Sur l'utilisation dans la caméra électronique de couches Cs3 Sb sensibilisées par la lumière

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Sur l’utilisation dans la caméra électronique de couches Cs3 Sb sensibilisées par la lumière

Maurice Duchesne

To cite this version:

Maurice Duchesne. Sur l’utilisation dans la caméra électronique de couches Cs3 Sb sensibilisées par

la lumière. Journal de Physique, 1965, 26 (3), pp.117-120. �10.1051/jphys:01965002603011700�. �jpa-

00205936�

117.

SUR L’UTILISATION DANS ^LA CAMÉRA ÉLECTRONIQUE

DE COUCHES Cs3Sb SENSIBILISÉES ^{PAR LA} LUMIÈRE (1)

Par MAURICE DUCHESNE,

Observatoire de Paris.

Résumé.

Les photocathodes utilisées dans la caméra électronique ^sont fabriquées ^{avec un}

excès de césium. De ce fait, lorsque l’excès de césium est trop important, elles sont instables et

perdent ^une partie de leur sensibilité pendant ^le stockage. Une illumination intense permet ^de

restituer leur sensibilité initiale. Cette sensibilisation s’explique, ^en partie, par la sublimation ^du

césium libre superficiel. ^Il y ^a équilibre, par l’intermédiaire ^de la tension ^de vapeur ^{de césium,}

entre le césium libre présent ^à la surface de la couche photosensible et celui qui ^{recouvre la} paroi

interne de l’ampoule. La forme de la courbe de sensibilisation suggère cependant l’existence d’un mécanisme plus complexe. ^Dans la caméra électronique ^les photocathodes sensibilisées ont ^un comportement identique à celui des cellules stables.

Abstract.

The photocathodes used in the electronic camera are made with an excess of caesium.

Though, when the caesium excess is too large, they ^{are not stable and} partly lose ^their sensitivity during storage. An intense illumination brings ^{back their} primary sensitivity. ^{This activation}

is partly explained by the sublimation of superficial free surface caesium. There is an equili- brium, through ^the caesium vapour pressure, between the free caesium existing ^at the surface of the photosensitive layer and the caesium coating ^{the inner} part of the bulb. Yet, ^the shape ^of

the sensitizing ^curve suggest the existence of a more complex mechanism. Within ^the electronic camera, the sensitized photocathodes ^{have a} reaction identical to the stable cells.

PHYSIQUE 26, 1965,

Introduetion.

Dans la caméra électronique [1]

la photocathode ^est d6truite par oxydation, lorsqu’on ^{ouvre le} dispositif pour extraire le maga-

sin, qui renferme les plaques électronographiques expos6es. ^{Pour faciliter son} remplacement, ^nous

avons ete amenes a r6aliser les couches photo-

sensibles sur des m6nisques ^en verre, places ^à

l’int6rieur d’ampoules ^scellées, qui peuvent ^etre introduites a l’int6rieur du tube ; ^{lib6r6es de leur}

.

ampoule, apr6s ^{un pompage} pr6liminaire, ^les photo-

cathodes peuvent être aisément ^{mises en} place ^sur l’optique electronique.- Cette solution pr6sente plu-

sieurs avantages, ^en particulier, ^celui d’éviter la

pollution ^{des lentilles} 6lectroniques par le cesium.

Cependant, ^la position ^du m6nisque ⁴ l’int6rieur de l’ampoule ^{rend tres} difficiles ^les 6changes ^ther- miques, qui, pratiquement, 6tant donne la qualite

du vide, ^ne peuvent ^se faire que par rayonnement.

Dans ces conditions, ^{la ipethode} classique ^{de fabri-}

cation des couches cesium-antimoine, qui ^consiste

4 6vaporer ^{sur le} support ^{un film} d’antilnoine

(30 % d’opacit6) ^{et a le soumettre a} 180 ^°C environ

a la vapeur de cesium, ^{ne donne} pas d’excellents

resultats l’une des raisons est qu’il ^est difficile de controler le rpeuit, ^{la couche restant a} temperature

6lev6e un long ^moment apres que l’ampoule ^{ait 6t6}

enlev6e du ^{four. D’autre} part, pour des couches

déposées directement ^sur verre, ^on observe, apr6s

leur mise en place ^sur l’optique électronique, ^une

baisse tres importante ^de sensibilit6, ^{a mesure} qu’elles ^se refroidissent (rappelons que la piece ^en

cuivre sur laquelle prend place ^la photocathode ^est

refroidie a - 150 °C environ, ^d’une part, pour améliorer la qualite ^du vide, ^et, d’autre part, pour 61iminer 1’6mission thermique ^{de ]a couche) ; lors-} qu’elles ^{ont atteint leur} temperature d’6quilibre,

leur sensibilité reste parfaitement constante, ^ce qui

élimine la possibilité ^d’une alteration _par oxyda- tion, ^{due a} un mauvais vide. En f ait ^{cette dimi-}

nution de sensibilite est li6e ^a 1’augmentation ^de resistance, ^les couches prenant ^une charge positive, qui limite l’émission - photoelectrique. ^{Dans ces} conditions, ^la saturation n’est plus observ6e, pour

une tension d’acceleration compatible ^avec la ’géo-

métrie de l’optique electronique, ^{et le courant} photoélectrique ^n’est plus proportionnel ^{au flux}

lumineux. ^Pour pallier ^cet inconvenient, grqve pour

un r6cepteur dont I’une des caractéristiques prii4- cipales ^{est d’avoir une} r6ponse ^lin6aire [2], ^les

couches que ^nous utili6ons ^sont d6pos6es ^{sur du}

verre rendu conducteur _{par de} 1’oxyde d’étain;

on peut r6aliser ainsi des sous-couches a resistance faible (de l’ordre de 500 a 1 000 ohms) ^{avec qn} coefficient ^de temperature 16g6rement positif. ^Pour

conserver ses propri6t6s, ^{le verre ainsi tralt6 ne}

doit pas subir Faction du ^{cesium a} temperature tnop ^{élevée. : avec} la methode classique, ^{on observe} généralernent ^une alteration non uniforme ^de la couche cgpductriee. ^{Nous utilisons donc un} procédé qui ^{ne necessite pas un recuit a} temperature 6lev6e ;

il consiste a evaporer, a temperature ordinaire,

alternativement du césium ^{et de} liantimoine ; ^les evaporations successives sont contr6l6es ^{en mesu-} rant la sensibilite ^{et l’on} doit s’arranger pour ^etre

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphys:01965002603011700

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toujours ^{en exe6s de cesium.} Lorsque la sensibilite atteinte est jug6e suffisante, ^la plus grosse partie

du cesium en exc6s est 61imin6e _par un recuit 6

temperature peu 6lev6e (60 ^{a 70} °C) ; ^la sensibilite croit au cours du recuit, qui ^{est arr6t6 avant}

d’atteindre la sensibilite maximum ; ^{de cette} fagon

le verre conducteur n’est pas altere et la couche

poss6de ^{un exe6s} de cesium. Cet exe6s de cesium,

n6cessaire pour éviter ^une perte ^de sensibilite _par

oxydation [3] ^{au moment de la mise en} place ^{de la} photocathode, ^a cependant ^deux inconvenients :

en dehors de 1’6mission d’exoélectrons, ^{dont il} peut

etre la cause [4], ^il rend, ^{s’il est} trop important, ^les

couches tres instables

fait dej a remarque par Eckertova [5]. ^On observe, ^en effet, dans certains

cas extremes, ^une perte ^de sensibilite pouvant

atteindre 80 % ^de la sensibilite initiale (dans ^la majorite ^de cas, elle est beaucoup plus faible, ^de

l’ordre de 5 a 10 %). ^Cette perte ^de sensibilite est 6videmment g6nante pour 1’emploi ^{de telles cellules}

dans la camera electronique, ^{si l’on veut des} per- formances 6lev6es. Cependant, ^{nous avons} remarque qu’un éclairement intense de ces couches

(lampe ^{flood de 300 watts} a 10 cm, soit ^un éclaire-

ment de l’ordre de 20 000 lux) permettait ^{de leur}

restituer pratiquement leur sensibilite initiale [4].

Caract6ristique ^{de la} sensibilisation par la lumidre.

Nous sensibilisons ainsi nos photo-

cathodes depuis plusieurs années ; ^{nous avons donc}

6tudi6 un grand ^{nombre de} cellules, ^{mais nous ne} parlerons ^{dans ce travail} que de deux ^cas les plus typiques, qui ^{r6sument assez bien les} observations que ^{nous avons} faites.

La figure 1 donne les résultats obtenus avec la cellule n° 138, particulièrement instable, qui ^{a 6t6}

eclairee pendant ^{10 mn} (pendant l’illumination

FIG. 1,

r ampoule ^est refroidie par ^{un courant} d’air frais).

Mesuree apr6s chaque ^minute d’éclairement, ^dans

3 bandes spectrales ^définies par les filtres Wratten no 25 (rouge), ^{n° 57} (vert) ^{et no 48} (bleu), l’évolu-

tion de sa sensibilité a ensuite ete suivie pendant plusieurs jours. On voit que :

1. L’augmentation de sensibilite croit avec la

longueur d’onde ; ^{c’est un fait} general ; ^elle atteint,

par exemple, 180 ^{% de la} sensibilite initiale dans le rouge. C’est donc dans ^{ce cas un tres} gros pheno-

mene.

2. La diminution de sensibilité, apr6s ^{arr6t de} l’éclairement, ^est lente : elle est de 9 % ^{dans le}

vert apres ^une heure, ^{et il faut} plusieurs j ours ^dans

l’obscurit6 totale pour que la cellule _reprenne sa

sensibility initiale. Les premi6res heures, qui ^suivent

l’arrêt de l’illumination, ^{la loi} de d6croissance n’est pas exponentielle (fig. 2).

FIG. 2,

FIG. 3. -1. Sensibilit6 spectrale avant sensibilisation.

2. Sensibilit6 spectrale apr6s sensibilisation.

3. La sensibilisation _par ]a lumiere est un pheno-

mene cyclique : si, apr6s ^{retour a} la sensibilite

initiale, la cellule est sensibilis6e dans les memes

conditions, ^{la courbe} de seconde sensibilisation est

identique a celle de la premiere.

4. Les courbes de sensibilite spectrale ^{avant et} apr6s sensibilisation (fig. 3) ^montrent que si ]a sensibilite s’6tend plus ^{loin vers les} grandes ^lon-

gueurs d’onde apr6s sensibilisation, ^la longueur d’onde, qui correspond ^{aux maxima de} sensibilité,

est approximativement ^la meme dans les deux _{cas ;} elle se situe _pour cette cellule vers 4 500 A.

5. En general, apr6s sensibilisation la sensi- bilit6 decroit ; cependant pour certaines cellules elle continue a croitre, ^{de 10} % environ, pour la

cellule no 83 (fig. 4).

FiG. 4.

Mdeanisme de la sensibilisation par la lumiere.

Nous examinerons successivement plusieurs hypo-

th6ses.

1. RESISTANCE TRAS ALEVTE DE LA COUCHE.

En general, la resistance 6lectrique ^{des antimo-}

niures de cesium est r6duite par exposition ^{a la} lumière, ^surtout pour celui dont la composition ^est

voisine de Cs,,Sb [6]. Cette reduction de resistance

pourrait expliquer l’augmentation ^de sensibilite

apr6s ^un fort eclairement. Cependant ^cette hypo-

th6se n’est _{pas a} retenir, ^car nous avons v6rifi6,

avant la sensibilisation, que les couches 6tudi6es avaient ^une courbe de saturation normale. ^De

plus, nous avons v6rifi6, apr6s leur utilisation dans la camera electronique, que la resistance des ^sous- couches n’avait pas augmente pendant ^{la forma-}

tion de la couche photosensible.

2. DÉGAZAGE DE LA COUCHE ET DE LA PAROI INTERNE DE L’AMPOULE.

Pendant ]a sensibi-

lisation, les parois ^de l’anapoule ^sont refroidies avec un courant d’air, ^{de sorte} que la désorption ^{de la} paroi ^{interne est} n6gligeable. ^{La couche} photo-

sensible et le m6nisque ^sur lequel ^{elle est} d6pos6e,

par contre, s’échauffent rapidement ^{sous l’action}

de la lumiere absorbée. On peut ^{calculer tres} appro- ximativement 1’6]6vation de temperature ^ainsi pro- duite ou la mesurer a 1’aide d’un couple ^thermo- 6]ectrique. ^K. Miyake [7] ^a mesure, ^{avec un} couple

cuivre-constantan fixe a un disque ^{de verre} place

a l’int6rieur d’une ampoule, ^une temperature ^de

83 °C apres ^un 6clairement intense prolong6. ^{A cette} temperature ^{le vide a} 1’interieur de l’ampoule peut

se d6t6riorer rapidement ^et la cellule se comporte alors comme une cellule a gaz. Pour les cellules _que

nous avons 6tudi6es, nous avons limit6 le temps d’eclairement de façon que l’augmentation ^de pres- sion soit n6g]igeable ; ^on le v6rifie en comparant ^la

courbe de saturation avant et apres sensibilisation.

Dans ces conditions l’augmentation ^de sensibilite

ne peut pas etre attribuée a un processus multi-

plicateur ^{du a} l’ionisation _gazeuse.

3. SUBLIMATION DE L’EXCES DE CESIUM PRESENT

A LA SURFACE DE LA COUCHE. - Avant sensibi- lisation _par la lumière, l’antimoniure de cesium

Cs3Sb ^est vraisemblablement recouvert par plu-

sieurs couches atomiques ^de cesium ; d’apr6s ^les experiences ^{de A. Sommer} [8], ^en effet, ^{le cesium}

ne r6agirait pas ^avec l’antimoine pour donner des

produits ayant ^un rapport atomique Cs jSb > 3 ;

en fait, ^des experiences plus ^{r6centes de K.} Miyake [6] ont montre qu’un chauffage prolong6 ^a temp6-

rature relativement basse (70 °C pendant ⁷⁰ heures) permettait d’obtenir le compose Cs3,3oSb ; cepen- dant avec le procédé ^de fabrication que ^nous utili-

sons (recuit ^a temperature ^peu 6lev6e) ^{la formation}

d’un tel produit ^est peu vraisemblable et le cesium

en exc6s doit se trouver sous la forme de cesium libre. Dans ces conditions l’élévation de temp6-

rature du m6nisque peut produire ^une sublimation de 1’exces de cesium, qui ^{se condense ensuite sur la} paroi relativement froide de l’ampoule ; ^on peut

donc obtenir de cette façon ^un produit qui ^renferme

seulement un ]6ger ^exe6s de cesium par rapport ^a la composition stoechiometrique Cs3Sb ^et qui pr6-

sente une sensibilite photoélectrique ^maximum [9].

La sensibilisation observ6e pourrait ^6videmment

etre due a un processus photoelectrique. ^Nous

avons done realise une experience qui permet

d’eliminer un tel processus, s’il existe. Pour cela,

nous avons eclaire les couches photosensibles ^avec

un rayonnement infrarouge (À > 8 000 A) , pour

lequel ^les couches, bien que 16g6rement oxyd6es,

n’étaient _pas sensibles. On voit sur la figure 1, pour la cellule no 138, que 1’energie ^absorbée par la couche suffit a la sensibiliser (1’6nergie ^absorbee

dans l’unit6 de temps ^6tant plus ^{faible, le taux}

d’accroissement est 6videmment plus petit). ^Deux

autres experiences permettent d’appuyer ^cette hypothèse.

a) ^Si la sensibilisation est faite, ^{d’abord sans}

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refroidir I’ampoule, puis ^{en la} refroidissant,

l’accroissement de sensibilite de la cellule est beau- coup plus rapide apr6s refroidissement ; ^{ceci est dû}

au fait que la tension de vapeur du cesium a l’int6- rieur de l’ampoule baisse, ^ce qui ^{facilite la distil-}

lation du cesium present ^{a la} surface de la couche.

b) Lorsqu’on ^{lib6re de son} ampoule, ^{dans la}

camera electronique, ^{une couche} photosensible, qui poss6de ^un gros exc6s de cesium, ^mais qui ^n’a pas ete sensibilisée, ^la sensibilite s’élève au moment de la casse de l’ampoule. ^{Le cesium en} exc6s, ^en effet,

est en 6quilibre ^{avec le} cesium de l’ampoule ; lorsque ^{celle-ci est} bris6e, l’équilibre ^est rompu, la tension de vapeur de cesium devient tres faible, ^ce qui facilite la sublimation des atomes de cesium, qui recouvrent la couche.

4. SENSIBILISATION PHOTOELECTRIQUE, - ^{11 est}

hors de doute, d’après ^les experiences que ^nous

avons relat6es, que l’élévation de temperature, qui

r6sulte de l’absorption ^{de lumiere} par la couche et par le m6nisque ^sur lequel ^{elle est} d6pos6e, ^est responsable, ^{au moins en} partie, de la sensibili- sation observ6e. La forme des courbes de sensibi-

lisation, cependant, fait douter que ^ce soit le seul processus implique. ^Pour la cellule no 83, par

exemple (fig. 4), ^au point qui correspond ^{a Parrot}

de la sensibilisation, la ^courbe pr6sente ^un point

de rebroussement, ^la pente ^6tant plus grande apr6s

arr6t de l’éclairement : il semble donc qu’on ^soit

en presence, ^{dans ce} cas, de deux ph6nom6nes

simultan6s et qu’a ^{ce stade de la} sensibilisation,

l’un des processus produit ^une d6sensibilisation.

Pour la cellule no 138 ( fcg.1), par contre, ^{on observe} bien un point ^de rebroussement, ^{mais la} pente

devient negative apr6s ^{arr6t de la} sensibilisation.

Un tel comportement ^n’est pas compatible ^avec

1’existence du seul effet thermique, ^{en raison de}

l’inertie thermique ^du m6nisque. ^On peut songer alors a faire intervenir un processus du ^au champ 6lectrique créé par les nombreux ions cesium super- ficiels resultant de la photoionisation. ^On peut également supposer que l’absorption de lumiere par la couche produit ^{de nombreux niveaux} energe-

tiques suppl6mentaires, qui disparattraient ^lente-

ment au cours du temps.

Comportement ^{dans la camera} électronique ^des photocathodes sensibilisdes.

Le comportement

des cellules sensibilis6es _par la lumi6re est tout à fait identique a celui des cellules stables ; apr6s

leur mise en place ^sur l’optique electronique, ^on

observe une diminution de sensibilité, ^{surtout dans}

les grandes longueur d’onde ; dans le rouge (filtre

Wratten no 25) ^elle peut ^{atteindre 20 a 25} %,

alors que dans le bleu (filtre ^{Wratten n°} 48) ^elle

est n6gligeable. ^Cette perte de sensibilite est due

au refroidissement des couches photosensibles [10].

Lprsqu’elles ^{ont atteint leur} temperature d’6qui- libre, leur sensibilite photoélectrique ^{reste ensuite} parfaitement constante ; ^{au cours} d’une r6cente mission a l’Observatoire de Haute-Provence nous avons pu ^conserver des cellules pendant ⁷ jours

consecutif s sans evolution appreciable ^{de leur sen-}

sibilit6. Avec la qualite du vide que l’on sait main- tenant r6a]iser et maintenir dans la cam6ra elec-

tronique ^{il ne} semble pas qu’il y ait de limite a la conservation des photocathodes.

Conclusions.

Une illumination intense ne per- met d’améliorer que les cellules ayant ^un gros ^exc6s de cesium et qui, ^{de ce} fait, perdent ^une partie ^de

leur sensibilité pendant ^le stockage ; ^{elle est sans}

action sur les cellules stables. Cette sensibilisation

s’explique, ^au moins, ^en partie, par la sublimation du cesium libre superficiel. ^La d6sensibilisation

apr6s ^{arret de} l’eclairement, qui ^conduit après plusieurs jours ^{a une valeur de la} sensibilite iden-

tique ^{a celle de la} sensibihte initiale, ^montre qu’il

y ^a équilibre, par l’interm6diaire de la tension de vapeur de cesium, ^entre le cesium libre present ^a

la surface de l a couche et celui qui ^{recouvre la} paroi interne de l’ampoule. ^Plusieurs points, cepen-

dant, ^restent a élucider : il faut expliquer, ^d’une part, pourquoi ^les courbes de sensibilisation pr6-

sentent un point ^de rebroussement et pourquoi,

d’autre part, ^toutes les cellules n’ont pas le ^m6me

comportement, lorsqu’on ^{cesse de} les illuminer.

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