Les cellules à multiplicateurs d'électrons. Développements. Utilisation

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Les cellules à multiplicateurs d’électrons.

Développements. Utilisation

André Lallemand

To cite this version:

LES CELLULES A MULTIPLICATEURS

D’ÉLECTRONS.

DÉVELOPPEMENTS.

UTILISATION

Par ANDRÉ LALLEMAND. Astronome à l’Observatoire de Paris.

Sommaire. 2014 Détermination de la fluctuation du courant de sortie dans

une cellule à _{multiplicateurs} d’électrons en fonction du nombre _d’étages et du facteur de multiplication de l’étage, cas idéal .Autres

causes de fluctuations du courant, réalisation d’une cellule éliminant au mieux ces fluctuations. Résultats

obtenus. _Quelques considérations sur _l’emploi des cellules à _{multiplicateurs} d’électrons : alimentation haute tension, détermination de la _{multiplication} nécessaire si l’on utilise comme _{appareil récepteur} un

galvanomètre ou un _{amplificateur.} Utilisation des cellules à _{multiplicateurs} avec un _{amplificateur}

symétrique très stable, utilisation d’un montage à relaxation au néon.

LE

_JOURNAL

DE PHYSIQUE ET LE RADIUM. SÉRIE VIII, TOME X,

JUILLET-AOÛT-SEPTEMBItE

1949.

Considérons une cellule

_{photoélectrique}

éclairée

par un flux lumineux

_(D,

elle débite à la saturation un courant

_I=

_K(Do.

Ce

_courant,

souvent très

faible,

par

exemple

A ne

_peut

être mesuré

par des méthodes

directes,

il faut

amplifier.

Habi-tuellement on utilise un

_{amplificateur}

à

_lampes,

or

cet

_{amplificateur}

est sensible à la tension et non au

_courant,

on transformera donc le courant en une chute de

_potentiel

_RI~

dans une résistance

de

_charge

.R. Plus R est

_grand

et

_plus

la transfor-mation est

_avantageuse,

mais avec de

_{grands R}

on se heurte à des difflcultés : la

_réponse

devient

lente et le courant

_grille

de la

_première

_lampe

intervient à son

_tour;

il faut alors

_prendre

des

lampes spéciales

dites

_lampes

électromètres. Le courant

_{Io n’ est}

pas un courant

_parfaitement

continu,

il subit des fluctuations ou effet

_Schottky,

qui

sont évidemment

_amplifiées.

Ces fluctuations limitent d’une

_façon

fondamentale le

_{plus petit}

flux lumineux mesurable. Mais il existe une autre

source de

_{perturbations}

très

_importante

dans la résistance de

_charge

_R,

_qui

se

_comporte

comme un

générateur

fournissant une f. é. m.

_ayant

un

carac-tère

_{parfaitement irrégulier,}

_{c’est-à-dire que} toutes les

_composantes

de

_fréquences

sont

_également

probables

et avec la même

_amplitude.

Si l’on consi-dère l’intervalle de

_fréquences

_Ai

le carré _moyen de la tension

_{perturbatrice}

ou effet Johnson est

k,

constante de Boltzmann :

i,38o.10-23W:S

par

degré;

R,

la résistance en

_ohms;

T,

la

_température

absolue ambiante.

Alors que le carré moyen des fluctuations du courant de

_photocathode

est

e -

1,60.10-19 Cb,

charge

de l’électron.

Il est nécessaire _{de comparer} la

_grandeur

de ces

deux

_{perturbations.}

Le courant i crée dans la

résis-tance de

_charge

une différence de

_{potentiel : i}

R d’oii

le

_rapport

c’ est-à-dire : l’effet

_Schottky

est

_égal

à l’ effet

Johnson y

-1, si le courant débité par la cellule

produit

aux bornes de la résistance une différence

de

potentiel

de 5 . i o-2 V.

Donc le

_plus

_petit

flux lumineux mesurable est

toujours masqué

par l’effet Johnson de la résistance d’entrée. °

Il faut donc chercher à

_amplifier

le courant sans

utiliser de résistance de

_charge.

_{Ce moyen} est donné par le

multiplicateur

d’électrons.

Si

_Io

est le courant de

_{photocathode,}

n le nombre de

_{multiplicateurs}

eut 8 le facteur de

_{multiplication,}

le courant débité _{par la cellule à}

_{multiplicateurs}

est

I # To ’0// .

Mais ce courant

_comporte

des

_{fluctuations,}

nous

allons essayer de calculer le

plus petit

flux lumineux mesurable en nous

_plaçant

dans le cas idéal où il n’existe _pas d’autres sources de

_{perturbations}

_que

celles

_provoquées

par la nature

granulaire

de l’élec-tricité.

Nous admettrons :

10 L’émission

_{électronique provenant}

d’un

multi-plicateur

quelconque

suit la loi de

_Schottky

2° L’effet

_Schottky

est

_multiplié

_{par les}

_étages

successifs comme

_{n’importe quel signal}

_(toutes

les

fréquences

sont

_également

_{amplifiées),}

soit

_{Io le}

courant

_provenant

de la

_{photocathode,}

sa fluctuation est _{donnée par}

A la sortie du

_{premier multiplicateur}

le courant

est Il

== 3

_10,

sa fluctuation

236

A la sortie du

_{multiplicateur}

on trouve une

perturbation

La

_perturbation

à l’entrée est donnée par

Le

_signal

à _{l’entrée par} x.

La

_perturbation

à la sortie est _{donnée par}

Le

_signal

à la sortie D’où

Cette

_expression

_permet

de calculer la

pertur-bation

_apportée

_{par le}

_système

_{multiplicateur.}

Considérons

_quelques

cas

_{numériques :}

on trouve

C’est-à-dire que le

rapport

entrée est

"

"

fUIt

toujours plus grand

" _. que sortie. Une cellule

brmt

à

_{multiplicateurs}

ne

_peut

améliorer le

rapport f

1 bruit d’une couche

_{photosensible.}

La

_{multiplication ajoute}

d’autant moins de

_{perturbations}

_{que 6}

est

_plus

grand

et

_qu’il

_y a moins de

_{multiplicateurs.}

Mais

pratiquement

les

_{perturbations supplémentaires}

pro-duites par ce mode

_{d’amplification}

sont

_{négligeables}

dès que

0> 2,

quel

que soit le nombre

d’étages

(dans

le cas idéal où nous nous sommes

_placés).

Le

_grand

intérêt de la cellule à

_{multiplicateurs}

d’électrons est de rendre accessible aux mesures les très faibles courants

_{photoélectriques,}

sans _y

_ajouter

des

_{perturbations importantes.}

Mais si l’on a affaire à des flux lumineux suifisamment intenses _pour

pouvoir

mesurer ces courants sans

_{amplifications}

ou si le courant

_{photoélectrique produit}

une chute de tension

_supérieure

à 5 . T 0-2 v dans la résistance de

_charge,

la cellule à

_{multiplicateurs perd}

de son

intérêt.

Nous montrerons

_plus

loin

_{qu’une multiplication}

élevée ne

_peut

_compenser une faible sensibilité

de la

_{photocathode.}

Nous nous sommes

_placés

dans le cas idéal. Malheureusement la cellule à

_{multiplicateurs}

_possède

d’autres sources de

_{perturbations}

et les recherches que nous avons

_entreprises

ont _{pour but d’annuler}

ou de diminuer ces

_{perturbations,}

tout en conservant

un facteur a assez

_grand

et une

_{multiplication}

totale élevée.

Une

_qualité

essentielle est de

_posséder

une

photo-cathode à haut

_rendement,

or s’il est délicat de réaliser des

photocathodes

très

sensibles,

il devient très peu

probable

d’obtenir une activation

_optimum,

dans un même

_tube,

_pour la

_photocathode

et les cibles

_{multiplicatrices.}

Nous avons ainsi été amenés à _{choisir pour cibles}

_{multiplicatrices}

un

_alliage

argent-magnésium qui peut

être activé

_{séparément,}

en

_partie,

en dehors de la

_cellule;

_lorsque

l’activation

est terminée on

_porte

toute son attention sur la réalisation de la

_{photocathode.}

On arrive ainsi

avec une source lumineuse à 2500° K à obtenir 8o à oo

_{pA :}

lumen _{pour des cathodes}

antimoine-césium. L’alliage Ag-Mg possède

en outre

_plusieurs

propriétés

avantageuses :

il _{n’est pas}

photoélec-trique

et son émission

_thermique

à la

_température

ordinaire est nulle.

r

Fig. 1.

Le

_{système employé}

_pour assurer les

_trajectoires

correctes des électrons de cibles en cibles doit être aussi _{peu que}

_possible

sensible aux causes

_qui

font dévier les électrons et _{leur font manquer les cibles}

multiplicatrices,

elles ont _pour

_origine

des

_champs

parasites

électrostatiques

et

_{magnétiques.}

Les

champs

électrostatiques parasites qui

se

_produisent

à l’inté-rieur de la cellule sont

_{particulièrement}

néfastes et sont souvent

_produits

_{par les}

_{diélectriques}

se

trouvant au

_voisinage

des cibles

_(parois

de la

_cellule,

séparateurs

en

_mica,

_tiges

de verre de

fixation).

Ils

se

chargent

à des

potentiels

inconnus et créent des

champs

incontrôlables. Nous avons été ainsi amenés

237

supprimés (sauf

évidemment la

_paroi

de

_l’ampoule

dont l’action sera

_minimisée).

Les cibles

_{multiplicatrices}

sont faites de trames

semi-transparentes (fig, I }, placées

les unes derrière

les autres à des distances aussi faibles _que

_possible;

même assez f ortement déviés les électrons ne

_peuvent

pas manquer les

cibles,

leur concentration vers

l’axe est obtenue en donnant aux cibles une forme convenable en forme de _cuvette, la courbure a été déterminée

_{empiriquement}

en révélant les

trajec-toires _{des électrons par}

_{fluorescence,}

afin d’assurer

une , _{concentration sufflsante pour} ne _pas

perdre

d’électrons ni créer de

_surcharges

au centre des cibles. Un autre

_avantage

consiste dans le fait que le

montage

n’a pas besoin d’une très

_grande

précision

ce

_qui

_permet

de

_supprimer

les

_séparateurs

en verre ou mica. Les électrodes

_{multiplicatrices}

sont de

_plus

en

_plus

serrées pour

_augmenter

le

champ

d’extraction des électrons secondaires. L’anode est bien

_protégée

par un anneau de

garde~

Nous avons été amenés à transformer ce

dispo-sitif pour

plusieurs

raisons :

n Très

_grande

drq’ICUIté de se _{procurer des toiles} en

_{argent-magnésium}

convenables;

2° L’extraction des électrons secondaires n’est pas

bonne;

30 Il est difflcile d’activer convenablement une

toile.

’

Fig. 2.

Nous avons réalisé un

_{montage d’après}

le schéma

de la

_figure

2. Les

_parties

_{multiplicatrices}

sont formées de lames

_parallèles

et

inclinées,

une

_grille

lâche et en fils fins

_permet

la concentration et l’extraction des électrons secondaires. L’étude des

trajectoires électroniques

a été faite par la méthode de la membrane de caoutchouc. -Jo

On conserve les

_avantages

du

_premier

schéma : facilité de

_montage,

insensibilité aux

_{perturbations}

magnétiques, suppression

des

_{séparateurs;}

on a en

plus

une meilleure extraction et une activation

plus

facile à réaliser.

Nous avons _{réalisé ainsi des cellules à 7,} 12

et 18

_étages.

,

Nous avons

admis,

dans le cas

idéal,

_{que la cellule} non éclairée ne débitait aucun _courant, en réalité

il n’en est _pas

ainsi,

la cellule à l’obscurité débite

toujours

un faible courant dit courant résiduel. C’est de

_{lui .que dépend,}

dans un

_montage

correc-tement

exécuté,

le

_{plus petit}

flux lumineux mesu-rable. Les diverses causes de ce courant ont été très bien mises en _{évidence par}

_Rajchmann;

ce

courant a _pour

_{origine :}

i° La réaction

_ionique,

_{bien que} le vide dans la cellule soit très

_bon,

il existe

_{toujours quelques}

ions

qui

ont tendance à remonter vers la

_photocathode

qu’ils

bombardent et

_provoquent

ainsi une émission

électronique multipliée

normalement contribuant ainsi au courant résiduel. Il faut

_empêcher

les ions d’atteindre la

_{photocathode;}

dans notre

_montage

ils sont très efficacement arrêtés _{par les}

multi--plicateurs

eux-mêmes;

20 L’émission

froide,

ce sont des électrons

_qui

sont arrachés des diff érentes électrodes

_{par le champ}

électrique.

Pour l’éviter il faut éliminer toutes

aspérités

ou

_pointes,

la

_disposition

des

_supports

est telle que les électrons arrachés sur les bords ne

_puissent

_pas

_participer

au _{processus de}

multi-plication.

Il faut que deux conducteurs ou deux

électrodes

_portés

à des

_potentiels

très différents

soient

éloignés

autant _que

_possible

l’un de l’autre. C’est ce _que nous avons réalisé au mieux dans la

grande

cellule à 18

_étages;

3~ Le courant

_d’origine

_{ohmique :}

dans notre

montage

il ne

_peut

se

_produire

_{que dans le}

_pied

de la

cellule,

l’expérience

nous

_ayant

montré

_qu’il

est

_d’origine

_{superficielle,}

nous avons

_allongé

au

maximum les

_lignes

de fuite d’une électrode à l’autre

comme on le fait _pour les isolateurs « haute tension».

Il est bon de _remarquer

_qu’une

cellule à

multi-plicateurs

utilise des tensions extraordinairement élevées par

rapport

aux faibles intensités mises en

jeu

et il _{n’est pas raisonnable de diminuer par}

_trop

les. dimensions de la

_cellule,

ce

_qui

entraîne néces-sairement des isolements insuffisants et des

_gradients

de

_{potentiel trop}

élèvès : sources _{d’émissions}

para-sites. La dernière source de courant résiduel se

trouve dans l’émission

_thermique

de la

_{photocathode,}

elle est liée au travail d’extraction de la

couche,

c’est-à-dire à sa limite de sensibilité vers l’infra-rouge, et les cellules

_{antimoine-césium,}

_qui

sont

beaucoup

moins sensibles vers le rouge que les

cellules du

_{type Ag-Cs}

20-CS ont un courant

ther-mique

bien moindre. On

_peut

_espérer

_développer

des couches _{très peu} sensibles aux

_{grandes longueurs}

d’onde du

_spectre

et

_ayant

une émission

_thermique

très faible. Il faut dans ce cas éviter à un haut

_degré

la

_présence

_d’oxygène

dans la couche.

Ces différentes études et mises au

_point

nous ont conduit aux résultats suivants :

Cellule antimoine-césium. - Source de Iumière :

238

Quelques

considérations sur

_l’emploi

des cellules à

_{multiplicateurs.}

- L’alimentation _en

tension des différents

_étages

constitue un

_problème

essentiel car

le

facteur de

_{multiplication 8}

varie très vite avec la tension. Si l’on veut des résultats

cohérents il faut une tension d’alimentation

cons-tante,

cette source sera d’autant

_plus

facile à réaliser que la cellule aura moins

_d’étages.

C’est

_pourquoi

il faut se limiter au nombre

_d’étages

multipli-cateurs

_{indispensables.}

La source

la

_plus

_simple

consiste en une batterie de

_piles.

Ces

_piles

alimentent directement les

_{multiplicateurs}

sans

_dispositifs

potentiométriques,

il faut

_prendre

soin d’introduire pour

chaque multiplicateur

une résistance _de pro-tection de 50 k Q

environ,

afin d’éviter de graves ennuis en cas de courts-circuits. Si l’on désire une

alimentation

_prise

sur le secteur, on

_peut

utiliser le courant redressé et _{filtré pour}

_alimenter,

une

chaîne de

_lampes

à néon en série avec une forte

résistance stabilisatrice. Les tensions d’utilisation

peuvent

être

_prises

directement aux bornes des

lampes,

ce

_dispositif

a l’inconvénient de ne

pou-voir

_régler

la tension

_appliquée

sur

_chaque

mul-tiplicateur

que par sauts de 60 V

environ,

représentant

la chute de tension dans

_chaque

lampe.

Lorsque

le flux lumineux à mesurer est sulri-samment

intense,

ou _{que la cellule à}

_{multiplicateurs}

possède

un assez

_grand

nombre

d’étages,

on

_peut

effectuer la mesure du courant à l’aide d’un

_galva-°

nomètre. Il est intéressant de

calculer,

pour un

galvanomètre

donné,

le facteur de

_{multiplication}

que doit

posséder

la cellule pour atteindre la sensi-bilité maximum limitée par l’effet

Schottky.

Soit

Io

le courant en

_ampères

débité par la

_{photocathode,}

T la constante de

_temps

du

_montage,

elle est en

général

donnée par la

_période

e du

galvano-mètre z

= , e

la

charge

de l’électron en

coulombs,

27t

on

_peut

montrer _que

i2

_{étant le carré moyen} de la fluctuation du courant

_10.

Le courant minimum

₁₀

sera le courant

_thermique

de la

_photocathode

à la

_température

_ordinaire,

son ordre de

_{grandeur peut}

être

_pris

_égal

à

~ 0-14 ou I 0-~5 A. Prenons

_{Io- = ~ 0-15 A,}

T = ₂

s,

Prenons un

_{galvanomètre}

dont la sensibilité soit

de 0-1° A : mm à 1 m. Pour _que la fluctuation

inévitable de courant donne une fluctuation de zéro

du

_{galvanomètre}

de i mm, il _{faut que} le coefficients de

_{multiplication}

de la cellule soit

Cc

_qui

est assez difficile d’obtenir sans autres

pertur-bations.

Si l’on refroidit la

cellule,

la situation est encore

plus

critique.

On sera donc très souvent conduit à

l’amplifi-cation _par

_lampes,

si l’on veut obtenir de la cellule toute sa sensibilité.

Plaçons-nous

dans ce cas et soit R la valeur de la résistance de

_charge,

_III

la bande

_passante

de

_{l’amplificateur.}

La fluctuation

trouvée à la sortie du

_{multiplicateur}

est

L’effet Johnson dans la résistance

_{est 4}

k et l’on doit avoir

a v ec

Supposons

la cellule à la

température

ordi-naire

_Io

== 10-15 A. Prenons R =

_qui

_ne

donne aucune difflculté due au courant

_grille

et à la stabilité de

_{l’amplificateur,}

on trouve

On voit _{que dans} ce cas une

_{amplification}

de o ooo

est

_largement

suffisante. Naturellement

l’amplifi-cateur lui-même doit

_posséder

une

_{amplification}

..

suffisante pour faire

apparaître

ces fluctuations aux

bornes de

_l’appareil

de sortie.

Si la cellule

_peut

être

_refroidie,

_Io

diminue;

il faudra

_augmenter

le nombre des

multiplicateurs

de la cellule.

Nous avons cherché

_quelle

était la

_{multiplication}

nécessaire

_qui

_permettait

d’atteindre la sensibilité ultime de la

_{photocathode,}

la

_{multiplication}

per-mettant de mesurer les

_{photocourants}

correctement

sans _y

_ajouter

des

_{perturbations. Plaçons-nous}

dans

ces

_conditions,

soit

In

le courant

_{photoélectrique}

de la

_{photocathode.}

_ip

le courant à la sortie du

le courant

_d’origine

_thermique

est

_i;

à la sortie il

cause un courant résiduel

A la sortie nous aurons des fluctuations données _pars

et le

_rapport

M

_disparaît

comme on doit

s’y

attendre et nous

voyons que ce

_rapport

_{augmente :}

I° Si

_I.

_augmente,

c’est-à-dire,

pour un flux

lumineux

donné,

si la sensibilité de la

_photocathode

augmente;

2° Si i

diminue;

’

3°

_{Si Af}

diminue.

Fig..3.

Grâce à

_l’emploi

de

_l’alliage

argent-magnésium,

on

_peut

réaliser des

_{photocathodes}

très sensibles

(ioo pA :

lumen et

_plus).

De

_plus,

cet

_alliage

fournit

des

_{multiplicateurs qui}

ne

_possèdent

_{par eux-mêmes}

d’émission

_thermique,

_{ainsi que} nous l’avons

_supposé.

i

_peut

être rendu

_{plus petit}

en refroidissant la

couche. On

_peut

aussi le rendre

_{plus petit}

_{par des}

méthodes

_d’optique

_{électronique.}

L’amélioration du

_rapport

bruit

_peut

être obtenue

rUl

très

_efficacement

en

_{diminuant A/,}

cette

possibilité-n’a pas encore été

_exploitée

à

fond,

car elle conduit à des

_{montages délicats,}

la

_fréquence

de modulation

ne doit pas

_glisser

au cours des mesures _par

_rapport

aux

_{fréquences passantes}

de

_{l’amplificateur.}

Lorsque

les

_fréquences

à

_amplifier

sont

basses,

par

exemple

de l’ordre de i _{p : s,} il est très difficile de réaliser un

_{amplificateur}

stable,

dans ces

condi-tions la cellule à

_{multiplicateurs permet}

de réaliser

facilement un

_{amplificateur symétrique beaucoup}

plus

stable

_3).

_{L’amplificateur}

_comporte

une

résistance commune dans le circuit de cathode

_qui

contribue

_beaucoup

à la stabilisation.

_L’attaque

des deux

_grilles

dont les

_signaux

ont même

ampli-tude et sont

_déphasés

de i8oo s’obtient facilement

en

_prenant

le

_signal

d’une

_part

sur l’anode du

multi-plicateur,

d’autre

_part,

sur la dernière

_dynode,

la

multiplication a

de cette

_plaque

étant

_toujours

assez élevée

(de

l’ordre de

_5).

Les deux

courants,

déphasés

de

_r8o~,

fournissent des tensions de mêmes

amplitudes

dans les résistances de

_{charges Ri}

de

l’anode et

_.R2

de la

_dynode

en

_prenant

Signalons

encore un

_montage

très

_simple

et sensible

(fig.

4).

La sortie du

_{multiplicateur}

se fait

Fig.4.

sur un condensateur de faible

_capacité

₍₁₀₀

_cm)

bien isolé et shunté _par une

_lampe

néon. Le courant du .

_{multiplicateur charge}

le condensateur

_qui

se

décharge

dans la

_lampe

_lorsque

la tension

_d’allumage

est

atteinte,

on a ainsi dans un

_temps

donné un

certain nombre

d’éclairs,

qu’il

sufflt de

_compter

pour avoir une mesure du flux lumineux. Ce

_décompte

peut

être fait

_{automatiquement}

en

_amplifiant

sans

précautions spéciales

le courant _{débité par} la

_lampe

et en actionnant ainsi un

_petit

_compteur

télépho-nique.

La sensibilité

_peut

être diminuée en

augmen-.

tant la

_capacité

du condensateur.