Principe de fonctionnement d’une galette de micro-canaux

Description g´en´erale Les galettes de micro-canaux sont constitu´ees d’un r´eseau de tubes de verre tr`es r´esistifs accoll´es les uns aux autres. Le diam`etre des tubes et leur espacement est variable mais reste proche de la dizaine de microns 13. L’´epaisseur des galettes est elle aussi variable mais mesure en pratique plusieurs centaines de µm. La figure 2.7 donne une vue sch´ematique d’une galette typique et d´etaille son principe de fonctionnement : une particule excit´ee qui arrive `a la surface d’un MCP est capable d’arracher un ´electron en se desexcitant. Sous l’effet de la haute tension `a laquelle sont soumises les faces de la galette (de l’ordre du kV), l’´electron est acc´el´er´e et percute la surface interne d’un tube, arrachant d’autres ´electrons, qui `a leur tour vont r´ep´eter ce processus. A la sortie du canal, le nombre d’´electrons secondaires varie g´en´eralement de 103 <sub>`a 10</sub>4 _{en fonction de la valeur de la haute tension et}

des caract´eristiques de la galette. La dur´ee typique d’un tel processus d’amplification est de 100 ps [92].

Fig. 2.7 – (a) Vue sch´ematique d’une galette de micro-canaux. (b) Vue en coupe d’un canal d’un MCP. Une particule d’´energie suffisamment grande est capable d’arracher un ´electron de la surface du MCP. La haute tension (typiquement de l’ordre du kV) `a laquelle est soumis la galette acc´el`ere l’´electron, lui permettant `a son tour d’arracher d’autres ´el´ectrons des pa- rois d’un canal. Les parois des canaux sont trait´ees pour augmenter la probabilit´e d’extraction d’´electrons secondaires. Le nombre d’´electrons secondaires produits augmentent exponentiel- lement le long des canaux : on peut parler d’avalanche.

Pour initier un processus d’avalanche, l’´energie de la particule incidente doit ˆetre suffi- samment ´elev´ee pour permettre l’extraction du premier ´electron qui va d´emarrer le processus d’amplification : les MCP sont donc g´en´eralement utilis´es pour d´etecter des photons de haute ´energie (UV), des ions, des particules alpha ou encore des atomes m´etastables. D’autre part, il est indispensable de se placer sous vide pour utiliser un MCP, de fa¸con `a limiter au maxi- mum le d´eclenchement spontan´e d’une avalanche, par l’interm´ediaire du gaz environnant par exemple. Ceci permet aussi de limiter l’apparition d’arcs ´electriques qui peuvent s´erieusement endommager la galette. En pratique, on ne peut totalement supprimer ces processus sponta- n´es mais leur taux est faible (. 1 cm−2.s−1) et permet donc une utilisation sur des dur´ees relativement longues sans risque de brouiller le signal que l’on d´esire mesurer.

Montage de plusieurs MCP en s´erie Les galettes de micro-canaux sont g´en´eralement mont´ees en s´erie pour augmenter le gain d’amplification et ainsi permettre la d´etection d’´ev´e- nement unique. D’autre part, pour que les particules incidentes viennent frapper la paroi des canaux le plus pr`es possible de leur entr´ee et assurer ainsi un gain maximum, l’axe des canaux est g´en´eralement tourn´e de quelques degr´es (voir Fig. 2.8). Cette configuration per- met aussi de limiter les effets d’un ph´enom`ene parasite qui a tendance `a diminuer le gain de l’amplification : au niveau de la sortie de la galette, des atomes peuvent ˆetre desorb´es et ionis´es sous l’influence du bombardement ´electronique. Acc´el´er´e vers l’entr´ee de la galette, ils peuvent d´eclencher de nouvelles avalanches et perturber ainsi le fonctionnement du canal d’amplification. En pla¸cant les galettes en chevron comme sur la Fig. 2.8, on empˆeche ces ions de remonter jusqu’`a la face d’entr´ee de la galette et leur effet est nettement diminu´e. D’autre part, comme le laisse aussi penser la figure, les signaux ´electroniques g´en´er´es par les canaux du premier MCP arrosent plusieurs canaux du deuxi`eme MCP, ce qui permet d’aug- menter d’autant plus le gain de l’amplification. Avec un tel montage on peut atteindre un gain d’environ 107 `a 108 ce qui est suffisant pour r´ealiser un comptage d’´ev´enements uniques.

Fig. 2.8 – Configuration standard des galettes de micro-canaux. Les axes des canaux des deux MCP n’ont pas les mˆemes directions : on parle de configuration en chevron. Les signaux ´electroniques g´en´er´es par les diff´erents canaux sont r´ecup´er´es sur une anode. On peut ainsi compter les impulsions.

En fonction de la valeur de la haute tension appliqu´ee aux bornes des galettes, on peut distinguer deux r´egimes d’amplification : un r´egime de faible gain o`u la distribution des hauteurs d’impulsion mesur´ee sur l’anode est large et confondue avec le bruit ´electronique r´esiduel et un r´egime o`u le gain est dit satur´e et o`u la distribution des hauteurs d’impulsion est cette fois-ci piqu´ee. La saturation du gain intervient quand la densit´e des nuages ´electroniques g´en´er´es `a l’int´erieur des canaux est suffisante pour ´ecranter le champ ´electrique ext´erieur et limiter ainsi l’amplification. En augmentant la haute tension il est possible de passer d’un r´egime `a l’autre. Saturer le gain du MCP est une mani`ere appropri´ee de r´ealiser le comptage des impulsions dans la mesure o`u dans ce r´egime, il est relativement ais´e de discriminer entre le bruit ´electronique r´esiduel et les impulsions correspondant `a la d´etection d’une particule. On peut placer un seuil de d´etection pour ces impulsions, dont la valeur est relativement facile `a d´efinir, dans la mesure o`u la distribution des hauteurs d’impulsion est piqu´ee.

Une autre forme de saturation peut intervenir quand le flux de particules incidentes est trop grand (typiquement quand il d´epasse quelques centaines de kat./s). Le courant qui circule entre les faces arri`ere et avant des galettes n’est alors plus suffisant pour recharger les canaux entre deux d´etections. Le gain a donc tendance `a diminuer au cours du temps et la d´etection des particules devient de moins en moins efficace.

2.3 Un syst`eme de d´etection original 49