Le comportement du multiplicateur tubulaire d'electrons entre 20 et 100°C

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144 ( 1 9 7 7 )

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LE COMPORTEMENT DU MULTIPLICATEUR TUBULAIRE D'ELECTRONS ENTRE 20 ET 100°C C L A U D E B A R A T et J A C Q U E S C O U T E L I E R

('entre d'Etude Spatiale des Rayonnements, Universite Paul Sabatier, B.P. 4346, 31029 Toulouse COdex, France Requ le 21 fdvrier 1977 The wall current and the charge distribution of a continuous channel electron multiplier are studied between 20 and 100°C. The influence of gas desorption is minimized to find the electronic structure of the emissive layer. Conduction current is characterized by an activation energy temperature dependence while m e a n charge analysis leads to a saturation process based on electronic conduction in a glassy solid.

Le r61e de la temperature sur le comportement du multiplicateur tubulaire /~ dynode continue est pratiquement inconnu, Une telle etude permet pourtant d'acceder ",i la structure de bande en energie des electrons et au transport des charges dans la couche emissive. Cette connaissance est importante car il n'est pas possible d'expliquer le processus de saturation des charges spatiales en ignorant les proprietes electriques du semiconducteurl,2). D'autre part l'utilisateur a besoin de savoir si un fonctionnement du tube/t temperature elevee possede un caractere destructif. Une elevation de temperature darts le multiplicateur tubulaire devrait, ~ priori, se traduire par: a) Une diminution de la production des electrons secondaires, donc du gain, par interaction de ces electrons avec les vibrations du reseau (phonons).

b) Une augmentation simultande du travail de sortie par desorption stimulee de la couche emissiw: sous l'effet du bombardement des electrons secondaires. Les consequences sont identiques /~ celles du point a) puisque le coefficient d'emission secondaire et le gain en electrons diminuent (phase de desorption d'un tube). c) Une modification de la mobilite des porteurs /~ et de la densite des niveaux occupes n et par consequent de la conductivit6 a du tube (a = qtln). d) Une elevation de la pression clans le tube qui donne naissance /~ des post impulsions crdees par contre-reaction ionique. La conception du dispositif technique et la methode experimentale ont pour but d'isoler l'influence de la temperature sur les proprietds electriques du semiconducteur [points (a) et (c)] en eliminant le rele et les consequences de la desorption [points (b) et (d)]. Darts cette perspective la

proprete et la qualite du vide sont assures par I'utilisation d'une pompe ionique /~ getter associee /~ un pompage primaire /~ sorption. D'autre part, le multiplicateur tubulaire est place entre deux plaques chauffantes en acier inoxydable en raison de la faible tension de vapeur de ce materiau; la temperature est controlee darts le plan du tube par une thermistance. La desorption gazeuse de la couche emissive, condition prealable /~ toute mesure, est preparee par 24h de pompage fi 3× 10~-Storr et terminee par un fonctionnement du multiplicateur d'electrons jusqu'/~ 1 x 108 coups. Les post impulsions sont eliminees electroniquement 3) dans la mesure ou elles sont separees temporellement des impulsions principales, cette condition n'etant plus remplie lorsque la pression ou la tension d'alimentation du tube sont trop 61evees (p>~5 x 10 6torr; V>~3600 V). Cette etude en temperature a ere conduite sur un multiplicateur Bendix CEM 4010 soumis h u n flux d'electrons en provenance d'une source de Tritium. II est bien evident que nos resultats sont relatifs /~ la couche Bendix et ne peuvent etre generalises /~ un autre type de semiconducteur. La tension appliquee au tube correspondant /~ un champ electrique de 270 V/cm a ere choisie de maniere/~ obtenir un spectre d'impulsions saturees et eviter un taux de post impulsions superieur /~ -~ 10%. Le collecteur du tube est polarise afin de recueillir la totalit6 des electrons emergents et autoriser un gain superieur3). D'autre part, le taux de comptage est inferieur /~ 5× 103 c.p.s, pour eviter une depreciation du gain3). L'analyse des resultats est deduite des distributions des charges terminales transformees en densites de probabilites P(q), apres normalisation. Ces distributions sont caracterisees par la suite de leurs

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C.

BARAT

ET

moments, un calcul jusqu"a I'ordre 4 etant generalement suffisant pour decrire P(q,). Connaissant la charge m o y e n n e c?, nous avons donc calcule les moments centres mk qui permettent de determiner le coefficient d'asymetrie h et le coefficient d'aplatissement ~'2: nmax Et = ~ qiP(qi), i=O nmax

mk = ~

(q,--El)k P(q,),

k = 2, 3, 4,

i=0

7,

=

m3/m2,

~2 = m 4 / m 2 .

En l'absence de particules ~. l'entree, le multiplicateur tubulaire est, pour une tension d'alimentation donnee, en etat d'equilibre. Cet 6quilibre est caracterise par le courant de conduction i de la couche emissive. L'apparition d'une cascade d'electrons correspond ~ une perturbation dont les manifestations sont analysees a partir de la distribution des charges terminales. Dans le cas d'un semiconducteur extrinseque le courant de conduction, proportionnel ~. la conductivit6 a, est donne par la relation: i = const

xexp(-E~/2kT),

COU'fELIER

J

or) ED est l'energie des niveaux donneurs situes en dessous du seuil de la bande de conduction. Le courant de conduction du multiplicateur tubulaire ne suit pas cette loi c o m m u n e '~ tous les milieux cristallins et a certains milieux amorphes~). On constate, en revanche, que Log(iT) varie lineairement avec 1/T (fig. 1), d'ou l'expression du courant de conduction pour le tube : i = const x e x p ( - W / k T ) . (2) Darts cette expression W correspond a une energie d'activation 6gale ~, 0.078 eV. La relation (2) ainsi que la valeur de W 4) sont a rapprocher des resultats obtenus sur des verres a oxydes de metaux de transition ou de quelques chalcogenidesS). La structure amorphe de ces milieux entraine une distribution des bandes en 6nergie des electrons et des proprietes de transport diflErentes de celles d'un solide cristallin, d'ou, ~, posteriori, la non verification de la relation (1). La connaissance des proprietes electriques des verres semiconducteurs 4) montre que la conduction des electrons se fair par sauts, du moins dans la gamme de temperature concernee par cette etude (20-100°(]). Les niveaux d'energie qui participent la conduction sont localises dans la bande ~
(1) TEMPERATURE (°C) 100 80

TEMPERATURE ('C) 100 80 60 40 20 I

I

I

[

0.18

I

I

60

40

_20

I

I

]

- -0.4

I -2

tttt

0.17 -10

1.5._~ o x

I.-

I (.9 O

llJ Z Z

w

>o

"~

-0.3 W LIJ

.< -0.2 ~

0.16

W

W

b.I

{3.

]z UJ (D r~ "1-

-11

\X%xN

u_ u_ u.l o

< (.) W

0.11,

,

Fig. l.

-0.1 o

0.15

0.5 ~

I . . . . I . . . . . ! 2.5 3 3.5 1 0 3 / T (Ten=K)

Variation du courant de conduction (×) et de la charge moyenne (O) en fonction de I'inverse de la temperature.

I . . . . 2.5 103/T

I . . . . 3.0

I , 3.5

0

( T en°K)

Fig. 2. E v o l u t i o n de l'ecart type relatif (@) et du coefficient d ' a s y m e t r i e ( × ) des d i s t r i b u t i o n s des charges t e r m i n a l e s en f o n c t i o n de l'inverse de la temperature.

MULTIPLICATEUR TUBULAIRE D'ELECTRONS

dite>>, chaque saut correspondant a une 6nergie d'activation 6gale h W. Plus pr6cisdment la structure aleatoire de l'ordre h courte distance incite croire que W e s t d6termin6, non pas par un seul niveau d'6nergie, mais par tout un spectre de niveaux localisds dans la <>. Cependant l'6tendue insuffisante de notre gamme de temperature ne permet pas de prouver exp6rimentalement le bien tbnd6 de cette hypoth6se qui devrait se traduire par une augmentation progressive de W. Des mesures pr61iminaires 6) avaient montr6 que la charge moyenne 0 d61ivr6e par le tube 6tait pratiquement constante entre - 2 5 ° C et +40°C. On constate, en revanche, que Q augmente d'un facteur 2 environ entre 30 et 100°C (fig. 1). L'examen de la fig. 2 montre qu'il faut distinguer deux phases dans cet accroissement. Entre 30 et 70°C [point d'inflexion de la courbe ~=f(1/T)] l'ecart type relatif m2/~ augmente tandis que la valeur absolue du coefficient d'asym6trie ?1 suit une 6volution inverse : c'est le signe d'une saturation lbrte caracteris6e par une production 61ev6e d'6]tectrons secondaires. Entre 70 et 100°C, au contraire, la production des 61ectrons secondaires est moins rapide. I1 est ~, noter que ces r6sultats ne sont pas perturb6s par les post impulsions car dans le cas contraire la valeur absolue du coefficient d'asymetrie tendrait h diminuer & temp6rature 61ev6e. D'autre part, une analyse pr6cise des charges terminales est impossible pour des temp6ratures sup6rieures & 100°C en raison de la valeur elev6e de la pression (p>5 × 10 6 torr). La charge moyenne ~ delivree par un tube travaillant en r6gime proportionnel est li6e h la valeur du coefficient d'emission secondaire 6. La variation de ~-en fonction de la temp6rature montre qu'il n'en est plus de meme lorsque la charge est satur6e. En eflEt, en regle g6nerale, 6 d6croit de fa~:on monotone lorsque la temp6rature augmente en raison de la diffusion des 61ectrons secondaires par les vibrations du r6seau7). Ce r6sultat exp6rimental, s'il est transposable au cas du multiplicateur tubulaire, ne peut expliquer la soudaine augmentation de ff entre 40 et 100°C. Par contre, la croissance de la charge spatiale est n6cessairement

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corr616e h une production plus importante d'61ectrons secondaires dans la couche 6missive. L'analyse de ces r6sultats conduit ~t d6finir un mod61e de saturation des charges !i6 h la structure 61ectronique du semiconducteur. Certes, il n'existe pas de relation directe entre le courant de conduction qui obeit ~ l'6q. (2) et la charge moyenne ~. Mais la premi6re grandeur correspond ~t un 6tat d'6quilibre tandis que ia seconde est le r6sultat d'une forte perturbation 61ectronique. I1 faut donc supposer que l'action conjugu6e de l'agitation thermique et du bombardement des 61ectrons secondaires cr66s dans une cascade permet aux electrons situ6s initialement sur des niveaux ~> d'etre excit6s dans la bande de conduction. Sur le plan pratique, il semble qu'un fonctionnement du tube ~ des temp6ratures inf6rieures ~, +40°C environ soit sans influence sur la dur6e de vie de la couche 6missive. A des temp6ratures sup6rieures, la pression s'616ve par d6sorption du tube ou des mat6riaux environnants. I1 est bien connu que la contre-r6action ionique qui en r6sulte est susceptible d'alt6rer la dur6e de vie du tube lors d'un fonctionnement prolong6. Cependant une mesure de la charge moyenne, effectu6 la temp6rature ambiante quelques heures seulement apr6s le cyle en temp6rature, a donn6 une valeur sensiblement sup6rieure h la valeur initiale (1,3× 10 -~2 Cb contre 9,5x 10 -~ Cb. I1 est donc possible qu'un fonctionnement du tube vers 100°C puisse entrainer une modific?tion de la structure du mat6riau en surface qui se traduirait par une plus grande densit6 des niveaux donneurs.

R6f6rences 1) K. C. Schmidt et C. F. Hendee, IEEE Trans. Nucl, Sci. NS13, n ° 3 (1966) 100. 2) L. A. Harris, Rev. Sci. Instr. 42 (1971) 987. 3) C. Barat et al., Nucl. Instr. and Meth. 137 (1976) 559. 4) A. E. Owen, Contemp. Phys. 11, n ° 3 (1970) 227. 5) K. Hulls et P. W. McMillan, Proc. 3rd Int. Conf. on Liquid and amorphous semiconductors, Cambridge (September 1969). 6) C. Barat, non publi6. 7) A. J. Dekker, Physica 21 (1954) 29.