive the light pulses and transform them into electronic pulses in said channels, at least an output electrode for sampling the amplified pulses and disposed at the second end of each channel, a base, also consisting of ceramic plates coated with conductive electroemissive layers suitably arranged.
Un troisième objet de l'invention est un procédé de fabrication d'une structure multiplicatrice, telle qu'elle vient d'être résumée. Un tel procédé comprend les étapes suivantes :
- usinage de plaques (ou feuilles) de céramique crue pour former les cavités et canaux intercavités ;
- encrage à l'encre conductrice des zones qui formeront les cavités et les pistes conductrices les reliant entre elles et à un contact extérieur latéral ;
- empilage des plaques (ou feuilles) ainsi préparées ;
- cuisson dans les conditions requises ;
- dépôt sur les zones conductrices des cavités des matériaux propres à engendrer, après activation, une forte émission secondaire ;
- dépôt sur les contacts externes des métaux assumant un excellent contact ohmique ;
- activation du multiplicateur par des procédés physico-chimiques appropriés.
- machining of raw ceramic plates (or sheets) to form the cavities and intercavity channels;
- inking with the conductive ink the zones which will form the cavities and the conductive tracks connecting them together and to a lateral external contact;
- stacking of the plates (or sheets) thus prepared;
- cooking under the required conditions;
- deposition on the conductive areas of the cavities of the materials capable of generating, after activation, a high secondary emission;
- deposit on the external contacts of metals assuming an excellent ohmic contact;
- activation of the multiplier by appropriate physicochemical processes.
Le problème posé que vise à résoudre l'invention et le multiplicateur de l'art antérieur ont été présentés à l'aide des premières figures qui représentent respectivement :
- figure 1, le principe de fonctionnement d'un multiplicateur d'électrons communs à l'art antérieur et à l'invention ;
- figure 2, ce principe appliqué à de multiples canaux verticaux ;
- figure 3, le schéma de principe d'un photomultiplicateur incorporant un multiplicateur à feuilles perforées de l'art antérieur ;
- figure 4, un autre photomultiplicateur de l'art antérieur vu de dessus ;
- figure 5, ce même photomultiplicateur vu de côté.
- Figure 1, the operating principle of an electron multiplier common to the prior art and the invention;
- Figure 2, this principle applied to multiple vertical channels;
- Figure 3, the block diagram of a photomultiplier incorporating a perforated sheet multiplier of the prior art;
- Figure 4, another photomultiplier of the prior art seen from above;
- Figure 5, the same photomultiplier seen from the side.
L'invention et ses caractéristiques techniques seront mieux comprises à la lecture de la description détaillée suivante et qui est accompagnée des autres figures représentant respectivement :
- figure 6, la constitution d'un canal de multiplication selon l'invention, sans préjuger de la forme des cavités ;
- figure 7, une première configuration possible pour un canal dans une structure multiplicatrice selon l'invention ;
- figure 8, une autre configuration possible dans laquelle un canal se divise en deux canaux dans la structure selon l'invention ;
- figure 9, un multiplicateur à deux canaux et trois étages ;
- figure 10, une possibilité d'association de trois multiplicateurs compacts ;
- figure 11, en vue cavalière, un exemple de réalisation de la structure multiplicatrice selon l'invention ;
- figure 12, en coupe, la structure multiplicatrice de la figure 11 ;
- figure 13, un exemple de réalisation de feuilles de céramique dans le procédé selon l'invention ;
- figure 14, un exemple d'assemblage des feuilles de la figure 13 ;
- figure 15, la face latérale d'une structure multiplicatrice portant les contacts externes permettant de polariser les cavités ;
- figure 16, un exemple de réalisation du photomultiplicateur selon l'invention.
- Figure 6, the constitution of a multiplication channel according to the invention, without prejudging the shape of the cavities;
- FIG. 7, a first possible configuration for a channel in a multiplier structure according to the invention;
- FIG. 8, another possible configuration in which a channel divides into two channels in the structure according to the invention;
- Figure 9, a two-channel multiplier and three stages;
- Figure 10, a possibility of association of three compact multipliers;
- Figure 11, in perspective view, an embodiment of the multiplier structure according to the invention;
- Figure 12, in section, the multiplier structure of Figure 11;
- Figure 13, an exemplary embodiment of ceramic sheets in the method according to the invention;
- Figure 14, an example of assembling the sheets of Figure 13;
- Figure 15, the side face of a multiplier structure carrying the external contacts for polarizing the cavities;
- FIG. 16, an exemplary embodiment of the photomultiplier according to the invention.
Dans le canal représenté par la figure 6, trois formes de cavités sont données en exemple de réalisation. La première cavité 33 est de forme cylindrique. La deuxième cavité 34 est un empilement de cylindres creux coaxiaux. La troisième cavité 35 a une forme quelconque qui peut être obtenue de façon approchée par un empilement de feuilles convenablement découpées.In the channel shown in Figure 6, three shapes of cavities are given as an example of embodiment. The
Ces trois exemples de formes de cavités peuvent être obtenus en poinçonnant des plaques de céramique 36 qui sont ensuite superposées. Il en résulte qu'une grande liberté est offerte pour placer les pistes d'interconnexion sur l'une quelconque des feuilles participant à la constitution d'une cavité.These three examples of shapes of cavities can be obtained by punching
La figure 7 représente succinctement une configuration possible d'un canal dans un multiplicateur selon l'invention, et plus précisément dans un bloc 20 de céramique.FIG. 7 briefly shows a possible configuration of a channel in a multiplier according to the invention, and more precisely in a
On note tout d'abord la forme non rectiligne du canal. Cette forme fait que, dans ce cas, l'entrée et la sortie de celui-ci imposées par la polarisation des cavités successives se trouvent sur la même surface supérieure 26 du bloc 20. Les électrodes d'entrée 22 et de sortie 25 se trouvent donc sur cette même surface 26. Le canal est formé d'une succession de plusieurs cavités 21 reliées par des conduits de liaison 27.We first note the non-rectilinear shape of the channel. This shape means that, in this case, the input and the output thereof imposed by the polarization of the successive cavities are located on the same
Chaque cavité 21 est équipée de moyens de polarisation 28, 24, 23, pour porter la surface interne de chacune d'elles à un potentiel électrique déterminé. Les parois conductrices recouvertes d'un dépôt métallique conducteur 28, puis activées chimiquement constituent les zones multiplicatrices. Ce dépôt métallique 28 est relié lui-même à un contact électrique extérieur 23 se trouvant sur une des surfaces du bloc de céramique 20, au moyen d'un connecteur 24. Chaque contact latéral 23 est porté au potentiel nécessaire à la cavité correspondante, pour que cette dernière constitue une zone multiplicatrice.Each
On voit sur cette figure 7 que les connecteurs 24 sont noyés dans le bloc de céramique 20. La réalisation d'une telle configuration est de préférence obtenue en constituant le bloc de céramique 20 par l'emploi de feuilles de céramique. Les connecteurs 24 sont alors appliqués sur une surface de ces feuilles, lors de la préparation de ces dernières.It can be seen in this FIG. 7 that the
La figure 8 montre une autre fonction des cavités multiplicatrices qui est la distributivité spatiale des électrons secondaires. La voie se divise en 21 en deux parties au moyen de deux conduits 32 aboutissant chacun à une autre cavité 31. Le canal est ainsi divisé en deux pour se terminer par deux électrodes de sortie 25. Dans le cas représenté dans cette figure, ces deux électrodes de sortie 25 sont placées sur deux faces différentes du bloc de céramique.Figure 8 shows another function of the multiplier cavities which is the spatial distributivity of the secondary electrons. The channel is divided into 21 into two parts by means of two
On peut également envisager la situation inverse où deux canaux au moins se rejoignent dans une cavité afin d'additionner les flux d'électrons dans le canal multiplicatif commun. Ils possèdent dans ce cas chacun une électrode d'entrée mais une seule électrode de sortie.We can also consider the opposite situation where at least two channels join in a cavity in order to add the electron fluxes in the common multiplicative channel. In this case they each have an input electrode but only one output electrode.
Un autre exemple de forme de cavité est présenté par la figure 9. Les cavités 371, 372, 373, ainsi que les conduits 39 sont des cylindres obtenus par empilement de feuilles convenablement perforées. Pour chaque cavité, une des feuilles la constituant portera la piste conductrice 38 la reliant au contact externe 23.Another example of a cavity shape is shown in FIG. 9. The
Une telle réalisation permet de simplifier la fabrication du bloc de céramique en simplifiant les formes à pratiquer dans les plaques 36. Toutes les cavités d'un même étage 372 sont portées au même potentiel au moyen des pistes conductrices 38 reliant les dépôts conducteurs des cavités entre eux et au contact extérieur 23.Such an embodiment makes it possible to simplify the manufacture of the ceramic block by simplifying the forms to be practiced in the
Dans les quatre exemples exposés par les figures 6, 7, 8, chaque cavité successive d'un canal est mise à un potentiel électrique déterminé, et successivement croissant, pour satisfaire aux conditions de multiplication.In the four examples shown in Figures 6, 7, 8, each successive cavity of a channel is set to a determined electrical potential, and successively increasing, to meet the conditions of multiplication.
La figure 10 représente une coupe transversale de trois multiplicateurs 40 déjà décrits. Cet exemple veut montrer l'associativité des blocs multiplicateurs issus de l'invention, entre eux, exploitant ainsi leur autonomie mécanique et électrique.Figure 10 shows a cross section of three
En référence à la figure 11, on comprend qu'il est possible de réaliser une structure multiplicatrice en céramique compacte et très complexe. Une telle structure peut donc avoir sur sa surface supérieure 26 l'entrée de chaque canal 43, mais surtout peut avoir sur des surfaces différentes 44 et 45 les sorties 46 de ces canaux. Il est en fait très avantageux de pouvoir modifier ainsi dans l'espace la trajectoire des canaux pour pouvoir orienter la sortie de ceux-ci en direction des éléments et appareils destinés à l'exploitation des signaux amplifiés. On adapte ainsi la forme du multiplicateur à l'utilisation à laquelle il est destiné.With reference to FIG. 11, it is understood that it is possible to produce a compact and very complex ceramic multiplier structure. Such a structure can therefore have on its
La figure 12 montre en coupe une telle structure compacte en céramique. On voit que tous les canaux 43 ont leur entrée sur la surface supérieure 26. Par contre, les sorties de ces canaux se trouvent sur trois surfaces différentes 45, 46 et 47.Figure 12 shows in section such a compact ceramic structure. It can be seen that all the
Les contacts latéraux 23 peuvent être assemblés sur la même surface latérale 48 ou 49. Les cavités 21 des canaux peuvent ainsi être portées à des potentiels différents, par rapport aux autres cavités du même canal, mais également par rapport aux cavités du même rang des autres canaux.The
La figure 13 montre plusieurs plaques de céramique crues 51 à 56, apprêtées et disposées les unes au-dessus des autres, lors de l'empilement, et figure 14 après cuisson. En effet, dans l'élaboration de la structure multiplicatrice en céramique, telle qu'elle est prévue selon l'invention, on utilise au préalable des plaques de céramique que l'on prépare (usinage par poinçonnage, perçage, ... ) en vue de constituer un empilement destiné à réaliser la structure multiplicatrice. Un exemple de réalisation de deux portions de canaux adjacents est donc illustré sur cette figure 13. Les deux premières plaques (ou feuilles) 51 et 52 sont accolées l'une à l'autre. De plus, elles sont perforées et chaque trou 57 est enduit d'un matériau conducteur 58. Cette opération s'effectue de préférence par sérigraphie d'une encre conductrice qui relie les deux surfaces opposées 59 des deux plaques 51 et 52, ainsi qu'à un contact latéral 23 au moyen d'un conducteur 24. Le diamètre de ces trous 54 est relativement large, dans le but de constituer la paroi interne de deux cavités. Les quatrième et cinquième plaques 54 et 55 subissent le même sort, de la même manière.FIG. 13 shows several raw
Par contre, la troisième plaque 53 et la sixième plaque 56 sont individuellement encrées sur leur grande surface 60, autour de trous 61 de diamètre plus restreint que les trous 57 des autres plaques. La position de ces trous 61 se fait en correspondance avec la position des trous 57 des autres plaques. On remarque que les trous 61 ont la plus grande partie de leur paroi interne isolante, puisqu'elle est constituée de céramique.On the other hand, the
La figure 14 montre l'empilement de ces six plaques. On remarque que les troisième et sixième plaques 53 et 56 sont placées par rapport aux deux ensembles constitués des première et deuxième d'une part et des quatrième et cinquième d'autre part, de façon désaxée. En d'autres termes, les trous 61 de ces troisième et sixième plaques 53 et 56 sont désaxés par rapport aux trous 57 des quatre autres plaques. En mettant en correspondance une partie des surfaces internes de ces trous 57 et 61, il est ainsi possible de constituer des cavités 62 et des morceaux de conduits 63 d'une manière analogue à l'exemple de réalisation représenté sur la figure 9.Figure 14 shows the stacking of these six plates. Note that the third and
Cet exemple a pour but de montrer la faisabilité des divers canaux, cavités, parois et pistes conductrices décrits précédemment et faisant l'objet de l'invention en utilisant les moyens actuellement disponibles en technique des céramiques multicouches et ne limite en rien les formes ni les dispositions des éléments constitutifs des multiplicateurs compacts.The purpose of this example is to show the feasibility of the various channels, cavities, walls and conductive tracks described above and forming the subject of the invention by using the means currently available in the technique of multilayer ceramics and in no way limits the shapes or the arrangements of the components of compact multipliers.
La figure 15 montre le côté d'une structure multiplicatrice, telle qu'elle est obtenue à l'aide du procédé illustré par les figures 13 et 14. En effet, sur la face latérale 64 de cette structure, on peut distinguer plusieurs contacts latéraux : 230 polarise l'entrée des canaux, 231 l'étage médian, 232 l'électrode de sortie.Figure 15 shows the side of a multiplier structure, as obtained using the method illustrated in Figures 13 and 14. Indeed, on the
A cet effet, les étages étant placés les uns en-dessous des autres, tous les connecteurs latéraux 230, 231, 232, sont décalés et peuvent être plus facilement reliés par un dépôt résistif qui établit la distribution des potentiels dès lors qu'on porte le contact 230 à une tension électrique et 232 à la masse par exemple. A l'issue de cette phase, on dispose donc d'une structure multiplicatrice compacte, rigide, incluant dans la masse des cavités conductrices, isolées entre elles, et polarisables par voie externe.For this purpose, the stages being placed one below the other, all the
Par électrodéposition, ou tout autre procédé, on peut également recouvrir les zones conductrices d'un ou de plusieurs métaux idoines, susceptibles de recevoir des traitements de surface pour augmenter le phénomène d'émission secondaire.By electrodeposition, or any other method, it is also possible to cover the conductive areas with one or more suitable metals, capable of receiving surface treatments to increase the phenomenon of secondary emission.
La distribution des différents potentiels sur les contacts latéraux 23 peut se faire au moyen d'une encre résistive. L'ajustement des valeurs peut se faire après la cuisson par volatilisation de l'encre sous les impacts d'un faisceau laser.The distribution of the different potentials on the
La figure 16 représente globalement un photomultiplicateur obtenu au moyen d'une structure multiplicatrice fabriquée avec le procédé selon l'invention.FIG. 16 generally represents a photomultiplier obtained by means of a multiplying structure manufactured with the method according to the invention.
Un tel photomultiplicateur comprend un hublot d'entrée 90 portant sur sa face interne une photocathode 92 qui émettra des photoélectrons sous l'action de la lumière. Ces électrons, draînés vers l'entrée des canaux se multiplieront au fur et à mesure de la progression des impacts électroniques dans le multiplicateur.Such a photomultiplier comprises an
Le flux sortant d'électrons est recueilli par les électrodes internes 96 reliées aux contacts externes 91 par des pistes conductrices 95. Tous ces éléments sont inclus dans le culot 98 élaboré en céramique multicouches.The outgoing flow of electrons is collected by the
A travers ce dernier, se trouve la sortie des signaux sur des contacts externes 91 reliés à l'électrode de sortie 96. Ce culot 98 est de préférence en céramique multicouches, afin de supprimer les broches de connexion au profit de contacts superficiels 91. En effet, ces derniers constituent des éléments de connexion robustes, peu encombrants et compatibles avec les standards pratiqués en micro-électronique. De plus, un tel culot, ainsi que le multiplicateur, sont d'une opacité totale à la lumière.Through the latter, there is the output of the signals on
Comme on vient de le voir, une telle structure multiplicatrice compacte peut être simplement placée entre un hublot porteur d'une photocathode et un culot extracteur des signaux.As we have just seen, such a compact multiplier structure can be simply placed between a porthole carrying a photocathode and a signal extracting base.
Le procédé de fabrication selon l'invention fournit donc un objet compact et autonome, tant du point de vue mécanique et du point de vue vide que du point de vue électrique. En conséquence :
- il supprime tous les éléments de maintien et de centrage des plaques métalliques composant les étages multiplicateurs dans les procédés antérieurs ;
- il supprime tous les éléments encombrants dévolus à la polarisation des étages ;
- il supprime l'enveloppe, en verre ou en métal, qui a pour unique fonction de maintenir le vide ;
- il élimine tous les problèmes de dilatation différentielle entre les parties conductrices et isolantes qui minent et souvent condamnent l'herméticité des enceintes ;
- il offre un objet constitué d'un matériau de qualité que sont les céramiques, en particulier vis-à-vis de l'ultravide ;
- il offre du point de vue mécanique des précisions et des états de surface excellents ;
- il offre des possibilités dimensionnelles importantes et donc une multiplicité importante vis-à-vis du nombre des canaux ;
- il offre la possibilité de compacter un nombre important d'étages sans entraîner un surcoût notable de la fabrication.
- it removes all the elements for holding and centering the metal plates making up the multiplier stages in the previous processes;
- it removes all the bulky elements devolved to the polarization of the stages;
- it removes the envelope, glass or metal, which has the sole function of maintaining the vacuum;
- it eliminates all the problems of differential expansion between the conductive and insulating parts which undermine and often condemn the hermeticity of the enclosures;
- it offers an object made of a quality material such as ceramics, in particular with respect to the ultrahigh vacuum;
- from the mechanical point of view, it offers excellent precision and surface conditions;
- it offers significant dimensional possibilities and therefore a significant multiplicity with respect to the number of channels;
- it offers the possibility of compacting a large number of stages without incurring a significant additional cost of manufacturing.
L'objet fabriqué se comporte comme un composant à insérer dans une chaîne instrumentale libre de toute protection contre l'atmosphère ambiante.The manufactured object behaves like a component to be inserted in an instrumental chain free from any protection against the ambient atmosphere.
Dans le cadre de l'application de l'invention à la réalisation de photomultiplicateurs multivoies, il se dégage plusieurs avantages pour les fabricants :
- l'activation des matrices pour augmenter l'émission secondaire peut être faite indépendamment de l'élaboration de la photocathode, de l'assemblage final puis du scellement du tube ;
- le contrôle du gain de chaque canal peut être pratiqué avant l'assemblage avec le culot de sortie, afin de n'associer que des composants aux performances reconnues.
- the activation of the matrices to increase the secondary emission can be done independently of the development of the photocathode, the final assembly and then the sealing of the tube;
- the gain control of each channel can be practiced before assembly with the output base, in order to associate only components with recognized performance.
L'assemblage final s'effectue par la technique de transfert qui permet le choix de la nature du hublot et de la photocathode, ainsi que du niveau de son émissivité avant le scellement définitif du tube.The final assembly is carried out by the transfer technique which allows the choice of the type of porthole and photocathode, as well as the level of its emissivity before the final sealing of the tube.
Cette dissociation de fonctions autorise la confection de plusieurs tubes à la fois et diminue le taux d'échecs lors de la fabrication.This separation of functions allows the production of several tubes at the same time and reduces the failure rate during manufacture.
Dans le cadre de l'emploi de ces photomultiplicateurs, les utilisateurs trouvent également des avantages suivants :
- la mise en oeuvre de ce photomultiplicateur multivoies consiste simplement à établir les potentiels de la cathode et la masse aux extrémités du tube ;
- la juxtaposition des tubes permet de couvrir de grandes surfaces photosensibles tout en minimisant les zones mortes ;
- la sortie des signaux n'interfère pas avec les alimentations haute tension des tubes et permet de réaliser un plancher électronique homogène pour leur acquisition ;
- le montage ainsi obtenu est très compact en hauteur, environ 15 à 20 mm, selon le nombre d'étages.
- the implementation of this multi-channel photomultiplier simply consists in establishing the potentials of the cathode and the mass at the ends of the tube;
- the juxtaposition of the tubes makes it possible to cover large photosensitive surfaces while minimizing the dead zones;
- the signal output does not interfere with the high voltage power supplies of the tubes and makes it possible to produce a homogeneous electronic floor for their acquisition;
- the assembly thus obtained is very compact in height, approximately 15 to 20 mm, depending on the number of stages.
La structure multiplicatrice selon l'invention n'est pas limitée à son application déjà décrite aux photomultiplicateurs.The multiplier structure according to the invention is not limited to its application already described to photomultipliers.
Sans vouloir dresser une liste exhaustive d'applications potentielles, où ce composant peut apporter les améliorations notables déjà mentionnées, on trouvera dans la liste ci-dessus la composition des assemblages satisfaisant aux explications correspondantes.Without wanting to draw up an exhaustive list of potential applications, where this component can bring about the notable improvements already mentioned, we will find in the list above the composition of the assemblies satisfying the corresponding explanations.
Dans le cadre d'un intensificateur de lumière multivoie, la source de particules initiale est une photocathode, le multiplicateur céramique a une polarisation permanente des étages et le récepteur est un écran interne phosphorescent associé à une batterie de photodétecteurs ou à un dispositif à transfert de charges.In the context of a multi-channel light intensifier, the initial source of particles is a photocathode, the ceramic multiplier has a permanent polarization of the stages and the receiver is an internal phosphorescent screen associated with a battery of photodetectors or with a charge transfer device.
Dans l'application à un détecteur pour la spectrométrie de masse, la source est une cible bombardée par les ions et fournissant des électrons secondaires, le multiplicateur céramique a une polarisation permanente de ces étages, le récepteur est constitué d'électrodes de sortie associées à une électronique d'exploitation.In the application to a detector for mass spectrometry, the source is a target bombarded by ions and providing secondary electrons, the ceramic multiplier has a permanent polarization of these stages, the receiver consists of output electrodes associated with operating electronics.
Pour l'analyse des surfaces, la dosimétrie par exo-émission, la source est une surface ou un dépôt sur une surface qui fournit une exo-émission électronique spontanée ou stimulée, on retrouve le multiplicateur en céramique avec sa polarisation permanente des étages et des électrodes de sortie en connexion avec une électronique d'exploitation.For the analysis of surfaces, dosimetry by exo-emission, the source is a surface or a deposit on a surface which provides a spontaneous or stimulated electronic exo-emission, we find the ceramic multiplier with its permanent polarization of the stages and output electrodes in connection with operating electronics.
Pour la mesure et le contrôle du vide et de l'ultravide, la source provient d'une excitation des molécules et des atomes résiduels d'une enceinte à vide, le multiplicateur en céramique a une polarisation permanente des étages associée à un champ magnétique. On utilise toujours des électrodes de sortie avec une électronique d'exploitation.For the measurement and control of vacuum and ultra-vacuum, the source comes from an excitation of the molecules and residual atoms of a vacuum enclosure, the ceramic multiplier has a permanent polarization of the stages associated with a magnetic field. We always use output electrodes with operating electronics.
Dans le cadre de la corrélation temporelle et analogique d'évènements, la source est l'une des sources précitées, le multiplicateur est en céramique avec une alimentation conditionnelle des étages. Quant à la sortie, elle est constituée d'électrodes associées chacune à une électronique d'exploitation.In the context of the temporal and analog correlation of events, the source is one of the aforementioned sources, the multiplier is ceramic with a conditional supply of the stages. As for the output, it consists of electrodes each associated with operating electronics.
Enfin, pour l'accroissement de la luminosité des injecteurs électroniques, on utilise une des sources précitées, le multiplicateur en céramique avec la polarisation permanente des étages et une optique électronique pour adapter le transfert du flux électronique à l'étage optique électronique de sortie.Finally, for increasing the brightness of the electronic injectors, one of the aforementioned sources is used, the ceramic multiplier with the permanent polarization of the stages and an electronic optic to adapt the transfer of the electronic flux to the electronic optical output stage.
Jusqu'ici, notre propos était de faire intervenir les parois des cavités comme des cibles pour accroître la population électronique et en utilisant les propriétés d'optique électronique imposées par la forme et la disposition de ces mêmes cavités métalliques.So far, our purpose has been to involve the walls of the cavities as targets for increasing the electronic population and by using the properties of electronic optics imposed by the shape and arrangement of these same metallic cavities.
Si maintenant on supprime le rôle de cible rempli par les parois en évitant que les électrons les heurtent, ces cavités convenablement dimensionnées et centrées se comportent comme autant de lentilles électrostatiques juxtaposées. Cette structure de céramique devient une "multilentille électrostatique" bénéficiant de tous les avantages technologiques décrits précédemment, et conditionnant les électrons pour qu'ils se présentent de façon optimale à l'entrée de l'optique électrostatique suivante.If we now eliminate the role of target filled by the walls by preventing the electrons from hitting them, these suitably sized and centered cavities behave like so many juxtaposed electrostatic lenses. This ceramic structure becomes an "electrostatic multilens" benefiting from all the technological advantages described above, and conditioning the electrons so that they present themselves optimally at the input of the following electrostatic optics.
Claims (11)
également constitué de plaques céramiques revêtues de couches conductrices électroémissives convenablement disposées.
also consisting of ceramic plates coated with suitably arranged electroemissive conductive layers.
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