WO1997004335A1 - Detecteur de particules sensible a la position et transparent - Google Patents

Detecteur de particules sensible a la position et transparent Download PDF

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WO1997004335A1
WO1997004335A1 PCT/FR1996/001100 FR9601100W WO9704335A1 WO 1997004335 A1 WO1997004335 A1 WO 1997004335A1 FR 9601100 W FR9601100 W FR 9601100W WO 9704335 A1 WO9704335 A1 WO 9704335A1
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electron
impact
anode
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Didier Christian Adrien Blavette
Alain Bostel
Bernard Deconihout
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Centre National De La Recherche Scientifique
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/02—Details
    • H01J37/244—Detectors; Associated components or circuits therefor
    • G—PHYSICS
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    • G01T—MEASUREMENT OF NUCLEAR OR X-RADIATION
    • G01T1/00—Measuring X-radiation, gamma radiation, corpuscular radiation, or cosmic radiation
    • G01T1/16—Measuring radiation intensity
    • G01T1/28—Measuring radiation intensity with secondary-emission detectors
    • H—ELECTRICITY
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    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J2237/00—Discharge tubes exposing object to beam, e.g. for analysis treatment, etching, imaging
    • H01J2237/244—Detection characterized by the detecting means
    • H01J2237/24435—Microchannel plates

Definitions

  • the present invention relates to a position sensitive particle detector.
  • particles is meant in particular the charged particles such as ions and electrons, as well as photons.
  • the invention applies in particular to atomic probes and, more generally, to any field in which a correlation between space and time is sought.
  • the invention makes it possible to pinpoint precisely, in time and in space, the impacts of particles on a detector provided with means for multiplying electrons (generally wafers of microchannels).
  • the invention therefore relates to a two-dimensional space detector with high spatial resolution and high temporal resolution.
  • the detectors developed for imaging lead to very good spatial resolution but do not allow the measurement of the instants of impact in a precise manner.
  • the first family includes detectors sensitive to simultaneous events but having poor temporal resolution. This is for example the case with CCD camera detectors.
  • the second family includes detectors
  • resistive anode Resistive Anode Encoder
  • wedge and strip anode The best known of these are the resistive anode (“Resistive Anode Encoder”) and the wedge and strip anode.
  • detectors are therefore sensitive to only one event at a time. In fact, only two detectors are known capable of pinpointing multiple impacts in time and space.
  • the first of these two detectors is known from documents (3) to (7).
  • An assembly of microchannel wafers is placed in front of a square network of 10 x 10 anodes, which is arranged in a plane.
  • the cloud of electrical charges created by the arrival of an ion impact irradiates a few anodes (an anode having a surface area of the order of 1 cm 2).
  • the impact flight time is measured using an electrical signal taken from the rear face of the microchannel wafers.
  • This signal also triggers the simultaneous measurement of the 96 charges collected on the anode network.
  • the charge collected on each anode is integrated by charge converters whose reading time is too long to allow a rapid reiteration of the measurement. To allow the recording of impacts separated by only 10 ns, several converters are used.
  • This first known detector therefore makes it possible to locate both simultaneous impacts and neighboring impacts over time.
  • the second known detector is mentioned in document (8).
  • microchannel wafers are placed in front of a transparent screen on which a phosphorescent coating is deposited.
  • a first light signal is focused, through a lens, on a CCD camera which records the position of the impacts.
  • the second light signal is focused on a photomultiplier which measures the time of flight of the impact.
  • This photomultiplier includes 80 anodes and therefore allows up to 80 time-of-flight signals to be recorded in parallel. It is then easy to correlate the position of the impacts on this network of anodes with the positions recorded by the CCD camera.
  • This second known detector allows simultaneous impacts to be recorded.
  • the first detector mentioned above is complex and costly due to the electronic means for load measurement and processing associated with it.
  • the second detector mentioned above is complex and expensive because of its constitution.
  • the object of the present invention is to remedy the above drawbacks by proposing a spatial particle detector which is sensitive to the position of simultaneous or very close-in impact impacts over time, but which is simpler, more reliable and less costly than the two known detectors. previously mentioned.
  • the subject of the present invention is a particle detector, characterized in that it comprises:
  • the detector can further comprise photodetection means capable of locating the light pulses emitted by the layer of material.
  • These photodetection means can comprise a camera with charge coupling device, more simply called “CCD camera” (for “Charge Coupled Device”), which is intended to receive the light pulses having passed through the electron detection means.
  • CCD camera Charge Coupled Device
  • the electron multiplication means preferably comprise a plurality of microchannel wafers which are superimposed.
  • the electron detection means comprise a set of anode conductors which are transparent to light pulses and electrically isolated from each other.
  • the anode conductors can form parallel bands or circular sectors or concentric rings.
  • the electron detection means are of analog type.
  • these detection means can comprise a wedge and strip anode which is transparent to the light pulses or a resistive anode ("Resistive Anode Encoder”) which is transparent to these light pulses.
  • FIG. 1 is a diagrammatic sectional view of a particular embodiment of the device which is the subject of the invention, in which the electron detection means comprise anode conductors in the form of parallel strips,
  • FIG. 2 is a schematic top view of these anode conductors
  • FIG. 3 to 6 are schematic views of alternative embodiments of the electron detection means.
  • the detector according to the invention which is shown diagrammatically in FIGS. 1 and 2, is for example intended to detect ions 2.
  • This detector of FIGS. 1 and 2 can for example be integrated into an atomic probe.
  • the device of FIGS. 1 and 2 successively comprises:
  • the electron multiplication means 4 comprise two microchannel wafers 10 and 12 which are superimposed.
  • the microchannels of the wafer 10 form chevrons with the microchannels of the wafer 12.
  • three superposed microchannel pancakes could be used, the microchannels of which would no longer form chevrons but Z.
  • the electron detection means 8 comprise a set of anode conductors 14 which are transparent to the light capable of being emitted by the layer of light-emitting material 6 and which are electrically isolated from each other.
  • the ano, dic conductors 14, or anodes form strips parallel to the surface of a glass plate 15 which is transparent to the light capable of being emitted by the layer 6.
  • This layer 6 is a continuous phosphorescent deposit which covers the anodes 14 and is located opposite the microchannel plate 12, the latter itself being arranged below the plate 10.
  • Appropriate polarization means 16 are provided for carrying the input face of the wafer 10 at a continuous negative potential equal for example to -5000 V and the output face of the wafer 12 to a continuous negative potential greater than that of the wafer 10 and worth for example -3000 V.
  • Layer 6 is referenced to ground.
  • Each impact of an ion 2 on the set of microchannel wafers creates a jet of electrons which constitutes a very fine brush 18 containing approximately 10 7 electrons.
  • This fineness of the electron spray results from the pinching of the latter at the exit of the pancakes, by the applied electrical voltage.
  • the distance between the microchannel plate 12 and the layer of phosphorescent material is very small, for example of the order of 1 to 2 mm.
  • Layer 6 is for example made of CaF 2 : Eu and has a thickness sufficiently small to be able to be crossed by the electron brush which has been accelerated by a potential difference of a few kV (3 kV in the example described).
  • This layer 6 thus excited emits a light pulse 20 corresponding to the position of the impact of the ion 2 on the wafers of microchannels.
  • the light pulse 20 passes through the set of transparent anodes 14 then the glass plate 15.
  • each impact is visualized in the form of a very fine light spot.
  • the assembly comprising the plate 15, the anodes 14, the layer 6 and the wafers 10 and 12 is mounted on a sealing flange (not shown) because, when the detector is used, the vacuum prevails at - on top of microchannel pancakes (where the ions move) and between them and the phosphorescent layer.
  • the device of FIGS. 1 and 2 also comprises photodetection means 22 intended to locate the light pulses emitted by the layer 6.
  • These photodetection means include:
  • an optical reducer 26 which is interposed between the glass plate 15 and the input face of this camera 24 as seen in FIG. 1, so as to conduct the light leaving the glass plate to this face entry.
  • each anode is a thin layer of gold having a thickness of 30 to 50 nm or a thin layer of platinum of the same thickness. It is specified that the number of anodes is a function of the application chosen for the detector.
  • the anode network 14 has a triple function in the detector of FIGS. 1 and 2.
  • this network of anodes makes it possible to collect and evacuate the brushes of electrons which come from the wafers of microchannels and have passed through the phosphorescent layer 6.
  • this network of anodes provides electrical signals allowing the determination of the moments of impact of the particles.
  • this network of anodes forms a position-sensitive electron detector.
  • this network consists of independent anodes so that the position of the impacts in one of the two perpendicular directions of the plane of the anodes (this plane being the surface 28 of the glass plate carrying these anodes) is known for each. recorded moments.
  • these two directions bear the references X and Y respectively, the anodes are parallel to the direction Y and the position of the impacts is known along the direction X.
  • the network of anodes is transparent to the light spot produced by layer 6 for each of the impacts.
  • the camera 24 makes it possible to locate the light spots emitted by the layer 6 and therefore to determine the position of the impacts since each light pulse is an extension of this impact.
  • the detector of FIGS. 1 and 2 makes it possible to correlate each impact position with the moment measured on the corresponding anode which has been irradiated by the electron brush associated with this impact.
  • the detector of FIGS. 1 and 2 makes it possible to unambiguously associate an arrival time with each of the light spots produced by the arrival of a burst of ions whose impacts are very close in time or simultaneous.
  • the irradiated anode For each of the light spots displayed, the irradiated anode provides a time-of-flight signal.
  • the spatial resolution is not given by the width of the anodes but by the resolution of the camera used which digitizes the position of the light spot.
  • the number of anodes determines the ability of the detector to associate one and only one flight time with each of the light spots.
  • the . ideal operation is obtained when, for each burst of ions (1 to 10 impacts), at most one impact strikes each anode.
  • the network of transparent anodes which is covered with a phosphorescent layer, allows, in association with the two microchannel wafers, the spatial localization of the impacts of the ions (thanks to the corresponding light spots) and the measurement of the times which are associated with each of these impacts (thanks to independent anodes).
  • this detector Associated with a conventional atomic probe, this detector allows the observation and quantitative analysis of a metallic material on an atomic scale.
  • the chemical nature of each of the atoms from which the image is obtained is identified by time of flight mass spectrometry.
  • the atomic probe is thus transformed into a three-dimensional atomic probe.
  • the detector of FIGS. 1 and 2 has the following advantages compared to the detectors known from documents (3) to (7).
  • the detector of FIGS. 1 and 2 is simpler as regards its structure and its implementation: in this detector, the position of an impact is given by a light spot and the measurement of the times of flight is conventional.
  • the checkerboard detector known from documents (3) to (7), is of analog type since it is based on the measurement of electrical charges collected by a matrix network of anodes.
  • the position coding is binary and considerably reduces the calculation times.
  • FIGS. 1 and 2 Compared to the detector known from documents (8) and (9), the detector in FIGS. 1 and 2 is much simpler and has a much greater sensitivity.
  • the anodes 14 are connected to means 30 for measuring time respectively by means of electrical conductors 32 which are connected to the ends of these anodes 14.
  • the latter include a set of fast time to digital converters 34 which are respectively associated with the anodes.
  • the camera 24 is triggered by the "top" of the particles, that is to say the moment when these particles leave their source (not shown).
  • this starting signal is an electrical pulse which causes the departure of the ions from the sample to be analyzed and which is used to trigger the opening of the CCD camera.
  • Electronic means 31 for processing the signals supplied by the electron detection means 8 and by the photodetection means 22, these means 31 containing the time measurement means 30, are provided for determining the moments and positions of the impacts of the ' particles and correlate these positions with these moments. It is specified that the shape of the anodes is rectangular in the case of FIGS. 1 and 2, which makes it possible to obtain a failure rate independent of the position.
  • the anodes 14 constitute a spatial electron detector with which the positions are coded discontinuously.
  • FIG. 3 schematically illustrates the possibility of replacing the anodes 14 in the form of parallel strips with anodes which form circular sectors 40 and which are of course still transparent to the light coming from the layer of phosphorescent material (not shown) associated with these anodes.
  • FIG. 3 also shows a glass plate 42 on which these anodes 40 are formed and under which the CCD camera is placed (not shown).
  • conductors 46 connected to the periphery of the anodes 40 and leading to means (not shown) for processing the signals supplied by these anodes 40.
  • FIG. 4 illustrates another possibility of using not anodes in the form of parallel bands but anodes in the form of concentric rings 48 which are still transparent to light coming from the layer of associated phosphorescent material (not shown) and which are still formed on a glass plate 50 below which the CCD camera is placed (not shown).
  • These concentric rings are not closed on themselves and we see electrical connectors 52 respectively connected to the ends of these rings and leading to means (not shown) for processing the signals supplied by these rings.
  • FIGS. 3 and 4 it is also a discrete coding of the positions of the impacts.
  • FIG. 5 schematically illustrates the possibility of using, as an electron detector placed below the layer of phosphorescent material, a wedge and strip anode 54, which is transparent to the light pulses supplied by this layer.
  • This anode 54 is produced for example by means of an appropriate deposit of thin gold, on the glass plate 56 below which a CCD camera is still placed for the observation of the light pulses.
  • Such an anode is well known in the state of the art and constitutes a set of three electrodes referenced 58, 60 and 62 in FIG. 5.
  • the electrode 58 is an array of conductive strips whose width increases linearly in a direction.
  • the electrode 60 is a network of triangular electrodes whose area increases linearly in the direction perpendicular to the previous one.
  • the electrode 62 "covers" the free surface between the electrodes 58 and 60, these electrodes 58, 60 and 62 being of course electrically isolated from each other.
  • the arrival of an ion on the wafers of associated microchannels still produces an electron brush which reaches the anode 54.
  • the corresponding charge is then divided between the three electrodes 58, 60 and 62.
  • the measurement of the charge collected on each of them makes it possible to calculate the barycenter of the electron brush and to estimate the position of the corresponding impact on the wafers of microchannels.
  • the measurement of the three charges is ensured by charge preamplifiers 64, 66 and 68 followed by analog-digital converters 70, 72 and 74, in synchronism with the arrival of the ion.
  • the CCD camera makes it possible to determine the positions of the two ions.
  • FIG. 6 schematically illustrates the possibility of using, as an electron detector, a resistive anode 76 transparent to the light pulses coming from the layer of associated phosphorescent material (not shown).
  • This anode 76 is still formed on a glass plate 78 below which there is a CCD camera (not shown) for the observation of the light pulses from this layer.
  • the resistive anode 76 makes it possible to obtain the position of the electron brush which corresponds to the impact of an ion on the wafers of associated microchannels and which arrives on the anode 76.
  • the moment of impact information is provided by these pancakes.
  • the corners of the anode 76 are respectively connected to charge amplifiers 80, 82, 84 and 86.
  • the signals supplied by these amplifiers are processed in means not shown making it possible to obtain the impact position of an electron brush from the microchannel wafers and having passed through the layer of phosphorescent material.
  • the invention is not limited to the detection of ion's.
  • a detector such as that of FIGS. 1 and 2 also makes it possible to detect the positions of impact of electrons on the wafers of microchannels and the moments of impact of these electrons.
  • a planar photocathode (not shown) which is placed above the wafers of microchannels and which provides a brush. of electrons for each photon arriving on this photocathode. This electron brush then arrives on the microchannel wafers and we are brought back to the previous case: we are able to detect the impact position and the moment of impact of the photon on the photocathode.

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Abstract

Il comprend des moyens de multiplication d'électrons (14) produisant une gerbe d'électrons sous l'impact de chaque particule (2), une couche (6) que traverse cette gerbe et qui émet une impulsion lumineuse par interaction avec celle-ci et des moyens de détection d'électrons transparents (8) permettant la détermination du moment d'impact de la particule et fournissant des informations relatives aux positions des impacts pour chaque moment ainsi déterminé, ce qui permet de déterminer ces positions et de les corréler avec les moments déterminés grâce aux moyens de détection. Application aux sondes atomiques.

Description

DETECTEUR DE PARTICULES SENSIBLE A LA POSITION ET
TRANSPARENT
DESCRIPTION
Domaine technique
La présente invention concerne un détecteur de particules sensible à la position. Par "particules", on entend notamment les particules chargées telles que les ions et les électrons, ainsi que les photons.
L'invention s'applique notamment aux sondes atomiques et, plus généralement, à tout domaine où l'on recherche une corrélation entre l'espace et le temps.
L'invention s'applique ainsi par exemple en
Physique des particules, à la microscopie d'ions secondaires à temps de vol ("Time Of Flight Seαondary
Ion Microscopy") , à la spectrometrie de masse et à la fabrication de dispositifs à couplage de charge à temps de vol ("Time Of Flight Charge Coupled Devices") .
L'invention permet de repérer précisément, dans le temps et dans l'espace, les impacts de particules sur un détecteur muni de moyens de multiplication d'électrons (généralement des galettes de microcanaux) .
Ces particules peuvent atteindre le détecteur à des instants très proches ou de façon simultanée . L'invention concerne donc un détecteur spatial bidimensionnel à haute résolution spatiale et à haute résolution temporelle. Etat de la technique antérieure
On connaît déjà de nombreux détecteurs spatiaux de particules qui utilisent des galettes de microcanaux ("Microchannel Plates") .
Au cours des vingt dernières années, le développement de tels détecteurs s'est en effet avéré nécessaire dans des domaines aussi variés que l'imagerie spatiale ou la physique des particules élémentaires .
Toutefois, très peu de détecteurs offrent la possibilité d'une localisation, à la fois spatiale et temporelle, d'impacts multiples. Les domaines d'application pour lesquels ces détecteurs ont été développés expliquent en grande partie les limitations des détecteurs spatiaux usuels.
Ainsi, les détecteurs développés pour l'imagerie conduisent à une très bonne résolution spatiale mais ne permettent pas la mesure des instants d'impact de façon précise.
Dans le domaine des particules élémentaires, on a développé de nombreux systèmes capables de mesurer précisément l'instant et la position d'impact de particules.
Ces systèmes, qui ont été développés pour la détection d'événements rares, sont bien souvent incapables de résoudre des événements simultanés ou très rapprochés dans le temps. On distingue ainsi deux grandes familles de détecteurs spatiaux.
La première famille comprend, des détecteurs sensibles aux événements simultanés mais possédant une résolution temporelle médiocre. C'est par exemple le cas des détecteurs à caméra CCD.
Ces détecteurs ont une bonne résolution spatiale et sont sensibles aux événements multiples. Cependant, le temps de "lecture" des informations d'une caméra CCD est long -il vaut plusieurs millisecondes- et détermine ainsi le "temps mort" de la chaîne de mesure des temps de vol qui est associée à la caméra. Lorsque les événements sont séparés d'un temps inférieur à ce temps mort (ce qui est toujours le cas dans une sonde atomique) , il est impossible d'assigner de manière univoque un temps de vol à un impact visualisé. A ce sujet, on consultera le document (1) qui, comme les autres documents cités par la suite, est mentionné à la fin de la présente description.
Il s'agit donc d'une limitation rédhibitoire. La seconde famille comprend des détecteurs
"rapides" .
Ces détecteurs permettent la discrimination d'impacts très rapprochés dans le temps, voisins de quelques dizaines à quelques centaines de nanosecondes seulement.
Les plus connus d'entre eux sont l'anode résistive ("Résistive Anode Encoder") et l'anode à coins et bandes ("Wedge And Strip Anode") .
A ce sujet on consultera le document (2) . Le principe de ces détecteurs réside dans une division spatiale ou temporelle de la charge engendrée par l'impact à la sortie des galettes de microcanaux .
Ces détecteurs présentent tous le- même inconvénient : lorsque plus de deux événements frappent simultanément de tels détecteurs, la position calculée est le barycentre des positions de chaque impact.
Ces détecteurs sont donc sensibles à un seul événement à la fois. En fait, on connaît seulement deux détecteurs capables de repérer précisément des impacts multiples dans le temps et dans l'espace.
Ces deux détecteurs ont été développés pour des systèmes de spectrometrie de masse à temps de vol comme par exemple les sondes atomiques tridimensionnelles .
Le premier de ces deux détecteurs est- connu par les documents (3) à (7) .
Le principe de ce premier détecteur est le suivant.
Un assemblage de galettes de microcanaux est placé devant un réseau carré de 10 x 10 anodes, qui est disposé dans un plan.
On peut donc dire qu'il s'agit d'un détecteur en damier.
Le nuage de charges électriques créé par l'arrivée d'un impact ionique irradie quelques anodes (une anode ayant une surface de l'ordre de 1 cm.2) .
Le temps de vol des impacts est -mesuré grâce à un signal électrique pris sur la face-arrière des galettes de microcanaux.
Ce signal déclenche de plus la mesure simultanée des 96 charges collectées sur le réseau d ' anodes . La charge collectée sur chaque anode est intégrée par des convertisseurs de charge dont le temps de lecture est trop long pour permettre une réitération rapide de la mesure. Pour permettre l'enregistrement d'impacts séparés seulement de 10 ns, on utilise plusieurs convertisseurs .
Ceux-ci sont montés en parallèle mais sont déclenchés successivement par le signal indiquant l'instant d'arrivée des impacts.
Ce premier détecteur connu permet donc de localiser aussi bien des impacts simultanés que des impacts voisins dans le temps. Le deuxième détecteur connu est mentionné dans le document (8) .
Son principe s'inspire en grande partie d'un dispositif connu par le document (9) .
Dans ce deuxième détecteur connu, des galettes de microcanaux sont placées devant un écran transparent sur lequel est déposé un revêtement phosphorescent .
L'arrivée d'un impact se traduit alors par un spot lumineux qui traverse l'écran. Un miroir semi-transparent placé à 45° derrière l'écran divise ce spot lumineux en deux parties .
L'arrivée d'un impact se traduit ainsi par deux signaux lumineux. Un premier signal lumineux est focalisé, à travers une lentille, sur une caméra CCD qui permet d'enregistrer la position des impacts.
Le deuxième signal lumineux est focalisé sur un photomultiplicateur qui permet de mesurer le temps de vol de l'impact.
Ce photomultiplicateur comprend 80 anodes et permet donc d'enregistrer jusqu'à 80 signaux de temps de vol en parallèle. Il est alors facile de corréler la position des impacts sur ce réseau d'anodes avec les positions enregistrées par la caméra CCD.
Ce deuxième détecteur connu -permet d'enregistrer des impacts simultanés.
Il permet aussi de localiser des impacts très rapprochés dans le temps à condition toutefois que leurs traces sur l'écran ne coïncident pas avec une même anode du photomultiplicateur. Le premier détecteur mentionné ci-dessus est complexe et coûteux du fait des moyens électroniques de mesure de charge et de traitement qui lui sont associés.
Le deuxième détecteur mentionné ci-dessus est complexe et coûteux du fait de sa constitution.
De plus, le grand nombre de transformations successives des signaux dans ce détecteur conduit à une perte de sensibilité ainsi qu'à une difficulté de mise au point .
Exposé de l'invention
La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients précédents en proposant un détecteur spatial de particules qui est sensible à la position d'impacts simultanés ou très rapprochés dans le temps mais qui est plus simple, plus fiable et moins coûteux que les deux détecteurs connus mentionnés précédemment . De façon précise, la présente invention a pour objet un détecteur de particules caractérisé en ce qu'il comprend :
- des moyens de multiplication d'électrons qui sont aptes à produire une gerbe d'électrons sous l'impact de chaque particule, - une couche d'un matériau émetteur de lumière qui est apte à être traversée par cette gerbe d'électrons et à émettre une impulsion lumineuse par interaction avec la gerbe d'électrons, et - des moyens de détection d'électrons qui sont aptes à collecter cette gerbe d'électrons- et à fournir un signal électrique permettant la détermination du moment d'impact de la particule et qui sont sensibles à la position et aptes à fournir des informations relatives aux positions des impacts pour chaque moment ainsi déterminé, ces moyens de détection étant en outre transparents aux impulsions lumineuses, ce qui permet de déterminer les positions des impacts, par localisation des impulsions lumineuses émises par la couche de matériau, et de corréler ces positons avec les moments déterminés grâce aux moyens de détection d' électrons .
Le .détecteur peut comprendre en outre des moyens de photodétection aptes à localiser les impulsions lumineuses émises par la couche de matériau.
Ces moyens de photodétection peuvent comprendre une caméra à dispositif à couplage de charges, plus simplement appelée "caméra CCD" (pour "Charge Coupled Device") , qui est destinée à recevoir les impulsions lumineuses ayant traversé les moyens de détection d'électrons.
Les moyens de multiplication d'électrons comprennent de préférence une pluralité de galettes de microcanaux qui sont superposées. Selon un premier mode de réali-sation particulier du détecteur objet de l'invention, les moyens de détection d'électrons comprennent un ensemble de conducteurs anodiques qui sont transparents aux impulsions lumineuses et électriquement isolés les uns des autres. Les conducteurs anodiques peuvent former des bandes parallèles ou des secteurs circulaires ou des anneaux concentriques.
Selon un deuxième mode de réalisation particulier du détecteur objet de l'invention, les moyens de détection d'électrons sont de type analogique.
Dans ce cas, ces moyens de détection peuvent comprendre une anode à coins et bandes ("Wedge And Strip Anode") qui est transparente aux impulsions lumineuses ou une anode résistive ("Résistive Anode Encoder") qui est transparente à ces impulsions lumineuses.
Brève description des dessins
La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description d'exemples de réalisation donnés ci-après, à titre purement indicatif et nullement limitatif, en faisant référence aux dessins annexés sur lesquels :
- la figure 1 est une vue en coupe schématique d'un mode de réalisation particulier du dispositif objet de l'invention, dans lequel les moyens de détection d'électrons comprennent des conducteurs anodiques en forme de bandes parallèles,
- la figure 2 est une vue de dessus schématique de ces conducteurs anodiques, et
- les figures 3 à 6 sont des vues schématiques de variantes de réalisation des moyens de détection d'électrons.
Exposé détaillé de modes de réalisation particuliers Le détecteur conforme à l'invention, qui est schematiquement représenté sur les figures 1 et 2, est par exemple destiné à détecter des ions 2.
Ce détecteur des figures 1 et 2 peut par exemple être intégré à une sonde atomique.
Dans ce cas, les ions proviennent d'un échantillon que l'on veut analyser au moyen de^ cette sonde.
Le dispositif des figures 1 et 2 comprend successivement :
- des moyens de multiplication d'électrons 4,
- une couche d'un matériau émetteur de lumière β, et - des moyens de détection d'électrons 8.
Les moyens de multiplication d'électrons 4 comprennent deux galettes de microcanaux 10 et 12 qui sont superposées.
Comme on le voit sur la figure 1, les microcanaux de la galette 10 forment des chevrons avec les microcanaux de la galette 12.
Dans un autre détecteur conforme à l'invention, on pourrait utiliser trois galettes de microcanaux superposées dont les microcanaux formeraient non plus des chevrons mais des Z.
Les moyens de détection d'électrons 8 comprennent un ensemble de conducteurs anodiques 14 qui sont transparents à la lumière susceptible d'être émise par la couche de matériau émetteur de lumière 6 et qui sont électriquement isolés les uns des autres.
Plus précisément, les conducteurs ano,diques 14, ou anodes, forment des bandes parallèles à la surface d'une plaque de verre 15 qui est transparente à la lumière susceptible d'être émise par la couche 6. Cette couche 6 est un dépôt phosphorescent continu qui recouvre les anodes 14 et se trouve en regard de la galette de microcanaux 12, cette dernière étant elle-même disposée en dessous de la galette 10. Des moyens de polarisation appropriés 16 sont prévus pour porter la face d'entrée de la galette 10 à un potentiel négatif continu valant par exemple -5000 V et la face de sortie de la galette 12 à un potentiel négatif continu supérieur à celui de la galette 10 et valant par exemple -3000 V.
La couche 6 est référencée à la masse. Chaque impact d'un ion 2 sur l'ensemble de galettes de microcanaux crée une gerbe d'électrons qui constitue un pinceau très fin 18 contenant environ IO7 électrons.
Cette finesse de la gerbe d'électrons résulte du pincement de celle-ci à la sortie des galettes, par la tension élecrique appliquée.
On précise que la distance entre la galette de microcanaux 12 et la couche de matériau phosphorescent est très faible, par exemple de l'ordre de 1 à 2 mm.
La couche 6 est par exemple en CaF2 : Eu et a une épaisseur suffisamment faible pour pouvoir être traversée par le pinceau d'électrons qui a été accéléré par une différence de potentiel de quelques kV (3 kV dans l'exemple décrit) .
Ainsi ce pinceau d'électrons accéléré 18 traverse cette couche 6 tout en excitant celle-ci, avant de s'écouler à tavers l'une des anodes situées sous la couche 6.
Cette couche 6 ainsi excitée émet une impulsion lumineuse 20 en correspondance avec la position de l'impact de l'ion 2 sur les galettes de microcanaux. L'impulsion lumineuse 20 traverse l'ensemble d'anodes transparentes 14 puis la plaque de verre 15.
Ainsi, chaque impact est visualisé sous la forme d'un spot lumineux très fin.
On précise que l'ensemble comprenant la plaque 15, les anodes 14, la couche 6 et les galettes 10 et 12 est monté sur une bride d'étanchéité (non représentée) car, lors de l'utilisation du détecteur, le vide règne au-dessus des galettes de microcanaux (là où se déplacent les ions) et entre ces dernières et la couche phosphorescente.
Le dispositif des figures 1 et 2 comprend aussi des moyens de photodétection 22 destinés à localiser les impulsions lumineuses émises par la couche 6.
Ces moyens de photodétection comprennent :
- une caméra 24 de type CCD, et
- un réducteur optique 26 qui est interposé entre la plaque de verre 15 et la face d'entrée de cette caméra 24 comme on le voit sur la figure 1, de manière à conduire la lumière sortant de la plaque de verre jusqu'à cette face d'entrée.
A titre purement indicatif et nullement limitatif, on utilise un ensemble d'une centaine d'anodes en forme de bandes, cet ensemble couvre une surface de l'ordre de 10 cm x 10 cm et chaque anode est une couche mince en or ayant une épaisseur de 30 à 50 nm ou une couche mince de platine de même épaisseur. On précise que le nombre d'anodes est fonction de l'application choisie pour le détecteur.
Ce nombre d'anodes doit être suffisant pour minimiser la probabilité d'avoir des impacts sur la même bande pendant le temps actif de la caméra CCD. Le réseau d'anodes 14 a une triple fonction dans le détecteur des figures 1 et 2.
Premièrement ce réseau d'anodes permet de collecter et d'évacuer les pinceaux d'électrons qui sont issus des galettes de microcanaux et ont traversé la couche phosphorescente 6.
Deuxièmement, ce réseau d'anodes fournit des signaux élecriques permettant la détermination des moments d'impact des particules. De plus, ce réseau d'anodes forme un détecteur d'électrons sensible à la position.
En effet, ce réseau est constitué d'anodes indépendantes de sorte que la position des impacts suivant l'une des deux directions perpendiculaires du plan des anodes (ce plan étant la surface 28 de la plaque de verre portant ces anodes) est connue pour chacun des moments enregistrés.
Dans l'exemple de la figure 2, ces deux directions portent respectivement les référence X et Y, les anodes sont parallèles à la direction Y et la position des impacts est connue suivant la direction X.
Troisièmement, le réseau d'anodes est transparent au spot lumineux produit par la couche 6 pour chacun des impacts. La caméra 24 permet de localiser les spots lumineux émis par la couche 6 et donc de déterminer la position des impacts puisque chaque impulsion lumineuse est dans le prolongement de cet impact.
Dans ces conditions, le détecteur des figures 1 et 2 permet de corréler chaque position d'impact avec le moment mesuré sur l'anode correspondante qui a été irradiée par le pinceau d'électrons associé à cet impact.
Ainsi le détecteur des figures 1 et 2 permet d'associer sans ambiguïté un temps d'arrivée à chacun des spots lumineux produits par l'arrivée d'une salve d'ions dont les impacts sont très rapprochés dans le temps ou simultanés.
On corrèle ainsi les informations spatiales et temporelles avec un pouvoir séparateur meilleur que
0,5 mm en distance (et lié au nombre de pixels de la caméra CCD) et égal à 1 ns en temps (précision des compteurs de temps) .
Pour chacun des spots lumineux visualisés, l'anode irradiée fournit un signal de temps de vol.
La résolution spatiale n'est pas donnée par la largeur des anodes mais par la résolution de la caméra utilisée qui numérise la position du spot lumineux. Le nombre d'anodes détermine, quant à lui, la capacité du détecteur à associer à chacun des spots lumineux un et un seul temps de vol .
Le .fonctionnement idéal est obtenu lorsque, pour chaque salve d'ions (1 à 10 impacts), un impact au plus frappe chaque anode.
Le réseau d'anodes transparentes, qui est recouvert d'une couche phosphorescente, permet, en association avec les deux galettes de microcanaux, la localisation spatiale des impacts des ions (grâce aux spots lumineux correspondants) et la mesure des temps qui sont associés à chacun de ces impacts (grâce aux anodes indépendantes) .
Associé à une sonde atomique classique, ce détecteur permet l'observation et l'analyse quantitative d'un matériau métallique à l'échelle atomique.
La nature chimique de chacun des atomes dont on obtient l'image est identifiée par spectrometrie de masse à temps de vol. La sonde atomique est ainsi transformée en sonde atomique tridimensionnelle.
Le détecteur des figures 1 et 2 présente les avantages suivants par rapport aux détecteurs connus par les documents (3) à (7) .
Le détecteur des figures 1 et 2 est plus simple quant à sa structure et à sa mise en oeuvre : dans ce détecteur, la position d'un impact est donnée par un spot lumineux et la mesure des temps de vol est classique.
Il a une plus grande efficacité et une plus grande fiabilité : tous les impacts sont visualisés et localisés de manière fiable et simple.
Il est moins coûteux. On notera en particulier la simplicité des algorithmes nécessaires à la détermination des positions des impacts avec le détecteur des figures 1 et 2.
Le détecteur en damier, connu par les documents (3) à (7), est de type analogique puisqu'il est fondé sur la mesure de charges électriques collectées par un réseau matriciel d'anodes.
Il est alors nécessaire de connaître la répartition spatiale de la charge dans les nuages électroniques issue des galettes de microcanaux.
Avec le détecteur des figures 1 et 2, le codage de position est binaire et réduit considérablement les temps de calcul.
En outre, avec le détecteur des figures 1 et 2, le taux d'échec dans la localisation d'événements simultanés est inférieur à celui qui est obtenu avec le détecteur connu par les documents (3) à (7) .
Dans ce dernier, le calcul de la position d'un impact est possible au prix d'une forte défocalisation des nuages d'électrons qui doivent irradier au moins quatre anodes adjacentes.
L'étendue spatiale d'un impact sur ce détecteur favorise la probabilité de chevauchement de deux événements simultanés.
Au contraire, avec le détecteur des figures 1 et 2, la localisation des impacts est d'autant plus aisée que les nuages électroniques sont très focalisés sur le dépôt phosphorescent. Ce détecteur des figures 1 et 2 permet ainsi d'abaisser considérablement le taux d'échec dans la détection d'impacts simultanés.
Par rapport au détecteur connu par les documents (8) et (9), le détecteur des figures 1 et 2 est bien plus simple et a une bien plus grande sensibilité.
Il permet en effet de séparer les signaux électriques et, lumineux résultant des impacts presque directement à la sortie des galettes de microcanaux. Après avoir excité le revêtement phosphorescent, les électrons qui s'écoulent à travers les anodes sont directement utilisés comme signal de mesure des temps de vol.
Ainsi, il n'est plus nécessaire, comme c'était le cas dans le détecteur connu par les documents (8) et (9) , de transformer le nuage électronique .en spot lumineux puis, à nouveau, en signal électrique, par l'intermédiaire d'un miroir semi-transparent suivi par un photomultiplicateur. A une plus grande simplicité s'ajoute une efficacité de détection accrue pour le détecteur des figures 1 et 2.
Bien entendu, ce détecteur est également moins coûteux. On donne ci-après des précisions sur le traitement des signaux électriques dans le détecteur des figures 1 et 2.
Les anodes 14 sont reliées à des moyens 30 de mesure de temps respectivement par l'intermédiaire de conducteurs électriques 32 qui sont reliés aux extrémités de ces anodes 14.
Un signal élecrique créé par l'impact d'un pinceau d'électrons sur une anode est ainsi dirigé vers ces moyens 30 de mesure de temps.
Ces derniers comprennent un ensemble de compteurs de temps ("Time To Digital Converters") rapides 34 qui sont respectivement associés aux anodes
14 et permettent de déterminer l'instant d'arrivée d'un pinceau d'électrons sur l'anode associée.
La caméra 24 est déclenchée par le "top" des particules c'est-à-dire le moment où ces particules quittent leur source (non représentée) .
Dans l'exemple d'une sonde atomique, ce top de départ est une impulsion électrique qui provoque le départ des ions de l'échantillon à analyser et qui est utilisée pour déclencher l'ouverture de la caméra CCD.
Des moyens électroniques 31 de traitement des signaux fournis par les moyens de détection d'électrons 8 et par les moyens de photodétection 22, ces moyens 31 contenant les moyens de mesure de temps 30, sont prévus pour déterminer les moments et les positions des impacts des' particules et corréler ces positions avec ces moments. On précise que la forme des anodes est rectangulaire dans le cas des figures 1 et 2, ce qui permet d'obtenir un taux de défaillance indépendant de la position.
De plus, l'utilisation d'anodes en forme de bandes permet de véhiculer les signaux électriques depuis les impacts initiaux des pinceaux d'électrons jusqu'aux extrémités de ces bandes sans avoir à utiliser des connecteurs électriques qui empêcheraient l'observation de la couche de matériau phosphorescent. Les anodes 14 constituent un détecteur spatial d'électrons avec lequel les positions sont codées de façon discontinue.
La figure 3 illustre schematiquement la possibilité de remplacer les anodes 14 en forme de bandes parallèles par des anodes qui forment des secteurs circulaires 40 et qui sont bien entendu encore transparentes à la lumière provenant de la couche de matériau phosphorescent (non représentée) associée à ces anodes. On voit aussi sur la figure 3 une plaque de verre 42 sur laquelle on forme ces anodes 40 et sous laquelle on place la caméra CCD (non représentée) .
On -voit également des conducteurs 46 reliés à la périphérie des anodes 40 et aboutissant à des moyens (non représentés) de traitement des signaux fournis par ces anodes 40.
La figure 4 illustre une autre possibilité d'utiliser non pas des anodes en forme de bandes parallèles mais des anodes en forme d'anneaux concentriques 48 qui sont encore transparents à la lumière provenant de la couche de matériau phosphorescent associée (non représentée) et qui sont encore formés sur une plaque de verre 50 en dessous de laquelle on place la caméra CCD (non représentée) . Ces anneaux concentriques ne sont pas fermés sur eux-mêmes et l'on voit des connecteurs électriques 52 respectivement reliés aux extrémités de ces anneaux et aboutissant à des moyens (non représentés) de traitement des signaux fournis par ces anneaux. Dans le cas des figures 3 et 4, il s'agit encore d'un codage de façon discrète des positions des impacts .
Au lieu d'utiliser un détecteur spatial d'électrons dans lequel les positions sont codées de façon discrète, on peut utiliser un détecteur d'électrons où les positions sont codées de façon continue.
Ceci est schematiquement illustré par les figures 5 et 6.
La figure 5 illustre schematiquement la possibilité d'utiliser, en tant que détecteur d'électrons placé en dessous de la couche de matériau phosphorescent, une anode à coin et bandes 54, qui est transparente aux impulsions lumineuses fournies par cette couche.
On réalise cette anode 54 par exemple au moyen d'un dépôt approprié d'or de faible épaisseur, sur la plaque de verre 56 en dessous de laquelle on place encore une caméra CCD pour l'observation des impulsions lumineuses.
Une telle anode est bien connue dans l'état de la technique et constitue un ensemble de trois électrodes référencées 58, 60 et 62 sur la figure 5. L'électrode 58 est un réseau de bandes conductrices dont la largeur croît de façon linéaire dans une direction.
L'électrode 60 est un réseau d'électrodes de forme triangulaire dont l'aire croît linéairement dans la direction perpendiculaire à la précédente.
L'électrode 62 "couvre" la surface libre entre les électrodes 58 et 60, ces électrodes 58, 60 et 62 étant bien entendu électriquement isolées les unes des autres. L'arrivée d'un ion sur les galettes de microcanaux associées produit encore un pinceau d'électrons qui atteint l'anode 54.
La charge correspondant est alors divisée entre les trois électrodes 58, 60 et 62.
La mesure de la charge collectée sur chacune d'entre elles permet de calculer le barycentre du pinceau d'électrons et d'estimer la position de l'impact correspondant sur les galettes de microcanaux. La mesure des trois charges est assurée par des préamplificateurs de charges 64, 66 et 68 suivis par des convertisseurs analogiques-numériques 70, 72 et 74, en synchronisme avec l'arrivée de l'ion.
C'est le signal de temps de vol à la sortie des galettes de microcanaux qui déclenche l'ouverture des fenêtres d'intégration des charges.
Lorsqu'un ion arrive, on peut encore déterminer la position d'impact et le moment d'impact.
Lorsque deux ions arrivent à des instants séparés par le temps mort des moyens électroniques associés à l'anode 54, on est capable de déterminer leur position d'impact et leur moment d'impact.
Lorsqu'ils arrivent à des instants séparés par un interval inférieur à ce temps mort, on ne détecte qu'un ion avec l'anode 54, en une position égale au barycentre des deux impacts correspondants.
Cependant la caméra CCD permet de déterminer les positions des deux ions.
La figure 6 illustre schematiquement la possibilité d'utiliser, en tant que détecteur d'électrons, une anode résistive 76 transparente aux impulsions lumineuses issues de la couche de matériau phosphorescent associée (non représentée) .
Cette anode 76 est encore formée sur une plaque de verre 78 en dessous de laquelle on dispose une caméra CCD (non représentée) pour l'observation des impulsions lumineuses issues de cette couche.
L'anode résistive 76 permet d'obtenir la position du pinceau d'électrons qui correspond à l'impact d'un ion sur les galettes de microcanaux associées et qui arrive sur l'anode 76.
L'information du moment d'impact est fournie par ces galettes.
Les coins de l'anode 76, de forme carrée, sont respectivement reliés à des amplificateurs de charges 80, 82, 84 et 86.
Les signaux fournis par ces amplificateurs sont traités dans des moyens non représentés permettant d'obtenir la position d'impact d'un pinceau d'électrons issu des galettes de microcanaux et ayant traversé la couche de matériau phosphorescent.
L'invention n'est pas limitée à la détection d'ion's.
Un détecteur du genre de celui des figures 1 et 2 permet également de détecter les positions d'impacts d'électrons sur les galettes de microcanaux et les moments d'impacts de ces électrons.
On peut également détecter les positions d'impacts et les moments d'impacts de photons en ajoutant au détecteur des figures 1 et 2 une photocathode plane (non représentée) que l'on dispose au-dessus des galettes de microcanaux et qui fournit un pinceau d'électrons pour chaque photon arrivant sur cette photocathode. Ce pinceau d'électrons arrive alors sur les galettes de microcanaux et l'on est ramené au cas précédent : on est capable de détecter la position d'impact et le moment d'impact du photon sur la photocathode. Les documents cités dans la présente description sont les suivants :
(l)M.K. Miller, Surface Science, 1992, 266, 494-499
(2)A. Cerezo, T.J. Godfrey and G.D.W. Smith, Rev. Sci Instr. , 1988, 59, 862-866
(3)D. Blavette, A. Bostel, J.M. Sarau, B. Decohihout et A. Menand, "An Atom-Probe For Three Dimensional Tomogaphy", Nature 363 (1993) 432-435
(4)D. Blavette, B. Deconihout, A. Bostel, J.M. Sarrau,
M. Bouet et A. Menand, "The Tomographic Atom-Probe : A Quantitative 3D Nanoanalytical Instrument On An
Atomic Scale", Rev. Sci. Instr. 64 (10) (1993) 2911-
2919
(5)B. Deconihout, A. Bostel, P. Bas, S. Chambreland, L. Letellier, F. Danoix et D. Blavette, "Investigation
Of Some Selected Metallurgical Problems With The
Tomographic Atom-Probe", Appl. Surf. Sci. 76/77
(1994) 145-154
(6)D. Blavette et A. Menand, "New Developments In Atom- Probe Techniques And Potential Applications To Material Science", Invited Article For MRS Bulletin, vol. 19, n° 7 (1994) 21-26
(7)B. Deconihout, A. Bostel, M. Bouet, J.M. Sarrau, P. Bas et D. Blavette, "Performance And Limitations Of The Multievent Position Sensitive Detector Used In The Tomographic Atom Probe", Appl. Surf. Sci. 87/88
(1995) 428-437 (8)A. Cerezo, T.S. Godfrey, J.M. Hyde, S.S. Sijbrandij et G.D.W. Smith, Appl. Surf. Sci. 76/77 (1994) 374
(9)T. Kinugawa et T. Arikawa, Rev. Sci. Instr. 63 (1992) 3599.

Claims

REVENDICATIONS
1. Détecteur de particules (2), caractérisé en ce qu'il comprend : - des moyens de multiplication d'électrons (4) qui sont aptes à produire une gerbe d'électrons sous l'impact de chaque particule,
- une couche d'un matériau émetteur de lumière (6) qui est apte à être traversée par cette gerbe d'électrons et à émettre une impulsion lumineuse par interaction avec la gerbe d'électrons, et
- des moyens de détection d'électrons (8) qui sont aptes à collecter cette gerbe d'électrons et à fournir un signal électrique permettant la détermination du moment d'impact de la particule et qui sont sensibles à la position et aptes à fournir des informations relatives aux positions des impacts pour chaque moment ainsi déterminé, ces moyens de détection étant en outre transparents aux impulsions lumineuses, ce qui permet de déterminer les positions des impacts, par localisation des impulsions lumineuses émises par la couche de matériau, et de corréler ces positions avec les moments déterminés grâce aux moyens de détection d'électrons.
2. Détecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens de photodétection (22) qui sont aptes à localiser les impulsions lumineuses émises par la couche de matériau.
3. Détecteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que ces moyens de photodétection comprennent une caméra à dispositif à couplage de charges (24), qui est destinée à recevoir les impulsions lumineuses ayant traversé les moyens de détection d'électrons.
4. Détecteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les -moyens de multiplication d'électrons comprennent une pluralité de galettes de microcanaux (10, 12) qui sont superposées.
5. Détecteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les moyens de détection d'électrons comprennent un ensemble de conducteurs anodiques (14, 40, 48) qui sont transparents aux impulsions lumineuses et électriquement isolés les uns des autres.
6. Détecteur selon la revendication 5, caractérisé en ce que les conducteurs anodiques forment des bandes parallèles (14) .
7. Détecteur selon la revendication 5, caractérisé en ce que les conducteurs anodiques forment des secteurs circulaires (40) .
8. -Détecteur selon la revendication 5, caractérisé en ce que les conducteurs anodiques forment des anneaux concentriques (48) .
9. Détecteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les moyens de détection d'électrons sont de type analogique.
10. Détecteur selon la revendication 9, caractérisé en ce que les moyens de détection d'électrons comprennent une anode à coins et -bandes (54), qui est transparente aux impulsions lumineuses, ou une anode résistive (76) qui est transparente à ces impulsions lumineuses.
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