Sensibilisation des cathodes semi-transparentes

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Submitted on 1 Jan 1965

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Sensibilisation des cathodes semi-transparentes

Brigitte Martin-Le Masne de Chermont, François Lenouvel

To cite this version:

Brigitte Martin-Le Masne de Chermont, François Lenouvel. Sensibilisation des cathodes semi- transparentes. Journal de Physique, 1965, 26 (3), pp.121-126. �10.1051/jphys:01965002603012100�.

�jpa-00205937�

121.

SENSIBILISATION DES CATHODES SEMI-TRANSPARENTES (1)

Par BRIGITTE MARTIN-LE MASNE DE CHERMONT Ingénieur ^{E. S. O.}

et FRANÇOIS LENOUVEL,

Docteur ès Sciences F. Inst. P., Commissariat à l’Énergie Atomique.

Résumé. 2014 Action des variations de l’équilibre cathode-environnement par l’intermédiaire des

pressions thermonucléaires sur la sensibilité photoélectrique spectrale ^{des cathodes} semi-transpa-

rentes.

Abstract.

Effect of variations of the cathode-environment equilibrium through ^thermo-

molecular pressure ^on the spectral photoelectric sensitivity ^of semi-transparent ^cathodes.

PHYSIQUE 25, 1965,

En 1960, nous avons voulu ddtecter un signal

lumineux en presence ^de I’eclairement solaire per-

manent. Les cathodes photoelectriques ^{ne r6sis-}

tent pas a ^ce dur traitement _sous leur tension de saturation (500 volts) ; ^{mais en} regime ^de charge d’espace (20 ^{volts sous le meme} flux), ^{la couche ne}

se fatigue plus ^{et augmente de} sensibilite.

Cette curieuse constatation nous a conduit à

appliquer ^ce traitement aux cathodes semi-trans- parentes ^de telescope electronique.

L’étude suivante decrit les résultats et en donne

une theorie provisoire.

I. Dispositif expdrimental.

^{Les cellules 6tu-}

di6es sont constituees par ^un depot semi-trans-

parent ^de SbCs3 ^{sur un} disque plan ^{concave de}

verre recouvert de SnO. La cathode est suspendue

dans une ampoule brisable, ^{l’anode est un} petit

ruban de platine (fig. 1).

,

FiG. 1.

Les caractéristiques photoelectriques ^{et spec-}

trales sont mesur6es sur une surface centrale circu- laire de diam6tre 1 _cm, au moyen d’une petite lampe ^{etalon de surface :} 0,057 ^cm2.

La temperature ^{de couleur du filament est :}

2 854 0 K, ^{son intensite est de} 37,4 ^cd.

(1) ^Travail presente ^{lors du} Colloque ^de photoélectricité

tenu h Dijon les ³⁰ avril, ^{1er et 2 mai 1964,}

Des filtres interférentiels, ^a double bande limi- tent un 6troit domaine spectral. ^{Le tableau I en}

donne les caractéristiques. Le tableau II donne les

puissances reques ^sur la cathode en ergs ^{s-1 et}

en nombre de photons par seconde dans les condi- tions expérimentales.

TABLEAU I

CARACTERISTIQUES ^{DES FILTRES} SCHOTT

TABLEAU II PUISSANCES ENERGETIQUES

ET NOMBRE DE PHOTONS PAR SECONDE

T de couleur : 2 854 0 K ; T ^de brillance : 2 500 OK.

S’ : surface de la source : 0,057 ^cml.

as’

1,55 ^{X 10-2 cm4 ster.}

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphys:01965002603012100

122

La cellule est aliment6e ^sous 128 volts pour les

mesures spectrales. ^{La courbe de} saturation ^est obtenue _{pour des} tensions appliqu6es ^en progres- sion g6om6trique

Un galvanometre ^{de haute} sensibilite (10-10 Amp.) ^{mesure le courant} anode. Tous les courants

indiqu6s ci-apr6s tiennent du courant compte d’obscurit6 sous la tension correspondante.

Dispositif ^de sensibilisation.

La sensibili- sation est obtenue en soumettant la cathode a un

fort éclairement (environ ^{11 000} lux). ^Une lampe

de 150 watts est alors la source lumineuse. Une

glace Saint-Gobain verticale de 5 mm d’épaisseur

et un filtre Schott K G 3 de 3 ^mm d’6paisseur

éliminent la majeure partie ^du rayonnement ^infra-

rouge. La cellule et la lampe ^{sont dans un mame} plan horizontal, ^ce qui ^{élimine le} chauffage ^de 1’enveloppe ^de la cellule _par Rapport ^{convectif de}

Fair.

La cellule est aliment6e _par une tension de 20 volts et, ^{dans ce} regime ^de charge d’espace, ^le

courant se situe entre 15 et 30 microamperes. ^La

dur6e d’exposition peut ^{atteindre 2 heures.}

C’est parce que les cathodes opaques s’activaient

sous l’effet combine d’un fort éclairement ^et d’une tension de 20 volts _que nous avons adopt6 ^{ce pro-}

cede. Duchesne utilise un eclairement lumineux

equivalent ^{sans debit.}

La figure ^{2 est un schema de} montage :

FIG. 2.

II. Sensibilisation.

^{Nous avons} 6tudi6 les crit6res photoelectriques ^{suivants, sur une dizaine}

de couche semi-transparentes pripardes ^à f roid, ^au

cours de la sensibilisation : gain commercial et rendement quantique, ^{stabilite des} performances acquises, saturation, comparaison ^{avee la m6thode}

Duchesne.

Les résultats sont identiques, ^{seul l’ordre de}

grandeur ^{varie un} peu d’une cellule a l’autre.

La r6ponse 6nerg6tique spectrale ^{sous 128 volts}

est d6termin6e avec la petite lampe ^etalon avant ^la sensibilisation, puis ^a diff6rents instants de celle-ci.

A ces moments, l’ampoule ^{de 150 watts est 6teinte.}

Les résultats d’une des cellules sont consignés ^dans

le faisceau de courbes (fig. 3) ^{ou nous} portons :

en abscisses la dur6e de sensibilisation ; ^{en ordon-}

n6es : le rapport it/io ^du courant it ^a l’instant t de sensibilisation, ^au courant io ^{avant la sensibi-} lisation, pour ^un meme flux monochromatique.

Chaque ^courbe correspond ^{a une} longueur ^d’onde.

FIG. 3.

Le tableau III donne les rendements quantiques

initiaux et finaux pour les diverses longueurs

d’onde utilis6es. Le rendement commercial (micro- amp6re par Lumen) n’a pas ^ete mesure ; ^{il croit}

d’un facteur 2 environ, par suite de la temperature

TABLEAU III

RENDEMENT QUANTIQUE D’UNE CELLULE

des sources habituelles (T = ^{3 000} OK). ^Cette

etude am6ne les conclusions suivantes :

A) ^GAIN COMMERCIAL ET RENDÈMENT QUAN-

TIQUE;

Toutes les courbes ont une allure hyper-

bolique ^a asymptote horizontale. Le gain apport6

par la sensibilisation croit avec la longueur ^d’onde.

II semble de la forme

FIG. 4.

11 est remarquable ^{de constater} que le gain

atteint un paliqr ^et que l’effet ^reste nul au voisi- nage de 3 000 A. Cette longueur ^d’onde correspond étrangement ^au potentiel d’ionisation du cesium

3,89 ^{volts. Le} gain ^{limite est} fonction croissante ^du flux sensibilisateur jusqu’h 1’6clairement maximum

que ^nous avons realise (11 000 ^lux).

B) ^{STABILITÉ DES} PERFORMANCES. - Le gain apport6 ^par la sensibilisation ^est pratiquement

atteint en 1 heure sous 11 000 lux ; ^{il se maintient} longtemps apr6s 1’extinction du flux intense sensi- bilisateur. La d6croissance est sensiblement _expo- nentielle. Toutes les caractéristiques reprennent

leurs valeurs a quelques pour ^cent pres. L’expo-

sant de l’exponentielle ^{varie avec la} longueur

d’onde. La figure ⁵ repr6sente ^en coordonn6es

semi-logarithmiques la courbe it

io

f(t) qui

est une droite ; la sensibilite st, t ^heures apr6s ^la

fin de la sensibilisation, ^{est donc de la forme :}

FIG. 5.

La sensibilisation _par ^{un fort} eclairement est donc un phénomène reversible ; nous avons pu le

rep6ter 5 fois de suite avec les memes caract6res.

C) VARIATIONS ^DE PRE SSION- SAT U RATION. - Un

rep6rage grossier ^{de la} pression résiduelle est fourni par la pente ^{de la courbe de} saturation. La figure ⁶

montre les différentes courbes de saturation obte-

nues au cours de la sensibilisation.

FIG. 6.

On constate toujours que la pression ^r6siduelle

croit avec l’augmentation ^de la sensibilite. Mais l’ionisation tres partielle n’est pas la cause de l’accroissement de la sensibilité. En effet, ^{la varia-}

tion de sensibilite existe pour ^une tension de 16 volts, ^valeur qui n’engendre pas d’ionisation ;

d’autre part, l’ionisation apporterait ^{un accrois-}

sement independant ^{de la} longueur ^d’onde.

D) COMPARAISON AVEC LA MÉTHODE DUCHESNE.

- La cellule no 183 a un net palier ^de saturation.

Les sensibilisations successives, bihebdomadaires,

sont tres reproductibles. ^{Cette cellule a subi une} sensibilisation, ^sans tension, par ^{le meme} eclaire-

ment de 11000 lux (m6thode Duchesne). ^{Les r6sul-} tats, pour des temps correspondants, ^{sont absolu-}

ment identiques. ^Ainsi le processus physique ^res- ponsable ^{est le meme dans les deux m6thodes.}

III. Fatigue.

^{Il est ais6 de} fatiguer ^une

couche photoelectrique.

Appliquons simultan6ment ^{un fort} eclairement 11 000 ^lux et une haute tension (1000 volts) ; ^le

debit de 50 microamperes ^{est maintenu} pendant

20 minutes.

Nous avons applique ^{ce dur} traitement a une

cathode que ^nous avions sensibilis6e quelques ^mi-

nutes auparavant.

Nous mesurons la sensibilite spectrale ^{et la} pente du palier ^de saturation, ^{au cours de la} fatigue. ^Le

tableau IV rassemble les principaux ^{resultats s}

ttats initial, sensibilisation, fatigue (fig. 7).

124

TABLEAU IV

FIG. 7.

Il existe aussi un 6tat de fatigue, ^{ou les} propri6t6s photoélectriques ^de la cellule sont identiques ^a

celles de Petal initial ( fig. 8).

Comme la sensibilisation, ^les propri6t6s ^d’une

cellule f atiguee ^{tendent vers une limite} qui ^{est une}

fonction unique ^des param6tres ^du traitement.

Mais ^une cellule f atiguee peut ^{encore etre sensi-} bilis6e et revenir a son etat premier. ^{Les caract6res} photoelectriques ^{de la} fatigue ^{sont l’inverse de}

ceux de la sensibilisation : Chute importante ^de

sensibilite dans Ie _rouge, baisse de pression ^r6si-

duelle...

Ainsi ^le processus physique ^de la sensibilisation

et de la fatigue ^{est le} meme ; cette r6versibilit6 ^cesse

partiellement pour les couches _opaques ou il n’est pas possible de revenir compl6tement ^{a 1’etat}

initial.

Théorie provisoire.

Analysons attentivement l’intense éclairement qui procure ^une sensibili- sation. Ce flux lumineux engendre ^{une difference}

de température ^{entre la cathode et} 1’enveloppe.

FIG. 8.

En effet, ^{la couche} photoélectrique ^{absorbe envi-}

ron 50 % ^{de la lumiere sans effet} photoélectrique,

cette 6nergie ^{est convertie en chaleur et accroit la} temperature ^de la cathode ^de tlT. Nous avons

mesure 1’eclairement énergétique reçu dans le plan

de la cathode, ^au moyen d’une thermopile ; ^sa

valeur est de : 31 mW/cm2. La moiti6 de cet dclairement (15 mWJcm2) porte ^la temperature ^de

la cathode ^{de T} A T + AT ; ^{si T est la} temp6-

rature de l’enveloppe, c’est-à...dire de 1’ambiance.

La cathode 6change ^son 6nergie ^avec 1’enveloppe

par rayonnement ; ^{cette valeur est :}

D’oii une elevation de temperature ^de

AT = 12 °K ; ^{dans les} conditions pr6c6dentes, ^la

mince tige support ^{de la cathode} n’entraine _que des pertes ^minimes par conduction.

D’autre part, l’enveloppe ^{reste a la} temperature ambiante, ^{car la} disposition horizontale du mon-

tage ^{6vite le} chauffage par 1’air ^chaud qui ^s’élève

de la lampe ^{de 150 watts et la} partie infrarouge ^de longueur ^d’onde sup6rieure ^a 2,5 y qui ^serait

absorbée _par le verre de 1’enveloppe ^{de la cellule}

n’existe plus ^{dans le} rayonnement ^car 1’epaisse plaque ^{de verre} l’ a absorbée auparavent.

C’est la nature tres particuli6re ^du rayonnement

en fonction de la longueur ^d’onde qui engendre

le ^AT utile. En effet, ^sans glace ^{de verre la sensi-}

bilisation sous le meme flux est pratiquement ^nulle.

Nous pouvons alors fournir 1’explication ^sui-

vante des ph6nom6nes ^{observes :}

Au cours de 1’elaboration de la couche photo- 6lectrique, 1’ensemble est baigné de vapeur de cesium. L’6tat permanent ^normal correspond ^à l’égalité ^des pressions thermomoléculaire de la cathode et de 1’environnement. La pression ^thermo-

moléculaire n’est pas celle du cesium pur, ^car les

propri6t6s ^{de la couche} photoélectrique ^{ne sont} pas celles du cesium massique.

Nous supposons ^en premiere approximation, que le cesium se conduit comme une impureté ^{au sens}

de la tonom6trie et que la pression thermomo]6- cualire est proportionnelle ^a la concentration quasi- superficielle ^du cesium. L’élévation différentielle de

temperature ^{AT de la} cathode par rapport ^{a 1’enve-} loppe ^{entraine une} augmentation ^{AP de la} pression

thermomoléculaire proportionnelle ^{a AT} par la for- mule de Clapeyron. 11 s’ensuit une migration ^de

cesium de la cathode vers 1’environnement jusqu’à

ce que la concentration du cesium depose ^{sur 1’en-} veloppe ^ait engendre l’augmentation identique ^AP

de la pression thermomoléculaire de 1’environ- nement.

Chiffrons la ^masse migrante u ^{du cesium} pour

un AP de 10-8 Torr (1,33 ^{X 10-5} baryes), qui ^est

un ordre de grandeur possible.

soit ici :

Or une couche monoatomique ^{de cesium contient}

4 X 1014 atomes/cm2 ^{ou 89 X 10-9} gr/cm2 ^de

cesium. La migration peut donc expliquer ^le depart

de plusieurs 6paisseurs monoatomiques. ^{Avant la} sensibilisation, les concentrations v. de cesium par ^cm2 susceptibles d’évaporation ^{sont les memes}

sur la cathode ^{et sur} l’environnement. Soit _vo la valeur commune et Po ^la pression thermomolé- culaire correspondante :

On a par hypothese

a la temperature ^{T commune de} 1’ensemble.

Quand la sensibilisation atteint sa valeur limite, appelons :

v la concentration atomes/cm2 6vaporable ^sur 1’environnement,

v’ ]a concentration atomes/cm2 evaporable ^sur

la cathode,

AT la difference ^de temperature cathode-environ- nement. La conservation de la masse entraine :

A 1’equilibre, ^les pressions thermomoléculaires P et P’ pour des surfaces 6quivalentes ^sont 6gales :

P

kv sur l’environnement.

P’ : pression thermomoléculaire sur la cathode est la somme de deux termes :

la pression thermomoléculaire a T

kv’,

l’accroissement de pression correspondant ^{a AT}

soit c AT (formule ^de Clapeyron).

P

P’ entraine :

D’ou :

et

La pression r6siduelle a augmente ^comme l’expé-

rience le montre et la concentration v’ de cesium

quasi superficielle ^{sur la cathode a} diminue. Si la concentration initiale est sup6rieure ^{a la concen-}

tration de sensibilite maximum (exc6s ^{de cesium à}

la fabrication) ^on comprend que la perte ^{de cesium} corresponde ^{a un} gain ^de sensibilite qui ^{varie dans}

le meme sens que le AT ^et 1’eclairement ^intense.

On voit que la presence d’une tension _{tres peu} ionisante (20 volts) ^{ne modifie en rien les conclu-}

sions comme nous 1’avons constate.

Retour a 1’etat d’équilibre.

A l’origine ^des temps, ^les temperatures ^{sont les} memes, les concentrations de cesium sont : v pour

1’environnement, v’pour ^la cathode, ^{et les} pressions

thermomoléculaires P et P’ a cet instant origine

sont telles _{que :}

126

Le transfert de mati6re [t ^{par cm2 et} par seconde est proportionnelle ^{à P -} P’, ^soit

pour des surfaces 6quivalentes ^{cathodes et environ-}

nement.

Pendant un temps dt, le transfert est y dt ; ^il

introduit une variation de concentration dv’ sur

la cathode telle _{que :}

or

D’ou une equation ^{lin6aire du} premier ^{ordre :}

et

Si vi ^est la concentration originale ^{sur la cathode.}

Nous ignorons ^{la loi} qui regit ^la sensibilite en

fonction de v’. D’une façon ^tres approch6e, on peut

supposer :

Si _So et st sont les sensibilités initiales (t

0)

et a l’instant t, ^ce qui implique ^{le retour} expo- nentiel a Petal initial.

D’autre part, le coefficient k est attach6 a la concentration de cesium responsable ^{de la sensi-}

bilit6 dans une longueur d’onde. On comprend

ainsi que k varie ^avec la longueur d’onde, ^{en cons6-}

quence, 1’exposant ^de 1’exponentielle ^{est fonction}

de la longueur ^d’onde.

Fatigue.

Les nombreux electrons 6mis dans

une exposition ^{a un} flux intense sous haute tension bombardent et ionisent la _vapeur r6siduelle. Les ions Cs+ suivent le champ ^{et viennent} tapisser ^la

cathode. Le milieu s’appauvrit ^{en atomes comme}

le tube a rayons X qui ^durcit pendant ^{son fonc-}

tionnement. L’enveloppe compense ^cette perte jusqu’au ^{moment ou sa} pression thermomol6- culaire a suffisamment baisse par suite de la d6crois-

sance de la concentration.

Nous assistons aux consequences ^{de cette} expli-

cation :

- La pression r6siduelle d6erdit, c’est-à-dire le

palier ^de saturation tend vers l’horizontale.

- La sensibilite d6crolt, ^{car la cathode se} charge

de cesium et la sensibilite spectrale ^{tend vers celle} du ^metal massique.

11 faut noter que le cesium ainsi introduit sur la cathode peut ^encore s’6vaporer, ^ce qui ^{semble du}

a la finesse de la couche ( 0,5 u) ; les cathodes opaques ^{ne se} comportent pas aussi bien.

Dans le cas d’un fort debit associe a une faible tension (20 V) le coefficient d’ionisation reste faible et les atomes ionises ne peuvent pas ^traverser la

charge d’espace cathodique ^sans s’y neutraliser et les atomes ne peuvent plus atteindre la cathode.

Conclusion.

L’équilibre cathode-environ- nement par l’intermédiaire de la pression ^thermo-

moléculaire regit ^les propri6t6s photoelectriques.

La sensibilisation et la fatigue ^{ne sont} qu’un ^meme aspect ^de la variation de concentration au voisi- nage de la surface emissive.

La reversibilite est bonne pour les cathodes semi-

transparentes.

Remereiements.

Nous remercions M. A. Lalle-

mand, Professeur au College ^de France, ^Membre

de l’Institut, de l’intérêt qu’il ^a port6 ^{a nos tra-}

vaux et des conseils 6minents qu’il s ^{nous a} prodi- gu6s. M. M. Duchesne a mis a notre disposition

nombre de cellules de convertisseur d’images ^sans lesquelles ^cette etude 6talt impossible, qu’il ^reçoive

ici 1’hommage ^{de notre amicale} gratitude.

Nous remercions le Commissariat 4 l’Énergie Atomique d’avoir autorisé la publication ^{de ce}

travail.

Manuscrit regu le 13 avril 1964.