EP0968518B1 - Diode a vide a densite de courant de saturation elevee et temps de reponse rapide pour la detection de rayonnements electromagnetiques - Google Patents
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- EP0968518B1 EP0968518B1 EP98917194A EP98917194A EP0968518B1 EP 0968518 B1 EP0968518 B1 EP 0968518B1 EP 98917194 A EP98917194 A EP 98917194A EP 98917194 A EP98917194 A EP 98917194A EP 0968518 B1 EP0968518 B1 EP 0968518B1
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- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J40/00—Photoelectric discharge tubes not involving the ionisation of a gas
- H01J40/16—Photoelectric discharge tubes not involving the ionisation of a gas having photo- emissive cathode, e.g. alkaline photoelectric cell
Definitions
- the present invention relates to a vacuum diode to high saturation current density and time of rapid response for radiation detection electromagnetic.
- the invention can be used in a broadband spectrometer, which is used to measure the spectrum of X-radiation emitted by a plasma generated by means of a laser.
- the coax cable mentioned above has a diameter of a few millimeters.
- the known vacuum diodes have electrodes, know a photocathode and a grid ("grid”), which are flat, parallel and placed opposite one of the other.
- the voltage and the distance between the electrodes are set by physical considerations of holding in tension, due to the dielectric strength of a cable coaxial of the kind mentioned above, and vacuum level for the distance between electrodes.
- the voltage is of the order of 1500 V and the distance between the electrodes is of the order of 1 mm, which leads to a limiting current density of the order of 13 A / cm 2 .
- a vacuum diode according to the preamble of claim 1 is described in DE 3,238,387.
- the present invention aims to solve previous problems and to propose a vacuum diode to high saturation current density and in time of rapid response for radiation detection electromagnetic.
- said portion is an end of inner conductor of the coaxial cable.
- the inner radius of the grid may be around equal to the inner radius of the outer conductor of the coaxial cable.
- the inner radius of the grid can be chosen so that the impedance of the diode, when it is placed in the void, equal to the impedance characteristic of the coaxial cable.
- the coaxial structure of the vacuum diode object of the present invention allows him to have better performance, in terms of current density maximum, than the known vacuum diodes.
- the soul is preferably used directly (inner conductor) of a coaxial cable like photocathode and one has, on the outskirts of this coaxial cable, the grid intended to collect the electrons that are generated at the soul level of the coaxial cable, by interaction with the radiation.
- the limiting current density is more than 30 A / cm 2 , the limit current density of a planar diode.
- a cable of 3.58 mm in diameter leads to a charge current density of 50 A / cm 2 and it reaches, for a cable of 1.19 mm diameter, a value of the order of 200 A / cm 2 .
- a diode according to the invention makes it possible “convey" an almost constant current, whatever the diameter of the coaxial cable used, and leads to fewer limitations as regards the density of current, that conventional vacuum diodes whose electrodes are flat.
- the vacuum diode according to the invention which is schematically represented in perspective on the single figure attached, is intended to detect a electromagnetic radiation 2 which is for example a X radiation.
- the grid 6 surrounds the photocathode 4 and has the shape of a cylinder whose axis has the reference X in the figure.
- Photocathode 4 also has the shape of a cylinder whose axis is also the X axis as we see on the figure.
- the diode is formed an end 7 of a coaxial cable 8 for example of type SMA.
- This cable comprises an inner conductor 10 of cylindrical shape and an outer conductor 12 also of cylindrical shape, the conductors 10 and 12 being coaxial.
- the space between the conductors 10 and 12 is filled with a dielectric material 14.
- the coaxial cable also includes a sheath protector that is not shown in the figure.
- the photocathode 4 is constituted by a portion of the inner conductor 10 which protrudes at the end 7 of the coaxial cable.
- Grid 6 is a weak metal blade thickness, pierced with a large number of openings 16.
- This rectangular shaped blade has been curved to have the shape of a cylinder whose height is equal to the height of the photocathode 4 and whose inner radius is approximately equal to the radius inside the outer conductor 12 of the coaxial cable 8.
- the base of the grid 6 is electrically connected to this outer conductor 12.
- the height of the grid 6 (height of the photocathode 4) is noted h
- the radius of the photocathode 4 is noted r
- the inner radius and the outer radius of the outer conductor 12 of the coaxial cable 8 are respectively denoted R1 and R2.
- a suitable measuring device 20 to inner conductor 10 and an outer conductor 12 coaxial cable 8, at the end 22 thereof, opposite to the one where the diode is.
- the measuring apparatus 20 is intended to establish a suitable electrical voltage between these outer and inner conductors, and therefore between the photocathode 4 and the gate 6 of the diode, and to measure the current supplied by the gate 6 when the diode is placed in the vacuum (very low pressure, of the order of 10 -5 Pa to 13 -3 Pa according to the experiments to be performed) and that the radiation 2 that is to be studied is sent to the diode.
- the inner radius of the grid may be greater than the outside radius of the driver outside 12 of the coaxial cable 8 and it is then brought to provide an adaptation piece (not shown) enabling the establishment of an electrical connection between the grid 6 and the outer conductor 12.
- This table also indicates the value of parameter ⁇ 2 for the coaxial cables considered.
- the diodes according to the invention with a structure coaxial, have a low capacity per unit of length (less than 0.1 pF / cm), which leads to RC response time constants less than one dozen picoseconds and therefore to resolutions in accordance with the needs of the measures.
- These diodes according to the invention are usable in areas of current densities and temporal responses that are inaccessible with the vacuum diodes known.
- the present invention is capable of many applications, particularly in the field of laser metrology.
- D 1 (mm) 5,309 2,985 1,676 0,940 d (mm) 1,628 .9195 0.511 0.287 Vm (V) 3000 1900 1500 1000 ⁇ 2 0.557 0.557 0.557 0.557 S (cm 2 ) 0.51 0.29 0.16 0.09 J 1 (A / cm) 16.3 14.6 18.2 17.3 J 2 (A / cm) 20 18 21.5 21 j 1 (A / cm 2 ) 32 51 113 196 j 2 (A / cm 2 ) 39 62 134 233
Landscapes
- Measurement Of Radiation (AREA)
Description
La présente invention concerne une diode à vide à
densité de courant de saturation élevée et temps de
réponse rapide pour la détection de rayonnements
électromagnétiques.
Elle trouve notamment des applications dans le
domaine de la détection de rayonnements infrarouges,
visibles, ultraviolets et X.
En particulier, l'invention est utilisable dans un
spectromètre à large bande, qui est utilisé pour
mesurer le spectre d'un rayonnement X émis par un
plasma engendré au moyen d'un laser.
Il s'agit d'améliorer les résolutions temporelle
et spectrale d'un tel spectromètre et aussi de diminuer
son encombrement.
Il est donc souhaitable de disposer d'un détecteur
de rayonnement X capable d'accepter un flux important
de ce rayonnement tout en ayant une bonne réponse
temporelle.
On est amené à rechercher un détecteur de
rayonnements qui permette :
- d'une part de disposer du courant de saturation le plus élevé possible, pour pouvoir accepter un flux de photons important, et de placer ce détecteur le plus près possible du plasma émissif afin de réduire par là-même l'encombrement du spectromètre,
- d'autre part, d'obtenir une meilleure réponse temporelle que celle des détecteurs (diodes à vide) habituellement utilisés dans un tel spectromètre, réponse temporelle qui vaut environ 150 ps.
Les détecteurs utilisant des photoconducteurs ont
en principe de telles propriétés mais leur étalonnage,
en termes de fiabilité et de stabilité, est plus
délicat à obtenir que celui des diodes à vide
classiques.
C'est pourquoi, dans la présente invention, on
préfère utiliser une photocathode soumise à une
irradiation X, photocathode dont le rendement X est
bien connu de manière quantitative et stable au cours
du temps.
De plus, depuis plusieurs années, la gamme des
câbles coaxiaux utilisables dans des expériences de
création de plasmas par irradiation laser s'est
considérablement élargie.
La bande passante de ces câbles coaxiaux est ainsi
passée de quelques gigahertz à quelques dizaines de
gigahertz et leur temps de réponse est passé d'une
centaine de picosecondes à une dizaine de picosecondes.
Pour la mesure du spectre du rayonnement X émis
par un plasma engendré au moyen d'un laser, on peut
utiliser un câble coaxial de type SMA 50 Ω dont la
bande passante est satisfaisante (elle vaut une dizaine
de gigahertz).
Cependant, il convient de lui associer une diode à
vide pour détection de rayonnements X, dont la
configuration soit la mieux adaptée possible.
Or, le câble coaxial mentionné ci-dessus a un
diamètre de quelques millimètres.
On est ainsi conduit à rechercher une diode à vide
dont les électrodes ont de faibles dimensions.
Les diodes à vide connues ont des électrodes, à
savoir une photocathode et une grille ("grid"), qui
sont planes, parallèles et placées en regard l'une de
l'autre.
Dans ces conditions, la surface des électrodes à
considérer est parfaitement définie, ce qui simplifie
le calcul de la réponse absolue de ces diodes mais fixe
aussi le courant maximal qui peut être fourni par
elles.
Pour une telle diode à vide, la densité de courant
de saturation par effet de charge d'espace est donnée
par la formule classique de Child :
(a) J = 2,34 x 10-6 V1,5 d-2 .
Dans cette formule :
- J représente cette densité de courant par unité de surface, exprimée en A/cm2,
- V représente la tension entre les électrodes de la diode à vide, exprimée en V, et
- d représente la distance entre ces électrodes, exprimée en cm.
A ce sujet, on peut par exemple consulter le
document suivant :
Cette formule (a) conduit très rapidement à une
limitation en courant importante, si l'on essaie de
diminuer la surface de la diode à vide.
La tension et la distance entre les électrodes
sont fixées par des considérations physiques de tenue
en tension, due à la rigidité diélectrique d'un câble
coaxial du genre de celui qui est mentionné plus haut,
et de niveau de vide pour la distance entre les
électrodes.
Dans les conditions habituelles de vide pour les
expériences mentionnées plus haut et de tenue en
tension statique des câbles coaxiaux SMA, la tension
est de l'ordre de 1500 V et la distance entre les
électrodes est de l'ordre de 1 mm, ce qui conduit à une
densité de courant limite de l'ordre de 13 A/cm2.
Pour une surface de diode de 1 mm2, ceci conduit à
un courant maximal de 0,13 A ou bien, avec un câble
coaxial de type SMA 50 Ω, à un signal maximal de
tension de 6,5 V.
De plus, pour des raisons de fiabilité de la
mesure en termes de linéarité de la réponse de la diode
à vide (réponse en tension et réponse en temps), il
convient de limiter le courant maximal utile à une
mesure, au dixième de cette valeur soit 0,65 V.
Cette dernière valeur est notablement faible, ce
qui se traduit inéluctablement par une baisse de la
dynamique de mesure (dans ce cas de l'ordre de 10) car
la sensibilité minimale mesurable, compte tenu du bruit
de la mesure, est de l'ordre de 50 mV avec un
oscilloscope rapide par exemple de type IN 7000.
L'obligation de limiter le courant maximal, pour
une mesure, au dixième du courant de saturation conduit
à rechercher une augmentation de ce dernier pour
améliorer les domaines d'utilisation des diodes à vide
pour rayonnements X en termes de linéarité dans le
domaine temporel et de niveau de tension.
Une diode à vide selon le préambule de la revendication 1 est décrite dans le document DE 3 238 387.
Une diode à vide selon le préambule de la revendication 1 est décrite dans le document DE 3 238 387.
La présente invention a pour but de résoudre les
problèmes précédents et de proposer une diode à vide à
densité de courant de saturation élevée et à temps de
réponse rapide pour la détection de rayonnements
électromagnétiques.
Plus précisément, la présente invention a pour
objet une diode à vide pour la détection d'un
rayonnement électromagnétique, cette diode comprenant :
- une photocathode destinée à recevoir le rayonnement, et
- une grille placée en regard de la photocathode, espacée de celle-ci et destinée à collecter les électrons émis par la photocathode lorsque celle-ci reçoit le rayonnement, la grille a la forme d'un cylindre et entoure la photocathode, cette dernière s'étendant suivant l'axe du cylindre, cette diode étant caractérisée en ce que la photocathode comprend une partie du conducteur intérieur d'un câble coaxial, le conducteur extérieur et le matériau électriquement isolant de ce câble coaxial étant éliminés en regard de cette partie, et en ce que la grille est électriquement reliée au conducteur extérieur de ce câble coaxial, les conducteurs intérieur et extérieur étant coaxiaux.
De préférence, ladite partie est une extrémité du
conducteur intérieur du câble coaxial.
Le rayon intérieur de la grille peut être environ
égal au rayon intérieur du conducteur extérieur du
câble coaxial.
Le rayon intérieur de la grille peut être choisi
de façon que l'impédance de la diode, lorsqu'elle est
placée dans le vide, soit égale à l'impédance
caractéristique du câble coaxial.
Ceci permet d'améliorer la résolution temporelle
de la diode.
La structure coaxiale de la diode à vide objet de
la présente invention lui permet d'avoir de meilleures
performances, en ce qui concerne la densité de courant
maximale, que les diodes à vide connues.
On utilise de préférence directement l'âme
(conducteur intérieur) d'un câble coaxial comme
photocathode et l'on dispose, à la périphérie de ce
câble coaxial, la grille destinée à collecter les
électrons qui sont engendrés au niveau de l'âme du
câble coaxial, par interaction avec le rayonnement.
Le calcul de la densité de courant de saturation
par effet de charge d'espace, dans le cas d'une
émission thermoélectronique, pour une anode en forme de
cylindre et une cathode chauffée, disposée suivant
l'axe de ce cylindre conduit à la formule suivante :
(b) J = 14,65 x 10-6 β-2 V1,5 r-1 .
Dans cette formule (b) :
- J représente cette densité de courant par unité de longueur de cathode (cette longueur étant exprimée en cm), J étant exprimé en A/cm,
- V représente la tension entre l'anode et la cathode (exprimée en V),
- r représente le rayon du cylindre de l'anode (exprimé en cm), et
- β-2 est un terme correctif (sans dimension) qui tend vers 1 lorsque le rapport du rayon de la cathode (supposée cylindrique) au rayon de l'anode tend vers 0.
A ce sujet, on se reportera aux documents
suivants:
Comme on pourra le constater à la lecture du
tableau qui se trouve à la fin de la présente
description, l'application de la formule (b) à la
présente invention conduit à des valeurs très élevées
en ce qui concerne la densité de courant par unité de
surface, la surface considérée étant celle de la
photocathode, c'est-à-dire d'une partie de l'âme d'un
câble coaxial dans le mode de réalisation préféré.
Ainsi, pour un câble coaxial SMA de 6,35 mm de
diamètre, polarisé à 3000 V, la densité de courant
limite est de plus de 30 A/cm2, soit la densité de
courant limite d'une diode à structure plane.
Pour des câbles encore plus petits, cette densité
augmente considérablement.
Ainsi, un câble de 3,58 mm de diamètre conduit à
une densité de courant de charges de 50 A/cm2 et celle-ci
atteint, pour un câble de 1,19 mm de diamètre, une
valeur de l'ordre de 200 A/cm2.
Ainsi, une diode conforme à l'invention permet de
"véhiculer" un courant quasiment constant, quel que
soit le diamètre du câble coaxial utilisé, et conduit à
moins de limitations, en ce qui concerne la densité de
courant, que les diodes à vide classiques dont les
électrodes sont planes.
La présente invention sera mieux comprise à la
lecture de la description d'un exemple de réalisation
donné ci-après, à titre purement indicatif et nullement
limitatif, en faisant référence à la figure unique
annexée qui est une vue schématique en perspective d'un
mode de réalisation particulier de la diode à vide
objet de la présente invention.
La diode à vide conforme à l'invention, qui est
schématiquement représentée en perspective sur la
figure unique annexée, est destinée à détecter un
rayonnement électromagnétique 2 qui est par exemple un
rayonnement X.
Cette diode conforme à l'invention comprend :
- une photocathode 4 qui est destinée à recevoir le rayonnement 2, et
- une grille 6 qui est placée en regard de la photocathode 4 et espacée de cette photocathode et qui est destinée à collecter les électrons émis par cette photocathode 4 lorsque celle-ci reçoit le rayonnement.
Conformément à la présente invention, la grille 6
entoure la photocathode 4 et a la forme d'un cylindre
dont l'axe a la référence X sur la figure.
La photocathode 4 a également la forme d'un
cylindre dont l'axe est également l'axe X comme on le
voit sur la figure.
Dans l'exemple représenté, la diode est formée à
une extrémité 7 d'un câble coaxial 8 par exemple de
type SMA.
Ce câble comprend un conducteur intérieur 10 de
forme cylindrique et un conducteur extérieur 12
également de forme cylindrique, les conducteurs 10 et
12 étant coaxiaux.
De plus, l'espace compris entre les conducteurs 10
et 12 est rempli d'un matériau diélectrique 14.
Le câble coaxial comprend également une gaine
protectrice qui n'est pas représentée sur la figure.
Comme on le voit sur celle-ci, la photocathode 4
est constituée par une partie du conducteur intérieur
10 qui dépasse à l'extrémité 7 du câble coaxial.
La grille 6 est une lame métallique de faible
épaisseur, percée d'un grand nombre d'ouvertures 16.
Cette lame de forme initiale rectangulaire a été
recourbée pour avoir la forme d'un cylindre dont la
hauteur est égale à la hauteur de la photocathode 4 et
dont le rayon intérieur est à peu près égal au rayon
intérieur du conducteur extérieur 12 du câble coaxial
8.
La base de la grille 6 est électriquement reliée à
ce conducteur extérieur 12.
Sur la figure, la hauteur de la grille 6 (hauteur
de la photocathode 4) est notée h, le rayon de la
photocathode 4 est noté r tandis que le rayon intérieur
et le rayon extérieur du conducteur extérieur 12 du
câble coaxial 8 sont respectivement notés R1 et R2.
Pour former la diode conforme à l'invention qui
est schématiquement représentée sur la figure annexée,
on commence par enlever la gaine protectrice du câble
coaxial 8, à l'extrémité 7 de celui-ci, sur une hauteur
suffisante légèrement supérieure à h.
Puis on enlève le conducteur extérieur 12 ainsi
que le diélectrique 14 de ce câble coaxial 8 sur cette
hauteur h, ce qui laisse apparaítre une partie de l'âme
du câble coaxial, cette partie étant destinée à
constituer la photocathode 4.
Ensuite, on découpe la grille en forme de lame
rectangulaire à laquelle on donne la forme d'un
cylindre de dimensions appropriées et l'on fixe la base
de ce cylindre au conducteur extérieur 12, au niveau de
l'extrémité 7, par exemple par soudage.
Pour utiliser la diode conforme à l'invention
schématiquement représentée sur la figure annexée, on
connecte un appareil de mesure approprié 20 au
conducteur intérieur 10 et un conducteur extérieur 12
du câble coaxial 8, à l'extrémité 22 de celui-ci,
opposée à celle où se trouve la diode.
L'appareil de mesure 20 est destiné à établir une
tension électrique appropriée entre ces conducteurs
extérieur et intérieur, et donc entre la photocathode 4
et la grille 6 de la diode, et à mesurer le courant
fourni par la grille 6 lorsque la diode est placée dans
le vide (très basse pression, de l'ordre de 10-5 Pa à
13-3 Pa suivant les expériences à réaliser) et que le
rayonnement 2 que l'on veut étudier est envoyé vers la
diode.
Pour améliorer la résolution temporelle de la
diode, on peut utiliser une grille de rayon intérieur
approprié au milieu compris entre la grille et la
photocathode (c'est-à-dire le vide) pour que
l'impédance de la diode soit égale à l'impédance
caractéristique du câble coaxial 8.
Dans ce cas, le rayon intérieur de la grille peut
être supérieur au rayon extérieur du conducteur
extérieur 12 du câble coaxial 8 et l'on est alors amené
à prévoir une pièce d'adaptation (non représentée)
permettant l'établissement d'une liaison électrique
entre la grille 6 et le conducteur extérieur 12.
On a cherché à vérifier la possibilité de passage
d'un courant important et quasiment indépendant des
dimensions de la diode conforme à l'invention.
Pour ce faire, on a effectué une simulation du
fonctionnement de cette diode en prenant en compte les
effets de charge d'espace en géométrie cylindrique.
Les résultats sont indiqués sur le tableau qui se
trouve à la fin de la présente description, pour quatre
types de câbles coaxiaux qui sont disponibles dans le
standard SMA hyperfréquence à 18 GHz ou 20 GHz.
Les résultats relatifs à ces quatre câbles
coaxiaux sont respectivement donnés dans les quatre
colonnes du tableau.
Dans celui-ci,
On a également indiqué dans ce tableau, la valeur
du paramètre β2 pour les câbles coaxiaux considérés.
Les diodes conformes à l'invention, à structure
coaxiale, présentent une faible capacité par unité de
longueur (inférieure à 0,1 pF/cm), ce qui conduit à des
constantes de temps de réponse RC inférieures à une
dizaine de picosecondes et donc à des résolutions
temporelles conformes aux besoins des mesures.
Ces diodes conformes à l'invention sont
utilisables dans des domaines de densités de courant et
de réponses temporelles qui sont inaccessibles avec les
diodes à vide connues.
De plus, elles sont utilisables avec un grand
nombre de rayonnements électromagnétiques allant du
domaine infrarouge jusqu'au domaine X-dur (énergie de
l'ordre de 10 keV) voire même au-delà.
La présente invention est susceptible de très
nombreuses applications notamment dans le domaine de la
métrologie laser.
| D2 (mm) | 6,35 | 3,58 | 2,2 | 1,19 |
| D1 (mm) | 5,309 | 2,985 | 1,676 | 0,940 |
| d (mm) | 1,628 | 0,9195 | 0,511 | 0,287 |
| Vm (V) | 3000 | 1900 | 1500 | 1000 |
| β2 | 0,557 | 0,557 | 0,557 | 0,557 |
| S (cm2) | 0,51 | 0,29 | 0,16 | 0,09 |
| J1 (A/cm) | 16,3 | 14,6 | 18,2 | 17,3 |
| J2 (A/cm) | 20 | 18 | 21,5 | 21 |
| j1 (A/cm2) | 32 | 51 | 113 | 196 |
| j2 (A/cm2) | 39 | 62 | 134 | 233 |
Claims (4)
- Diode à vide, pour la détection d'un rayonnement électromagnétique (2), cette diode comprenant :une photocathode (4) destinée à recevoir le rayonnement, etune grille (6) placée en regard de la photocathode, espacée de celle-ci et destinée à collecter les électrons émis par la photocathode lorsque celle-ci reçoit le rayonnement, la grille (6) a la forme d'un cylindre et entoure la photocathode (4), cette dernière s'étendant suivant l'axe (X) du cylindre, cette diode étant caractérisée en ce que la photocathode comprend une partie (4) du conducteur intérieur (10) d'un câble coaxial (8), le conducteur extérieur et le matériau électriquement isolant (14) de ce câble coaxial étant éliminés en regard de cette partie, et en ce que la grille (6) est électriquement reliée au conducteur extérieur (12) de ce câble coaxial, les conducteurs intérieur et extérieur étant coaxiaux.
- Diode selon la revendication 1, caractérisée en ce que ladite partie (4) est une extrémité du conducteur intérieur (10) du câble coaxial (8).
- Diode selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que le rayon intérieur de la grille (6) est environ égal au rayon intérieur (R1) du conducteur extérieur (12) du câble coaxial (8).
- Diode selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que le rayon intérieur de la grille est choisi de façon que l'impédance de la diode, lorsqu'elle est placée dans le vide, soit égale à l'impédance caractéristique du câble coaxial (8).
Applications Claiming Priority (3)
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