PESKOV, Vladimir (Ecole Nationale Supérieure des Mines, 158 cours Fauriel, SAINT ETIENNE CEDEX 2, F-42023, FR)
BREUIL, Philippe (2 Impasse La Parure, Sorbiers, Sorbiers, F-42290, FR)
BENABEN, Patrick (18 allée des Charmes, L'Horme, L'Horme, F-42152, FR)
CHARPAK, Georges (2 rue Pierre et Marie Curie, Paris, Paris, F-75005, FR)
PESKOV, Vladimir (Ecole Nationale Supérieure des Mines, 158 cours Fauriel, SAINT ETIENNE CEDEX 2, F-42023, FR)
BREUIL, Philippe (2 Impasse La Parure, Sorbiers, Sorbiers, F-42290, FR)
BENABEN, Patrick (18 allée des Charmes, L'Horme, L'Horme, F-42152, FR)
REVENDICATIONS
1. Dispositif de multiplication des électrons pouvant fonctionner dans l'air, destiné à être utilisé dans un système de détection de rayonnements ionisants, comprenant une plaque (2) de matériau diélectrique comportant une première et une deuxième faces principales opposées (3, 4) et dans laquelle sont ménagés une pluralité d'orifices (5) traversants présentant chacun un axe (6) sensiblement perpendiculaire auxdites faces principales (3, 4) de la plaque, caractérisé en ce qu'il comprend en outre, au moins sur la première face principale (3), un revêtement comprenant au moins une couche (9, 9a, 9b, 12, 12a, 12b, 30) et présentant des trous (10, 31) disposés en correspondance des orifices (5) ménagés dans la plaque (2), ledit revêtement possédant des caractéristiques de résistivité initiale suffisamment faibles pour permettre, en fonctionnement, la création d'un champ électrique d'amplitude importante dans les orifices (5) de la plaque (2) et en conséquence la multiplication d'électrons par avalanches, et suffisamment importantes pour sensiblement empêcher, en fonctionnement, la formation d'avalanches secondaires.
2. Dispositif de multiplication selon la revendication 1 , caractérisé en ce qu'il comprend, sur la première face principale (3), une couche globale (30) de revêtement réalisée en un matériau dont la résistivité est comprise entre 10 7 et 10 11 ω.m, présentant des trous (31) disposés en correspondance des orifices (5) ménagés dans la plaque (2).
3. Dispositif de multiplication selon la revendication 1 , caractérisé en ce qu'il comprend, sur la première face principale (3) : une première couche (9, 9a, 9b) de revêtement, réalisée en un premier matériau dont la résistivité est comprise entre 10 5 et 10 8 ω.m, la première couche présentant des trous (10) disposés en correspondance des orifices (5) ménagés dans la plaque (2) ; et une deuxième couche (12, 12a, 12b) de revêtement disposée sur la première couche (9, 9a, 9b), réalisée en un deuxième matériau différent du premier, dont la résistivité est comprise entre 10 8 et 10 12 ω.m et est au moins 10 fois plus importante que la résistivité du premier matériau, la deuxième couche présentant des trous (13) disposés en correspondance des orifices (5) ménagés dans la plaque (2).
4. Dispositif de multiplication selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la deuxième face principale (4) est dépourvue de revêtement.
5. Dispositif de multiplication selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comprend, sur la deuxième face principale (4), une première couche (9, 9b) de revêtement, réalisée en un premier matériau dont la résistivité est comprise entre 10 5 et 10 8 ω.m, la première couche présentant des trous (10) disposés en correspondance des orifices (5) ménagés dans la plaque (2).
6. Dispositif de multiplication selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comprend en outre, sur la deuxième face principale (4), une deuxième couche (12, 12b) de revêtement disposée sur la première couche (9, 9b), réalisée en un deuxième matériau différent du premier, dont la résistivité est comprise entre 10 8 et 10 12 ω.m et est au moins 10 fois plus importante que la résistivité du premier matériau, la deuxième couche présentant des trous (13) disposés en correspondance des orifices (5) ménagés dans la plaque (2).
7. Dispositif de multiplication selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comprend, sur la deuxième face principale (4), une couche globale (30) de revêtement réalisée en un matériau dont la résistivité est comprise entre 10 7 et 10 11 ω.m, présentant des trous (31) disposés en correspondance des orifices (5) ménagés dans la plaque (2).
8. Dispositif de multiplication selon l'une des revendications 3 à 7, caractérisé en ce que la résistivité du premier matériau est comprise entre 10 6 et 10 7 ω.m et/ou en ce que la résistivité du deuxième matériau est comprise entre 10 8 et 10 10 ω.m.
9. Dispositif de multiplication selon l'une des revendications 3 à 8, caractérisé en ce que le premier matériau est de l'arséniure de gallium.
10. Dispositif de multiplication selon l'une des revendications 3 à 9, caractérisé en ce que le deuxième matériau est un matériau à conductivité électronique, tel que certains verres.
11. Dispositif de multiplication selon l'une des revendications 3 à
10, caractérisé en ce que la plaque (2) est réalisée en un matériau de type résine époxy ou verre.
12. Dispositif de multiplication selon l'une des revendications 1 à
11 , caractérisé en ce que les orifices (5) ménagés dans la plaque (2) présentent une portion centrale (7) sensiblement cylindrique prolongée à chacune de ses deux extrémités axiales par une portion tronconique (8) de même axe (6) s'évasant en direction de la face principale (3, 4) de la plaque (2) dans laquelle elle débouche.
13. Dispositif de multiplication selon l'une des revendications 3 à
12, caractérisé en ce que les trous (10) de la première couche (9) sont centrés sur l'axe (6) des orifices (5) de la plaque (2) et présentent des dimensions supérieures à celles des orifices (5) de la plaque (2) au niveau de la ou des faces principales (3, 4) de ladite plaque, et en ce que les trous (13) de la deuxième couche (12) sont centrés sur l'axe (6) des orifices (5) de la plaque (2) et présentent des dimensions sensiblement égales à celles des orifices (5) de la plaque (2) au niveau de la ou des faces principales (3, 4) de ladite plaque, de sorte que la deuxième couche (12) est disposée directement contre la plaque (2) dans la zone périphérique (11) aux orifices (5).
14. Dispositif de multiplication selon l'une des revendications 1 à
13, caractérisé en ce qu'il présente une épaisseur comprise entre 0,5 et 4 mm.
15. Dispositif de multiplication selon l'une des revendications 1 à
14, caractérisé en ce que les orifices (5) ménagés dans la plaque (2) présentent un diamètre moyen compris entre 0,3 et 1 mm.
16. Dispositif de multiplication selon l'une des revendications 1 à
15, caractérisé en ce que les orifices (5) ménagés dans la plaque (2) sont disposés sensiblement aux coins d'un quadrillage de côté compris entre 0,5 et 1 ,5 mm.
17. Dispositif de multiplication selon l'une des revendications 1 à 16, caractérisé en ce qu'il est sensiblement plan.
18. Système de détection de rayonnements ionisants ou d'espèces ionisables comprenant : une première électrode (16), dite de dérive, et une deuxième électrode (17), dite de collecte, sensiblement parallèles, et entre lesquelles peut être généré un champ électrique (E) apte à entraîner vers l'électrode de collecte (17) les électrons (20) créés par lesdits rayonnements (19, 23), l'électrode de collecte (17) étant apte à fournir des données représentant le nombre d'électrons qui l'atteignent ; des moyens de traitement des données (18) fournies par l'électrode de collecte (17) ; caractérisé en ce qu'il comprend au moins un dispositif (1) de multiplication des électrons selon l'une des revendications 1 à 17, disposé sensiblement parallèlement aux électrodes (16, 17) de sorte que la plaque (2) du ou des dispositifs (1) soit située entre les deux électrodes (16, 17) et que la première face (3) de ladite plaque (2) soit tournée vers la première électrode (16), le revêtement (30) - ou la couche de revêtement (9a) possédant la plus faible résistivité - disposée sur la première face principale (3) de la plaque (2) étant porté, en fonctionnement, à un potentiel (V 2 ) compris entre les potentiels (Vi, V 3 , V 4 ) auxquels sont portées, respectivement, l'électrode de dérive (16) et l'électrode de collecte (17), de manière à provoquer la multiplication des électrons par avalanche (21) dans les orifices (5) de la plaque (2).
19. Système de détection selon la revendication 18, lorsqu'elle dépend de l'une des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que l'électrode de collecte (17) est constituée par la couche globale (30) de revêtement - ou la première couche de revêtement (9b) - disposée sur la deuxième face principale (4) de la plaque (2).
20. Système de détection selon la revendication 18, caractérisé en ce que l'électrode de collecte (17) est distincte du dispositif (1) de multiplication.
21. Système de détection selon la revendication 20, lorsqu'elle dépend de l'une des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que la couche globale (30) de revêtement - ou la première couche de revêtement (9b) - disposée sur la deuxième face principale (4) de la plaque (2) est portée, en fonctionnement, à un potentiel (V 3 ) compris entre les potentiels (V 2 , V 4 ) auxquels sont portées, respectivement, la couche globale (30) de revêtement - ou la première couche de revêtement (9a) - disposée sur la première face principale (3) de la plaque (2), et l'électrode de collecte (17).
22. Système de détection selon l'une des revendications 18 à 21 , caractérisé en ce qu'il comprend deux dispositifs (1) de multiplication des électrons sensiblement identiques, disposés sensiblement parallèlement aux électrodes (16, 17) de sorte que les plaques (2) soient situées entre les deux électrodes (16, 17), et que la première face principale (3) de chaque plaque (2) soit tournée vers la première électrode (16), les couches globales (30) de revêtement ou les premières couches (9, 9a, 9b) de revêtement successives étant portées, en fonctionnement, à des potentiels croissants lorsque l'on se rapproche de l'électrode de collecte (17).
23. Système de détection selon l'une des revendications 18 à 21 , caractérisé en ce qu'il comprend en outre un dispositif de multiplication des électrons du type comprenant d'une part une grille résistive formant une cathode et d'autre part une anode, la cathode et l'anode étant sensiblement planes, parallèles et maintenues distantes de moins de 500 μm à l'aide de micro-piliers.
24. Système de détection selon l'une des revendications 18 à 23, caractérisé en ce que l'électrode de collecte (17) comporte des zones de collecte (29) localisées distinctes.
25. Système de détection selon l'une des revendications 18 à 24, caractérisé en ce que les électrodes (16, 17) et le ou les dispositifs (1) de multiplication des électrons sont disposés dans un boîtier (15) présentant une vitre (24) pour le passage des UV (23) du soleil constituant les rayonnements ionisants à détecter, la vitre (24) étant disposée en regard de l'électrode de dérive (16), comportant un matériau photosensible tel que l'iodure de césium, de sorte que les UV puissent créer des photoélectrons à partir de l'électrode de dérive (16).
26. Système de détection selon l'une des revendications 18 à 25, caractérisé en ce que les électrodes (16, 17) et le ou les dispositifs (1) de multiplication des électrons sont disposés dans un boîtier (15) présentant une zone de passage (25) pour l'entrée des rayonnements ionisants et contenant un gaz à faible potentiel d'ionisation, tel qu'une vapeur d'éthylferrocène.
27. Système de détection selon la revendication 26, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une lentille (27) placée sur le trajet des rayonnements ionisants vers l'intérieur du boîtier (15), l'axe (32) de la lentille (27) étant sensiblement parallèle au ou à chaque dispositif (1) de multiplication des électrons et situé à une distance (d2) du dispositif (1) de multiplication des électrons le plus proche de l'électrode de dérive (16) inférieure à 3 mm.
28. Système de détection selon les revendications 24 et 26, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une lentille (27) placée sur le trajet des rayonnements ionisants vers l'intérieur du boîtier (15) et en ce que les zones de collecte localisées sont des bandes (29) disposées en éventail et convergeant vers le centre de la lentille (27), chaque bande étant connectée à un dispositif de lecture distinct.
29. Système de détection selon l'une des revendications 18 à 24, caractérisé en ce que les électrodes (16, 17) et le ou les dispositifs (1) de multiplication des électrons sont placés dans un boîtier (15) présentant une zone de passage (25) pour l'entrée de rayons UV ou X émis par une source (36) agencée pour que lesdits rayons pénètrent dans le boîtier (15) sensiblement parallèlement au ou à chaque dispositif (1) de multiplication des électrons et à une distance (d2) du dispositif (1) de multiplication des électrons le plus proche de l'électrode de dérive (16) inférieure à 3 mm, et en ce que le boîtier (15) présente une ouverture d'entrée (34) pour un gaz à analyser.
30. Utilisation d'un système de détection selon l'une des revendications 26 à 28 pour la détection d'une flamme.
31. Utilisation d'un système de détection selon la revendication 29 pour la détection de la présence dans l'air de gaz à faible potentiel d'ionisation, tels que certains alcools ou hydrocarbures, le toluène, le benzène. |
Dispositif de multiplication des électrons et système de détection de rayonnements ionisants
La présente invention concerne un dispositif de multiplication des électrons pouvant fonctionner dans l'air et un système de détection de rayonnements ionisants comprenant un tel dispositif de multiplication. Les rayonnements pouvant être détectés sont les suivants : α, β, γ, rayons X, UV. On peut également détecter tout élément émettant l'un de ces rayonnements, comme le radon, le polonium, etc., et toute autre espèce ionisante ou ionisable par excitation extérieure. L'invention concerne également l'utilisation d'un tel système pour la détection d'une flamme.
On connaît déjà différents types de systèmes de détection de rayonnements ionisants, comprenant un boîtier dans lequel sont logées deux électrodes portées à des potentiels différents, créant ainsi entre elles un champ électrique. Le boîtier est rempli d'un gaz qui est ionisé sous l'effet des rayonnements, produisant ainsi des électrons. Ces électrons sont entraînés par le champ électrique jusqu'à l'électrode de plus fort potentiel, qui comptabilise le nombre d'électrons qui l'atteignent. On peut ainsi détecter et mesurer le rayonnement ionisant.
Un tel système est par exemple décrit dans le document WO 2005/116690. Ce système comporte une chambre d'ionisation avec deux plaques planes parallèles. On - prélève un volume de gaz à analyser (notamment de l'air) que l'on injecte dans la chambre, qui est ensuite fermée de façon étanche. Si au moins un atome de radon est injecté dans la chambre, il se désintègre en émettant un rayonnement α, ce qui conduit à la production d'électrons piégés par l'oxygène et transformés en ions négatifs, entraînés vers l'électrode de collecte, et d'ions positifs attirés par l'autre électrode. Avec ce système, le signal obtenu est très faible, et donc fortement perturbé par le bruit. Il est donc très difficile d'obtenir une efficacité de 100 % pour la détection des particules α. En outre, la mise en œuvre de ce système est longue et malaisée, du fait de la nécessité de prélever un échantillon à injecter dans la chambre d'ionisation. De plus, dans certains cas, une purge préalable à la mesure est nécessaire.
Le même système, en présence de vapeur d'un composé à faible énergie d'ionisation comme l'ethylferrocène (6.08 eV), permet de détecter les rayonnements ultraviolets dans divers gaz, dont l'air, mais avec une faible
sensibilité (Charpak, Peskov, Scigocki in IEEE transactions on Electrical Insulation, vol 26, No 4, août 1991).
Par conséquent, ce type de système de détection, même s'il peut fonctionner dans l'air, n'est pas pleinement satisfaisant.
Par ailleurs, de nombreux systèmes de détection reposent sur le principe d'une avalanche d'électrons contrôlable. Une telle avalanche, dite avalanche de Townsend contrôlable, est un mécanisme permettant la multiplication des électrons dans un gaz, qui se produit dans des champs électriques suffisamment importants, où les électrons libres possèdent une énergie cinétique suffisante (supérieure à 5 à 25 eV) pour ioniser des atomes ou des molécules par des collisions non élastiques.
Si le nombre d'électrons initiant l'avalanche est no, alors le nombre total d'électrons créés par l'avalanche est A.n 0 , où A est le coefficient d'amplification, également appelé gain. Ce gain A dépend de plusieurs paramètres, tels que le champ électrique, le gaz présent dans le boîtier du système de détection (composition, propriétés, pression) et la géométrie de la zone dans laquelle se produit l'avalanche.
Pour de faibles valeurs de gain A (typiquement A < 10 6 ), l'avalanche prend fin dans la volume gazeux sans complication ultérieure et sans mécanisme secondaire : il s'agit d'une avalanche contrôlable. En revanche, pour des valeurs critique de A.n 0 , ou de A selon la géométrie du dispositif, l'avalanche primaire peut être accompagnée de plusieurs avalanches secondaires, voire même générer des décharges incontrôlables dans des conditions particulières.
Ainsi, on comprend qu'il est souhaitable d'avoir un gain A élevé, car cela conduit à un nombre important d'électrons détectables au niveau de l'électrode de plus fort potentiel, donc potentiellement à une meilleure détection et une meilleure efficacité du système de détection. Mais un gain A trop élevé peut provoquer une détérioration du système de détection et de l'électronique associée. Plus généralement, il est souhaitable d'éviter la formation d'avalanches secondaires (dues à un gain A élevé ou à un autre phénomène), car celles-ci entraînent une détérioration du système de détection.
Il existe plusieurs types de systèmes de détection exploitant le mécanisme d'avalanche de Townsend contrôlable pour la multiplication des électrons. Tous ces systèmes fonctionnent avec des mélanges de gaz tout à
fait particuliers, par exemple des mélanges de gaz rares (comme l'argon) avec d'autres gaz (notamment le méthane).
Un premier type de ces systèmes de détection est le système de chambre à plaques parallèles, où les avalanches ont lieu dans l'espace compris entre deux plaques métalliques formant l'une une électrode positive (anode) et l'autre une électrode négative (cathode).
L'avalanche de Townsend peut être déclenchée par des électrons primaires créés à l'intérieur du volume de la chambre par une radiation extérieure (rayons X ou photons UV) ou par des particules chargées (électrons, protons, particules α). Comme indiqué précédemment, dans certains mélanges spécifiques de gaz et à de faibles valeurs de A, un tel détecteur peut fonctionner de façon stable.
En revanche, à des valeurs de gain A supérieures à une valeur critique A cπt] des avalanches secondaires apparaissent, et ce dans tous les gaz. Ceci est dû à deux causes.
La première cause est que, pendant que l'avalanche de Townsend se produit, les atomes et les molécules sont excités par les électrons de l'avalanche et émettent des UV ou des photons dans le visible. Le nombre de ces photons est k.A.n 0 , où k est un coefficient (généralement supérieur à 1). Ces photons atteignent la cathode et, par un phénomène particulier, créent des photoélectrons à partir de la cathode. Si la probabilité d'occurrence de ce phénomène est γ Ph , alors le nombre d'électrons qui seront extraits de la cathode est k.A.n 0 . γ P h- A leur tour, ces photoélectrons initient des avalanches de Townsend (secondaires). Si A.γ ph « 1 , alors ces photons ne jouent pas un rôle significatif. Mais si :
A.γ ph = 1 (1) alors une décharge non souhaitée se produit, qui peut endommager le système de détection ou l'électronique associée.
La deuxième cause est qu'il reste des ions positifs dans l'espace compris entre les deux plaques lorsque l'avalanche primaire est terminée. Ces ions se déplacent en direction de la cathode et peuvent également extraire des électrons de la cathode si :
E, > 2 φ (2) où E 1 est le potentiel d'ionisation des atomes ou molécules du gaz.
La probabilité d'un tel phénomène est γ+. Là encore, si γ+ « 1 , ces électrons secondaires ne jouent pas un rôle significatif. Mais si :
A.γ + = 1 (3) alors une décharge se produit.
Ainsi, on n'obtient des avalanches contrôlables dans les systèmes de détection à plaques parallèles que si :
A.γ ph « 1 (4) et si A.γ + « 1 (5)
On notera que les valeurs critiques de γ Ph et γ + dépendent de la composition de la couche d'absorption de la cathode.
Une décharge peut également se produire, pour notamment les géométries planes, dans ce type de système de détection si
A.n 0 > Qcπt (6) où Q cr i t vaut typiquement 10 8 électrons. Ce type de décharge est dû à la charge d'espace créée par l'avalanche.
Depuis un certain nombre d'années, on a tenté de faire fonctionner ce premier type de système de détection dans l'air. Mais il n'a été possible d'obtenir un fonctionnement stable dans l'air qu'à de faibles valeurs de gain (A < 50), car les coefficients γ Ph et γ+ sont très grands dans le cas de l'air, et également car leurs valeurs varient rapidement dans le temps du fait des modifications de la couche d'absorption de la cathode (par exemple en raison du bombardement ionique ou de variations du taux d'humidité). La détérioration du système dans l'air résulte de la série d'avalanches secondaires (équations (1) et (3)), par mécanisme de rétroaction. En conséquence, le gain maximal que l'on puisse obtenir dans l'air est bien plus faible que celui que l'on peut obtenir dans des mélanges choisis de gaz, où γ Ph et γ+ sont faibles, et où la détérioration ne se produit que du fait de la charge d'espace (équation (6)), ce qui permet d'atteindre un gain très élevé.
Ainsi, dans ce premier type de systèmes de détection, pour obtenir un gain élevé et une stabilité du phénomène, il est indispensable de choisir des gaz possédant de faibles valeurs de γ Ph et γ + , et le fonctionnement correct dans l'air n'est donc pas possible.
Un deuxième type de ces systèmes de détection est le système à fil, dans lesquels les avalanches ont lieu dans l'espace compris entre un cylindre métallique (la cathode) et le fil (l'anode) disposé sur l'axe du cylindre.
Contrairement aux systèmes à plaques parallèles, il existe dans les systèmes à fil un effet de focalisation des lignes de champ dans une zone située autour de l'anode. En conséquence, ce système de détection fonctionne
différemment. Ainsi, les électrons primaires créés par l'ionisation du gaz par les rayonnements sont tout d'abord entraînés vers cette zone localisée à proximité de l'anode, et uniquement dans cette zone déclenchent des avalanches de Townsend. Ce système de détection fonctionne sans avalanches secondaires si les conditions (4) et (5) sont remplies, tandis que, si les équations (1) ou (3) sont vérifiées, il se produit des décharges de couronne. Si la conditions (6) est remplie, des courants de décharge sont créés dans la zone de multiplication, mais ceux-ci s'éteignent dans le volume du détecteur avant d'atteindre la cathode car le champ électrique diminue rapidement lorsque l'on s'éloigne de l'anode.
Dans ce deuxième type de systèmes de détection, pour obtenir un gain élevé et une stabilité du phénomène, il est donc également indispensable de choisir des gaz possédant de faibles valeurs de γ Ph et γ+, et le fonctionnement correct dans l'air n'est donc pas possible.
De plus, la mise en œuvre des systèmes de détection à fil dans l'air présente la particularité suivante. Les électrons primaires créés par l'ionisation du gaz vont subir, lorsqu'ils sont entraînés vers l'anode, un piégeage important par l'oxygène et la vapeur d'eau, et ainsi former des ions négatifs. Ces ions sont entraînés vers le fil (l'anode), mais lorsqu'ils pénètrent dans la zone de fort champ électrique autour de l'anode, ils ne peuvent pas déclencher d'avalanche de Townsend du fait de leur faible énergie cinétique. Cette avalanche peut uniquement être déclenchée soit par les quelques électrons qui se sont détachés des ions négatifs dans le fort champ électrique (au nombre de b.no, où b « 1), soit par les quelques électrons qui n'ont pas été piégés (au nombre de c.n 0 , où c « 1). Dans ces deux cas, le nombre d'électrons capables de déclencher une avalanche est bien inférieur au nombre initial d'électrons (no). En conséquence, pour observer un signal (et ainsi détecter les rayonnements), il est nécessaire d'avoir un gain A beaucoup plus élevé que dans le cas de gaz non électronégatifs.
Or, à nouveau, il n'est possible de faire fonctionner ce système de détection à fil de façon stable qu'avec des gains A inférieurs à 50, car les coefficients γ P h et γ+ sont très grands dans le cas de l'air, et la détérioration se produit principalement du fait du mécanisme de rétroaction (équations (1) et (3)). Or, un gain A de 50 est généralement insuffisant pour détecter le rayonnement, car le signal fourni par le système de détection est proportionnel à A.n o .(b+c), où b et c sont très faibles.
II existe donc deux raisons pour lesquelles le fonctionnement des systèmes de détection à fil dans l'air n'est pas satisfaisant.
Un autre type de systèmes de détection exploitant le mécanisme d'avalanche de Townsend contrôlable met en œuvre des dispositifs de multiplication des électrons comportant une plaque munie d'orifices traversants. De tels systèmes de détection sont décrits dans les documents FR 2 727 525 et EP 0 948 803. La plaque est recouverte, sur ses deux faces principales opposées, de feuilles de métal portées à des potentiels différents, et elle est disposée entre deux électrodes. En présence d'un champ électrique entre les deux électrodes, les orifices se comportent comme des dipôles électrostatiques et les lignes de champ sont focalisées dans ces orifices. Ainsi, dans ces orifices, il existe un champ électrique important et il peut donc se produire une multiplication des électrons par avalanche.
De telles plaques forment un écran pour les photons issus de l'ionisation du gaz, si bien que seule une portion B de ces électrons peut atteindre la cathode, B étant un facteur géométrique (B » 1). Ainsi, la condition (1) pour l'apparition d'une décharge devient :
B.A.γ ph = 1 (7)
Les conditions (3) et (6) quant à elles sont inchangées. Toutefois, dans les systèmes de détection avec plaques à orifices, la valeur de Q cr i t est de 10 6 à 10 7 électrons (selon la géométrie), donc plus faible qu'avec les détecteurs à plaques parallèles ou à fil, donc le gain maximum que l'on peut obtenir est plus faible. L'une des raisons pour lesquelles la valeur de Q C ht est plus faible découle de la petite taille des orifices (de l'ordre de 70 μm), qui est un facteur favorable pour l'apparition de la charge d'espace. Une autre raison est la présence de bords métalliques à angle vif autour des orifices, qui favorise également la détérioration.
Lorsque ce système de détection fonctionne dans l'air, comme dans le cas des systèmes de détection à fil, les électrons primaires créés par l'ionisation et qui sont entraînés vers les orifices sont piégés par des molécules d'oxygène et forment des ions négatifs. Ainsi, seule une faible proportion des électrons primaires sera libre et pourra participer au déclenchement d'une avalanche dans les orifices.
De plus, comme indiqué précédemment, comme la valeur de γ+ est élevée dans l'air, il n'est possible d'obtenir que de faibles gains A (de l'ordre de 20). Il est à noter que le coefficient γ Ph n'intervient pas ici du fait du coefficient B
(équation (7)). Mais, en pratique, un gain A de 20 ne peut être obtenu que dans de l'air sec. Or, dans l'air ambiant présentant une certaine humidité, seuls des gains A inférieurs à environ 5 à 10 peuvent être obtenus, et ils sont très instables dans le temps (du fait des fuites de charge le long des parois des orifices).
Ainsi, pour les différentes raisons précitées, la mise en œuvre dans l'air d'un tel système de détection avec plaques à orifices ne peut conduire qu'à l'obtention d'un signal très faible (faible gain), non exploitable en pratique. De plus, les décharges se produisant dans de tels systèmes sont bien plus préjudiciables que dans les autres systèmes présentés, car elles endommagent de façon irréversible la plaque en créant un chemin conducteur - le long de la paroi des orifices.
En conclusion, aucun des systèmes de détection décrits utilisant les avalanches d'électrons ne peut fonctionner dans l'air avec un gain suffisant pour obtenir un signal exploitable, et sans endommager le système. Il s'ensuit notamment que ces systèmes de détection doivent nécessairement comporter un boîtier parfaitement étanche, empêchant l'entrée d'air. Le coût de ces dispositifs est donc très élevé.
Un objectif de l'invention est de proposer un système de détection qui puisse donner des résultats satisfaisants dans l'air, et non uniquement dans une chambre renfermant un mélange de gaz particuliers. En d'autres termes, l'invention vise à fournir un système de détection qui permette d'obtenir un gain élevé dans l'air (et donc une bonne détection des rayonnements), sans que ce gain élevé risque d'endommager le système de détection ou l'électronique associée.
A cet effet, et selon un premier aspect, l'invention concerne un dispositif de multiplication des électrons pouvant fonctionner dans l'air, destiné à être utilisé dans un système de détection de rayonnements ionisants, comprenant une plaque de matériau diélectrique comportant une première et une deuxième faces principales opposées et dans laquelle sont ménagés une pluralité d'orifices traversants présentant chacun un axe sensiblement perpendiculaire auxdites faces principales de la plaque, et comprenant en outre, au moins sur la première face principale, un revêtement comprenant au moins une couche et présentant des trous disposés en correspondance des orifices ménagés dans la plaque, ledit revêtement possédant des caractéristiques de résistivité initiale suffisamment faibles pour permettre, en
g fonctionnement, la création d'un champ électrique d'amplitude importante dans les orifices de la plaque et en conséquence la multiplication d'électrons par avalanches, et suffisamment importantes pour sensiblement empêcher, en fonctionnement, la formation d'avalanches secondaires.
On entend par « résistivité initiale » la résistivité du matériau utilisé, avant son application sous forme de revêtement. Dans toute la demande de brevet, le terme résistivité signifie la résistivité initiale ainsi définie.
Ainsi, grâce au revêtement porté en fonctionnement à un potentiel approprié, on peut créer un champ électrique important dans les orifices de la plaque, du fait de la résistivité suffisamment faible, et donc une multiplication des électrons par avalanches. De plus, la résistivité suffisamment importante du revêtement permet de charger temporairement et localement la surface de la cathode avec les ions créés et d'empêcher ainsi totalement - ou du moins de limiter considérablement - la formation d'avalanches secondaires, afin d'obtenir une stabilité de fonctionnement satisfaisante. On empêche également la formation d'étincelles ou de courants de décharge, ou du moins on limite considérablement leur intensité.
En pratique, la résistivité du ou des couches du revêtement est dans la gamme de 10 5 à 10 12 ω.m.
Le dispositif selon l'invention peut donc fonctionner dans l'air de façon stable,, à des gains importants, d'où la possibilité d'obtenir une très bonne sensibilité (détection de faibles rayonnements), sans risque d'endommagement. En outre, une très bonne efficacité de détection peut être obtenue.
La présence d'air ne gênant pas le bon fonctionnement du dispositif et du système de détection dont il est destiné à faire partie, il n'est pas nécessaire de prévoir un boîtier présentant une très bonne étanchéité. Le coût s'en trouve donc diminué, et l'utilisation facilitée.
Selon un mode de réalisation, le dispositif comprend, sur la première face principale une couche globale de revêtement réalisée en un matériau dont la résistivité est comprise entre 10 7 et 10 11 ω.m, présentant des trous disposés en correspondance des orifices ménagés dans la plaque. Cette résistivité « moyenne » permet d'obtenir les deux effets visés avec une unique couche.
Selon un autre mode de réalisation, le dispositif comprend, sur la première face principale :
une première couche de revêtement, réalisée en un premier matériau dont la résistivité est comprise entre 10 5 et 10 8 ω.m, la première couche présentant des trous disposés en correspondance des orifices ménagés dans la plaque ; et une deuxième couche de revêtement disposée sur la première couche, réalisée en un deuxième matériau différent du premier, dont la résistivité est comprise entre 10 8 et 10 12 ω.m et est au moins 10 fois plus importante que la résistivité du premier matériau, la deuxième couche présentant des trous disposés en correspondance des orifices ménagés dans la plaque.
La première couche, portée en fonctionnement à un certain potentiel, permet la création d'un champ électrique important dans les orifices de la plaque, et donc une multiplication des électrons par avalanches, tandis que la deuxième couche permet d'assurer la stabilité, comme précédemment indiqué.
On peut prévoir que le deuxième matériau présente une résistivité 100 fois plus importante que celle du premier matériau.
Quel que soit le mode de réalisation concernant la première face principale, on peut avoir, sur la deuxième face principale, l'un des agencements suivants : a) aucun revêtement. Dans ce cas, le système de détection comportant le dispositif de multiplication des électrons devra comporter une électrode située à proximité de la deuxième face principale de la plaque, afin de permettre la génération d'un champ électrique dans les orifices ; b) une première couche de revêtement, réalisée en un premier matériau dont la résistivité est comprise entre 10 5 et 10 8 ω.m, la première couche présentant des trous disposés en correspondance des orifices ménagés dans la plaque ; c) dans le cas b), on peut en outre avoir une deuxième couche de revêtement disposée sur la première couche, réalisée en un deuxième matériau différent du premier, dont la résistivité est comprise entre 10 8 et 10 12 ω.m et est au moins 10 fois plus importante que la résistivité du premier matériau, la deuxième couche présentant des trous disposés en correspondance des orifices ménagés dans la plaque ;
d) une couche globale de revêtement réalisée en un matériau dont la résistivité est comprise entre 10 7 et 10 11 ω.m, présentant des trous disposés en correspondance des orifices ménagés dans la plaque.
La présence d'une couche globale ou d'une deuxième couche de revêtement du côté de chacune des première et deuxième faces principales de la plaque améliore la capacité du dispositif à empêcher ou limiter les avalanches secondaires, ainsi que les étincelles car le courant est diminué dans ce cas (courants de décharge).
Par exemple, la résistivité du premier matériau est comprise entre 10 6 et 10 7 ω.m et/ou la résistivité du deuxième matériau est comprise entre 10 8 et 10 10 ω.m. Le premier matériau peut être l'arséniure de gallium, le deuxième matériau du type à conductivité électronique, comme certains verres et/ou la plaque peut être réalisée en un matériau de type résine époxy ou verre.
Selon une réalisation possible, les orifices ménagés dans la plaque présentent une portion centrale sensiblement cylindrique prolongée à chacune de ses deux extrémités axiales par une portion tronconique de même axe s'évasant en direction de la face principale de la plaque dans laquelle elle débouche. Ces portions tronconiques forment un chanfrein qui permet encore d'améliorer le gain.
On peut prévoir que les trous de la première couche soient centrés sur l'axe des orifices de la plaque et présentent des dimensions supérieures à celles des orifices de la plaque au niveau de la ou des faces principales de ladite plaque, et que les trous de la deuxième couche soient centrés sur l'axe des orifices de la plaque et présentent des dimensions sensiblement égales à celles des orifices de la plaque au niveau de la ou des faces principales de ladite plaque. Ainsi, la deuxième couche est disposée directement contre la plaque dans la zone périphérique aux orifices. On obtient par ce biais une meilleure protection contre les étincelles et les courants de décharge.
Par exemple, le dispositif de multiplication présente une épaisseur comprise entre 0,5 et 4 mm, voire entre 1 et 2 mm. Les orifices ménagés dans la plaque peuvent présenter un diamètre moyen compris entre 0,3 et 1 mm, voire entre 0,5 et 0,8 mm et/ou être disposés sensiblement aux coins d'un quadrillage de côté compris entre 0,5 et 1 ,5 mm, voire entre 0,7 et 1 mm.
Selon une réalisation possible, le dispositif de multiplication est sensiblement plan. En variante, il peut présenter la forme d'une portion de cylindre ou de sphère.
Selon un deuxième aspect, l'invention concerne un système de détection de rayonnements ionisants ou d'espèces ionisables, comprenant :
- une première électrode, dite de dérive, et une deuxième électrode, dite de collecte, sensiblement parallèles, et entre lesquelles peut être généré un champ électrique apte à entraîner vers l'électrode de collecte les électrons créés par lesdits rayonnements, l'électrode de collecte étant apte à fournir des données représentant le nombre d'électrons qui l'atteignent ;
- des moyens de traitement des données fournies par l'électrode de collecte ;
- au moins un dispositif de multiplication des électrons tel que précédemment décrit, disposé sensiblement parallèlement aux électrodes de sorte que la plaque du ou des dispositifs soit située entre les deux électrodes et que la première face de ladite plaque soit tournée vers la première électrode, le revêtement - ou la couche de revêtement possédant la plus faible résistivité - disposée sur la première face principale de la plaque étant porté, en fonctionnement, à un potentiel compris entre les potentiels auxquels sont portées, respectivement, l'électrode de dérive et l'électrode de collecte, de manière à provoquer la multiplication des électrons par avalanche dans les orifices de la plaque.
Les électrons sont par exemple créés suite à l'ionisation, par lesdits rayonnements, du gaz présent entre les électrodes.
Selon une réalisation possible, l'électrode de collecte est constituée par la couche globale de revêtement - ou la première couche de revêtement- disposée sur la deuxième face principale de la plaque, lorsqu'une telle couche existe.
Selon une autre réalisation possible, l'électrode de collecte est distincte du dispositif de multiplication. Dans ce cas, la couche globale de revêtement - ou la première couche de revêtement - disposée sur la deuxième face principale de la plaque (lorsqu'une telle couche existe) est portée, en fonctionnement, à un potentiel compris entre les potentiels auxquels sont portées, respectivement, la couche globale de revêtement - ou la première couche de revêtement - disposée sur la première face principale de la plaque et l'électrode de collecte. En variante, lorsque la deuxième face principale de la plaque est dépourvue de revêtement, l'électrode de collecte doit être placée à proximité de la deuxième face principale, pour permettre la génération d'un champ électrique et donc d'avalanches.
Afin d'augmenter le gain, le système de détection peut comprendre deux dispositifs de multiplication des électrons sensiblement identiques, disposés sensiblement parallèlement aux électrodes de sorte que les plaques soient situées entre les deux électrodes et que la première face principale de chaque plaque soit tournée vers la première électrode, les couches globales de revêtement ou les premières couches de revêtement successives étant portées, en fonctionnement, à des potentiels croissants lorsque l'on se rapproche de l'électrode de collecte. Un tel dispositif avec deux systèmes de multiplication permet d'atteindre un gain de 10 4 dans l'air.
Le système de détection peut en outre comprendre un dispositif de multiplication des électrons du type comprenant d'une part une grille résistive formant une cathode et d'autre part une anode, la cathode et l'anode étant sensiblement plane, parallèles et maintenues distantes de moins de 500 μm à l'aide de micro-piliers. Un tel dispositif, dit « MICROMEGAS » est décrit dans le document WO 97/14173, et dans ce qui suit.
L'électrode de collecte peut en outre comporter des zones de collecte localisées distinctes.
Selon un premier mode de réalisation, les électrodes et le ou les dispositifs de multiplication des électrons sont disposés dans un boîtier présentant une vitre pour le passage des UV du soleil constituant les rayonnements ionisants à détecter, la vitre étant disposée en regard de l'électrode de dérive, comportant un matériau photosensible tel que l'iodure de césium, de sorte que les UV puissent créer des photoélectrons à partir de la première électrode. Soit l'électrode est réalisée en totalité avec ce matériau photosensible, soit sa face active seulement est recouverte d'un tel matériau. Une couche résistive revêtue par une couche photosensible présente la même efficacité qu'une couche photosensible déposée sur un substrat métallique.
Selon un deuxième mode de réalisation, les électrodes et le ou les dispositifs de multiplication des électrons sont disposés dans un boîtier présentant une zone de passage pour l'entrée des rayonnements ionisants et contenant un gaz à faible potentiel d'ionisation, tel qu'une vapeur d'éthylferrocène.
Ce système peut comprendre en outre une lentille placée sur le trajet des rayonnements ionisants vers l'intérieur du boîtier, l'axe de la lentille étant sensiblement parallèle au ou à chaque dispositif de multiplication des électrons et situé à une distance du dispositif de multiplication des électrons le
plus proche de l'électrode de dérive inférieure à 3 mm. Grâce à cette configuration, ce système peut fonctionner dans l'air.
Les zones de collecte localisées peuvent être des bandes convergeant vers le centre de la lentille.
Un tel système peut être utilisé pour la détection d'une flamme. En effet, une flamme émet des UV qui vont provoquer l'ionisation du gaz et donc la création d'électrons multipliés ensuite par avalanches.
Par ailleurs, le système de détection peut être tel que les électrodes et le ou les dispositifs de multiplication des électrons sont placés dans un boîtier présentant une zone de passage pour l'entrée de rayons UV ou X émis par une source, cette source étant agencée pour que lesdits rayons pénètrent dans le boîtier sensiblement parallèlement au ou à chaque dispositif de multiplication des électrons et à une distance du dispositif de multiplication des électrons le plus proche de l'électrode de dérive inférieure à 3 mm. En outre, le boîtier présente une ouverture d'entrée pour un gaz à analyser.
Un tel système peut être utilisé pour la détection de la présence dans l'air de gaz à faible potentiel d'ionisation, tels que certains alcools ou hydrocarbures, le toluène, le benzène.
On décrit à présent, à titre d'exemples non limitatifs, plusieurs modes de réalisation possibles de l'invention, en référence aux figures annexées :
La figure 1 est une représentation schématique en perspective du dispositif de multiplication des électrons selon un premier mode de réalisation de l'invention ;
La figure 2 est une vue en section transversale du dispositif de multiplication de la figure 1 ;
La figure 3 est une représentation schématique en plan d'une face du dispositif de la figure 1 , sans la deuxième couche de revêtement ;
La figure 4 illustre schématiquement un système de détection selon l'invention ;
Les figures 5 et 6 illustrent schématiquement un système de détection selon l'invention, respectivement pour la détection des particules α et des UV ;
Les figures 7 à 11 illustrent schématiquement des modes de réalisation d'un système de détection selon l'invention, pour la détection d'une flamme ;
La figure 12 illustre une variante du système de détection de la figure 5, mettant en œuvre un dispositif selon l'invention et un dispositif de type MICROMEGAS ;
La figure 13 est une représentation schématique en coupe d'un dispositif de multiplication des électrons selon un deuxième mode de réalisation de l'invention ;
Les figures 14 à 16 sont des représentations schématique en coupe de variantes de réalisation d'un dispositif de multiplication des électrons selon l'invention ; et
La figure 17 illustre une variante du système de détection de la figure 5.
On se rapporte tout d'abord aux figures 1 à 3 qui représentent un dispositif 1 de multiplication des électrons selon un premier mode de réalisation.
Le dispositif 1 comprend une plaque 2 réalisée en un matériau diélectrique, tel qu'une résine époxy, et présentant une épaisseur e de l'ordre de 0,4 à 2 mm, par exemple entre 1 et 2 mm. La plaque 2 comporte une première et une deuxième faces principales opposées 3, 4, sensiblement planes. Une pluralité d'orifices 5 traversants sont ménagés dans la plaque 2, chacun de ces orifices 5 présentant un axe 6 sensiblement perpendiculaire aux faces 3, 4.
Comme illustré en section sur la figure 2, les orifices 5 sont identiques et présentent chacun une portion centrale 7 sensiblement cylindrique prolongée à chacune de ses deux extrémités axiales par une portion tronconique 8 de même axe 6 s'évasant en direction de la face principale 3, 4 dans laquelle elle débouche. Les orifices 5 sont symétriques par rapport au plan médian P de la plaque 2 parallèle aux faces principales 3, 4. De préférence, la portion centrale 7 présente une hauteur au moins égale à la moitié de l'épaisseur e de la plaque 2.
Le diamètre moyen des orifices 5 est compris entre 0,5 et 0,8 mm, et ceux-ci sont disposés régulièrement, sensiblement aux coins d'un quadrillage de côté compris entre 0,7 et 1 mm.
Sur chacune des faces principales 3, 4 est disposée une première couche de revêtement 9, 9a, 9b, mince, réalisée en un premier matériau dont la résistivité est relativement faible, et comprise entre 10 6 et 10 7 ω.m. Un des matériaux pouvant être utilisé est l'arséniure de gallium, mais d'autres
matériaux sont envisageables s'ils permettent de créer des avalanches contrôlables d'électrons.
Chacune des premières couches 9 présente des trous 10 situés en correspondance des orifices 5 ménagés dans la plaque 2. Les trous 10 sont sensiblement circulaires et centrés sur l'axe 6, et présentent un diamètre Di 0 supérieur au diamètre D 5 des orifices 5 au niveau des faces principales 3, 4 (voir figure 3). Il existe ainsi une couronne périphérique 11 autour de chaque orifice 5 qui n'est pas recouverte par la première couche de revêtement 9.
En outre, sur chacune des premières couches de revêtement 9 (sur chacune des faces principales 3, 4) est disposée une deuxième couche de revêtement 12, 12a, 12b mince, réalisée en un deuxième matériau, différent du premier, dont la résistivité est bien plus importante que celle de la première couche 9, et comprise entre 10 8 et 10 10 ω.m. On peut utiliser tout matériau possédant cette caractéristique, et notamment du verre.
Chacune des deuxièmes couches 12 présente des trous 13 situés en correspondance des orifices 5 ménagés dans la plaque 2. Les trous 13 sont sensiblement circulaires et centrés sur l'axe 6, et présentent un diamètre Di 3 sensiblement égal au diamètre D 5 des orifices 5 au niveau des faces principales 3, 4. De ce fait, au niveau de la couronne périphérique 11 , la deuxième couche 12 est disposée directement contre la face principale 3, 4 de la plaque 2. En d'autres termes, sur chacune des faces principales 3, 4 de la plaque 2, la deuxième couche 12 de revêtement recouvre et entoure localement la première couche 9 de revêtement (voir figure 2).
La mise en place des deux couches de revêtement 9, 12 et la création des orifices 5 peut être réalisée par tout procédé connu.
Un tel dispositif de multiplication d'électrons est destiné à être utilisé dans un système de détection 14 de rayonnements ionisants. La figure 4 représente schématiquement la structure générale d'un tel système de détection 14.
Le système de détection 14 comprend, généralement dans un boîtier 15, une première électrode 16 plane, dite de dérive, portée à un potentiel \λ, ainsi qu'une deuxième électrode 17 plane et sensiblement parallèle à la première électrode 16, dite de collecte, portée à un potentiel V 4 . Un dispositif 1 de multiplication des électrons est disposé entre les deux électrodes 16, 17, sensiblement parallèlement à celles-ci. La première couche de revêtement 9a tournée vers la première électrode 16 est portée à un
potentiel V 2 , tandis que la première couche de revêtement 9b tournée vers la deuxième électrode 17 est portée à un potentiel V 3 .
Les potentiels sont choisis tels que V 1 < V 2 < V 3 < V 4 . On peut utiliser à cet effet un circuit de type diviseur de tension mettant en œuvre des résistances de valeurs appropriées. Ainsi, il est généré un champ électrique E entre les électrodes 16, 17. La deuxième électrode 17 est reliée à des moyens de traitement de données 18 (circuit électronique, oscilloscope, ordinateur, etc.) permettant à un opérateur de visualiser la détection ou la mesure d'un rayonnement ionisant grâce au système de détection 14.
Une source Si, S 2 émet des rayonnements ionisants 19 qui conduisent à la formation d'électrons 20 dans le système de détection 14. Le système de détection 14 permet de détecter ces rayonnements ionisants 19 émis à partir de sources positionnées de plusieurs façons par rapport aux électrodes 16, 17, comme illustré sur la figure 4 (Si ou S 2 ). Les électrons 20 ainsi créés sont entraînés par le champ électrique E en direction de la deuxième électrode 17. Lors du passage de ces électrons dans les orifices 5 du dispositif de multiplication 1 , il se produit une avalanche contrôlable 21 conduisant à la formation d'un plus grand nombre d'électrons, le rôle des premières couches de revêtement 9a, 9b étant de focaliser les lignes de champ électrique à l'intérieur des orifices 5 et donc de permettre cette avalanche 21. Ces électrons sont entraînés vers la deuxième électrode 17. Celle-ci fournit aux moyens de traitement 18 des données représentant le nombre d'électrons qui l'atteignent, et permet donc à un opérateur utilisant le système 14 de détecter la présence de rayonnements ionisants.
Comme cela est expliqué ci-après, grâce à la présence des deuxièmes couches 12 de revêtement, le dispositif de multiplication 1 et le système de détection 14 permettent d'une part de supprimer le mécanisme de rétroaction (équation (3)), et d'autre part de protéger l'ensemble des étincelles. Celles-ci, si elles apparaissent, sont très faibles et ne risquent pas d'endommager le dispositif de multiplication 1 ou l'électronique associée.
Dans les plaques à orifices de l'art antérieur, comportant de simples revêtements métalliques, toute l'énergie stockée est libérée sous forme d'une étincelle, qui est donc très violente et peut causer de nombreux dommages.
En revanche, grâce à la deuxième couche 12 de revêtement prévue par l'invention, qui de surcroît recouvre et entoure la première couche 9
au voisinage des orifices 5, les ions positifs et les électrons formés par l'avalanche de Townsend vont charger cette deuxième couche 12 et provisoirement réduire le champ électrique local à une valeur plus faible. De ce fait, les éventuels électrons extraits par les ions de la deuxième couche 12 - s'ils existent - ne pourront pas déclencher d'avalanche secondaire. Ainsi, la condition (3) ne sera pas remplie. Quant à la condition (1), qui devient la condition (7) dans le cas de plaques à orifices, elle n'est pas non plus remplie.
Ainsi, seule resterait la condition (6). A ce sujet, pour obtenir un gain encore plus important, l'invention prévoit une géométrie particulière des orifices (portions évasées 8) et un diamètre des orifices plus important que dans l'art antérieur. En conséquence, la valeur de Q cr i t est bien supérieure à celle observée dans l'art antérieur, et typiquement de l'ordre de 10 8 électrons, soit deux ordres de grandeur au-dessus de Q cnt dans le cas de dispositifs connus. Ainsi, avec le système de détection selon l'invention, une détérioration ne peut se produire qu'à des gains très élevés. De plus, même si une étincelle apparaît, elle sera très faible, du fait de la charge locale immédiate des deuxièmes couches 12 de revêtement. Ainsi, la capacité participant à la décharge sera très faible, et le courant de décharge sera limité à la résistivité élevée de la deuxième couche 12. On n'obtiendra donc que de faibles courants de décharge ne risquant pas de détériorer le système.
Par ailleurs, un avantage majeur de l'invention est la possibilité de réaliser des détections de rayonnements dans l'air. En effet, puisque les conditions (1) et (3) ne sont pas remplies, le système de détection peut fonctionner dans l'air, à des gains supérieurs à 10 4 , de façon très stable.
Du fait de la deuxième couche 12 de revêtement, il ne se crée pas de chemin conducteur le long de la paroi des orifices qui affecterait le bon fonctionnement du dispositif 1 de multiplication. Ceci est encore amélioré par le fait que le dispositif 1 présente une épaisseur e relativement importante.
Enfin, il est possible de placer entre les électrodes 16, 17 du système de détection 14 une cascade de dispositifs de multiplication, et en particulier deux dispositifs 1 de multiplication conformes à l'invention, malgré la présence des deuxièmes couches 12 de revêtement.
On peut ainsi accroître considérablement le gain maximum qu'il est possible d'obtenir tout en conservant un fonctionnement stable. Les couches 9 successives doivent être portées à des potentiels croissants de la première à la deuxième électrode.
Comme illustré sur la figure 12, il est également possible d'utiliser dans le système de détection 14 un dispositif 1 de multiplication conforme à l'invention associé à un dispositif de multiplication d'un autre type (configuration en cascade), par exemple tel que celui décrit dans le document WO 97/14173, dit MICROMEGAS, en l'utilisant avec une grille résistive à la place de sa grille métallique, afin d'obtenir une stabilité de fonctionnement.
Il s'agit d'un détecteur développé en physique des particules de hautes énergies pour améliorer de plusieurs ordres de grandeur les performances des détecteurs à remplissage gazeux en matière de temps de résolution, taux de comptage maximum acceptable, résolution spatiale et valeur du gain maximum tolérable.
Le système MICROMEGAS comporte dans son principe un espace d'amplification par des champs électriques appliqués sur un espace de 50 μm environ, précédé d'un espace de dérive où sont libérés des électrons dans des collisions des atomes du gaz de remplissage avec les particules ionisantes à détecter. Les faces des électrodes qui produisent le champ électrique amplificateur sont maintenues à de courtes distances (de l'ordre de 50 μm) par des piliers espacés de quelques millimètres. Un aspect important de son fonctionnement est que la variation de gain entre des faces parallèles présente un maximum voisin de 30 à 50 μm produit par un effet de compensation, qui contribue à la stabilité du gain et à l'immunité contre les défauts de planéité. L'effet du petit intervalle entre les électrodes est de permettre des champs et donc des gains élevés sur de courtes distances. La collecte rapide des ions réduit les effets des charges d'espace. L'essai de MICROMEGAS dans l'air a montré un fonctionnement satisfaisant avec l'utilisation d'une grille à revêtement isolant qui permet d'atteindre de grands gains sans décharge et de bénéficier des avantages liés à des champs plus faibles.
Il est clair que l'utilisation avec des mélanges gazeux pouvant contenir de l'air en toute proportion est possible, ceci combiné avec des couches simples ou multiples de revêtements résistifs. Ceci s'applique à une variété de détecteurs gazeux qui sont en voie de développement et qui sont basés sur les techniques de microélectronique pour bénéficier des temps de résolution très faibles indispensables en physique des hautes énergies.
Sur la figure 12, ce dispositif 40 de type MICROMEGAS comprend d'une part une grille résistive 41 formant une cathode et d'autre part une anode 42. La cathode et l'anode sont sensiblement plane, parallèles et maintenues
distantes de moins de 500 μm, par exemple d'une distance d1 comprise entre 0,05 et 0,5 mm, à l'aide de micro-piliers.
La grille résistive supprime la rétroaction générée par les ions (mais pas la rétroaction générée par les photons) et il est ainsi possible d'obtenir un fonctionnement dans l'air à des gains plus importants que dans le cas d'un dispositif de type MICROMEGAS avec des électrodes métalliques. La grille résistive permet aussi de protéger l'électronique du dispositif de type MICROMEGAS en cas de décharges intempestives (étincelles).
Le système de détection 14 peut être utilisé pour la détection des rayonnements α, comme illustré sur la figure 5. La source Sa de rayonnements α peut notamment être un objet contenant du Polonium ou du gaz radon. Ce gaz, qui émet des particules α, peut s'accumuler par exemple dans des caves mal ventilées, et occasionner de graves problèmes de santé.
La source Sa peut être placée comme la source Si ou la source S 2 de la figure 4. Dans cette application, le boîtier 15 est placé aussi près que possible de la source Sa, et il présente une ouverture 22 en regard de cette source, afin de ne pas arrêter les rayonnements. On comprend donc tout l'intérêt de disposer d'un système de détection fonctionnant dans l'air. Dans le cas où les particules α émises par la source doivent traverser la première électrode 16 (figure 5), cette électrode 16 prend la forme d'un grillage.
Par exemple, la distance entre la première électrode 16 et le dispositif 1 de multiplication le plus proche est de l'ordre de 4 cm, et la distance entre les deux dispositifs 1 selon l'invention est de l'ordre de 2 à 5 mm. Dans l'air, et pour Vi = 5,5 kV et V 4 = 3 kV, l'efficacité de ce système de détection 14 est de l'ordre de 95 % (pourcentage de particules détectées par rapport au nombre réel de particules émises) et le gain d'environ 10 4 .
Si la source Sa est positionnée comme la source S 2 de la figure 4, environ à mi distance entre la première électrode 16 et le dispositif 1 de multiplication le plus proche, il est possible d'obtenir une efficacité de l'ordre de 90 % dans l'air. Ainsi, l'efficacité demeure importante même si le trajet des particules α n'est pas dirigé directement vers le dispositif 1 de multiplication.
Ainsi, le système de détection selon l'invention est d'un coût peu élevé, il peut fonctionner dans l'air et y détecter des particules α avec une efficacité proche de 100 %. De plus, cette détection n'est pas affectée de façon importante par les perturbations vibratoires ou acoustiques. Ces
caractéristiques rendent le système de détection tout à fait compétitif par rapport aux systèmes de détection du radon du commerce.
Par ailleurs, comme illustré sur la figure 6, le système de détection 14 constitue un système très simple et peu onéreux pour la détection des UV (dose reçue par des personnes exposées au soleil). Les UV 23 émis par le soleil passent à travers la vitre 24 (par exemple en verre) du boîtier 15 et créent des photoélectrons à partir de l'électrode 16, ici en CsI (iodure de césium) sous forme d'une couche qui peut être déposée directement sur la deuxième couche de la cathode. Ces photoélectrons déclenchent des avalanches dans les orifices 5 du ou des dispositifs 1 de multiplication.
Il est à noter que ce système peut fonctionner par exemple dans un mélange d'air et d'argon ou dans l'air. De ce fait, il n'est pas nécessaire que le boîtier soit parfaitement étanche, puisque l'entrée d'air ne conduit pas à un dysfonctionnement ou à une détérioration du système. Le coût du système de détection s'en trouve grandement réduit.
Une autre application du système de détection selon l'invention est la détection d'une flamme, comme représenté sur les figures 7 à 11.
En effet, la plupart des flammes dans l'air émettent une lumière UV dans la plage de 185 à 280 nm. Or, dans la lumière du soleil, ces longueurs d'onde sont complètement absorbées dans les couches supérieures de l'atmosphère par l'ozone. Ainsi, au niveau du sol, la lumière UV émise par une flamme n'est pas perturbée, dans ces longueurs d'onde, par la lumière provenant du soleil.
Dans la réalisation de la figure 7, le système de détection 14 est similaire à celui illustré sur la figure 4. Il comprend, dans un boîtier 15, une première électrode 16, une deuxième électrode 17 reliée à des moyens de traitement de données 18, et deux dispositifs 1 de multiplication selon l'invention, en cascade. Une fenêtre 25 permet le passage des UV émis par une flamme 26 vers l'intérieur du boîtier 15. Le boîtier 15 contient un mélange d'argon et d'une vapeur sensible aux photons, par exemple une vapeur d'éthylferrocène, à une pression totale voisine de 1 atm. Cette vapeur peut être obtenue en plaçant dans le boîtier 15 une petite quantité d'éthylferrocène, qui est un liquide dont la pression de vapeur saturante est très faible.
Si les UV émis par la flamme 26 entrent dans le boîtier 15, ils provoquent l'ionisation de la vapeur d'éthylferrocène et donc la création d'électrons. Ces électrons provoquent des avalanches 21 dans les orifices 5
des dispositifs 1 de multiplication, et les électrons ainsi générés sont finalement détectés par la deuxième électrode 17. Le gain ainsi obtenu est généralement supérieur à 10 5 .
La lumière UV pénétrant de façon parallèle aux dispositifs 1 de multiplication, et ne rencontrant pas de photocatode solide sur ce trajet, le système de détection est insensible à la lumière du soleil, mais garde une sensibilité élevée aux UV émis par une flamme. En effet, une photocathode exposée aux rayons du soleil peut créer des photons. Au contraire, avec le système selon l'invention, comme les UV interagissent seulement avec la vapeur ionisable, les photons seront créés du fait des rayons UV émis par la flamme et non par le soleil, car l'efficacité quantique des vapeurs est pratiquement nulle à des longueurs d'onde importantes (celles du soleil au niveau du sol, non absorbées par la couche d'ozone).
Pour les feux de forêt ou pour d'autres applications, il est très important que le système de détection puisse déterminer la position de la flamme. Ainsi, comme illustré sur les figures 8 à 11, il est prévu de coupler le système de détection 14 avec un système optique.
Comme illustré sur les figures 8 et 9, il est prévu une lentille 27, d'axe 32, et possédant une distance focale F. La deuxième électrode 17 est ici formée d'une plaque de matériau diélectrique 28 sur une face de laquelle sont ménagées des bandes métalliques de collecte 29 convergeant en un point, le centre de la lentille 27, placé à une distance F du milieu du dispositif 1 , avec F » d (où d est la dimension de l'électrode 17 et du dispositif 1). Chaque bande 29 constitue une zone de collecte individuelle. Les bandes 29 sont disposées en éventail et chaque bande est connectée à un dispositif de lecture distinct.
L'image de n'importe quel objet émettant des rayonnements UV (et notamment une flamme) placé à une distance supérieure à la distance focale formera une image près du plan focal de la lentille. Avec F » d, les photons UV émis par l'objet seront projetés le long d'une ou deux bandes 29 et provoqueront l'ionisation des vapeurs photosensibles. Les photoélectrons crées dans la région de dérive déclencheront des avalanches dans les orifices 5 du dispositif 1 de multiplication, ce qui se traduira par un signal dans les moyens de traitement de données 18. En mesurant le taux de comptage issu des bandes 29, il sera possible d'obtenir une image numérique de la flamme en une dimension.
Ainsi, le système de détection 14 selon la réalisation des figures 8 et 9 fournit une information sur la position précise de la flamme. Plusieurs de ces systèmes de détection 16 peuvent être utilisés en combinaison pour la surveillance efficace de départs de feu, en évitant les fausses alertes. En effet, une alarme ne sera déclenchée que si deux systèmes de détection ou plus détectent une flamme provenant du même point de l'espace.
A nouveau, on notera que le système de détection 14 des flammes 26 peut fonctionner en présence d'air. Par exemple le boîtier 15 peut contenir un mélange d'argon, de vapeur d'éthylferrocène (qui est stable dans l'air) et de 10 % d'air. Il n'est donc pas nécessaire que le boîtier 15 présente une étanchéité parfaite. En particulier, pour moins d'1 % d'air, on obtient une excellente efficacité. Une étanchéité imparfaite peut bien entendu conduire à la fuite de vapeur d'éthylferrocène, mais ce produit n'est ni toxique pour l'homme ni dangereux pour l'environnement. De plus, l'éthylferrocène s'évaporant lentement, on a toujours une vapeur dans le boîtier 15 même si celui-ci n'est pas parfaitement étanche.
Dans le cas de l'utilisation dans l'air, il est important que l'effet photoélectrique ait lieu à proximité de la première face principale 3 de la plaque 2 du dispositif 1 de multiplication, afin d'éviter que les électrons créés ne soient piégés par les molécules d'oxygène. De ce fait, le rayonnement UV doit pénétrer dans le boîtier 15 sensiblement parallèlement au dispositif 1 et à faible distance de celui-ci. Ainsi, comme illustré sur la figure 10, on prévoit un collimateur 33 intercalé entre la lentille 27 et la fenêtre 25, et agencé pour que la distance d2 entre le trajet des rayonnements UV pénétrant le boîtier 15 et la première face principale 3 de la plaque 2 du dispositif 1 de multiplication soit inférieure à 3 mm, de préférence de l'ordre de 1 mm.
Le système de détection 14 permet la détection d'une petite flamme (celle fournie par une allumette par exemple), en plein jour et à une distance de quelques mètres.
Des mesures ont montré que le système de détection selon l'invention est environ 100 fois plus sensible que les systèmes connus, notamment le système R2868 commercialisé par Hamamatsu.
Il est rappelé que les UV n'atteignent pas directement la cathode (électrode 16), mais interagissent uniquement avec la vapeur d'éthylferrocène, ce qui permet au système de détection d'être plus efficace que les systèmes connus et de fonctionner en plein jour.
On se rapporte maintenant à la figure 11 qui illustre une autre application du système de détection selon l'invention, à savoir la détection dans l'air de gaz à faible potentiel d'ionisation comme par exemple certains alcools ou carburants (hydrocarbures).
On introduit l'air à analyser par une ouverture d'entrée 34 du boîtier 15, cet air pouvant ensuite être évacué par une ouverture de sortie 35. Si au moins un gaz à relativement faible potentiel d'ionisation (vapeurs de toluène, benzène etc.) est présent dans l'air introduit, il sera ionisé par les rayonnements d'une source 36. Comme dans le cas de la détection d'une flamme, le rayonnement de la source 36 doit pénétrer près de la première face principale 3 du dispositif 1 de multiplication (avec d2 de l'ordre de 1 mm).
La source 36 peut être une lampe UV émettant des rayonnements de longueur d'onde supérieure à 110 nm.
S'il y a présence de vapeurs hydrocarbures dans l'air, il y aura photoinisation de ces vapeurs et création de photoélectrons qui seront amplifiés par le dispositif 1 de multiplication.
Une autre possibilité est d'utiliser une source de rayons X : dans l'air il n'y aura pas de production de signal, mais si des gaz (ou air) contenant des éléments lourds sont présents, par exemple des molécules contenant du cuivre, elles seront ionisées par les rayons X et il sera possible d'obtenir un signal.
L'utilisation du système de détection 14 selon l'invention, qui peut fonctionner dans l'air avec un gain important, peut grandement accroître la sensibilité par rapport aux systèmes connus de détection de gaz à relativement faible potentiel d'ionisation (PID - Photo lonization Detector). En effet, les systèmes connus mesurent un courant dans la chambre d'ionisation, dont la limite de détection est de 10 "15 A, si bien que le seuil de sensibilité de la détection de ces gaz est de l'ordre de 10 ppb (partie par milliard). Au contraire, le système de détection selon l'invention peut enregistrer chaque photoélectron, ce qui rend le système plus sensible de plusieurs ordres de grandeur.
On peut aussi libérer les électrons dans une vapeur contenue dans l'air en utilisant une source d'UV dont la longueur d'onde est ajustée pour qu'elle ait une grande section efficace pour les molécules de la vapeur que l'on cherche à détecter. Dans ces conditions on peut avoir un gain de sensibilité considérable par rapport à la mesure du nombre d'électrons car on peut
bénéficier de la multiplication dans l'air de chaque électron et l'avantage du comptage des électrons individuels pour l'élimination du bruit de fond.
La figure 13 illustre un deuxième mode de réalisation du dispositif 1 de multiplication, dans lequel, sur chaque face principale 3, 4 de la plaque 2, on a une unique couche de revêtement 30 réalisée en un matériau présentant une résistivité comprise entre 10 7 et 10 11 ω.m, et comportant des trous 31 disposés en correspondance des orifices 5 ménagés dans la plaque 2. Cette couche globale 30 de résistivité intermédiaire permet à elle seule d'obtenir l'effet recherché.
Plusieurs combinaisons sont possibles en ce qui concerne le revêtement des faces principales 3, 4 de la plaque 2, la première face 3 comportant toujours soit la couche globale 30 soit au moins la première couche 9a. Certaines de ces combinaisons sont illustrées sur les figures 14 à 16 :
- sur la figure 14, on a une première et une deuxième couches 9a, 12a sur la première faces principale 3, une couche globale 30 sur la deuxième face principale 4 ;
- sur la figure 15, on a une couche globale 30 sur la première faces principale 3, une première et une deuxième couches 9b, 12b sur la deuxième face principale 4 ;
- sur la figure 16, on a seulement une première couche 9a sur la première faces principale 3, et aucun revêtement sur la deuxième face principale 4. Dans ce cas, la génération d'un champ électrique dans les orifices 5 n'est possible qu'avec l'utilisation d'une électrode de collecte 17 placée à proximité de la deuxième face principale 4.
Dans tous les cas, la couche 4 (anode) peut être métallique.
Enfin, on se rapporte à la figure 17 qui illustre une variante de la figure 5, dans un cas où le dispositif de multiplication 1 situé le plus loin de la première électrode 16 comporte au moins une première couche de revêtement 9b sur sa deuxième face principale 4 (ou au moins une couche globale 30), pouvant être portée à un potentiel.
L'électrode de collecte 17 est alors constituée par cette couche 9b ou 30, et il n'existe pas d'électrode de collecte distincte du dispositif 1 de multiplication.
Ainsi, l'invention apporte une amélioration déterminante à la technique antérieure, en fournissant un système de détection qui présente notamment les avantages suivants :
- fonctionnement stable dans des mélanges de gaz rares et d'air ou même dans l'air seul, avec des gains importants supérieurs à 10 4 , d'où :
- la possibilité d'utiliser le système de détection à l'air libre, sans boîtier ;
- la possibilité que l'étanchéité du boîtier ne soit pas parfaite, d'où un coût considérablement réduit ;
- l'application à la détection des particules α ;
- robustesse du dispositif de multiplication :
- qui est plus rigide que les plaques à orifices de l'art antérieur car plus épais, et ce malgré la présence d'orifices de plus grand diamètre ;
- qui permet la protection contre les étincelles et les courants de décharge. La ou les couches de revêtement prévues sur la plaque permettent de protéger le dispositif de multiplication des électrons et l'électronique associée de la détérioration par des étincelles, que ce soit en fonctionnement dans l'air ou dans tout autre gaz ;
- simplicité structurelle et faible coût ;
- application à la détection de plusieurs types de rayonnements / particules ou autres : α, UV, flammes, radon, rayons X, etc.
Il va de soi que l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits ci-dessus à titre d'exemples mais qu'elle en embrasse au contraire toutes les variantes de réalisation.