Carte de détection

Les détecteurs utilisés pour ce type d’instrument sont des galettes à micro-canaux (Micro Channel Plate). Les MCP sont des galettes de verre dopées et composées de micros canaux comme illustré sur la Figure 53, qui sont polarisées à une haute tension (quelques kilovolts). Lorsqu’une particule rencontre une des parois des micros canaux, des électrons secondaires sont émis, créant ainsi un effet avalanche en direction de la sortie des détecteurs, comme illustré sur la Figure 54. En pratique les MCP ne sont pas utilisées seules mais empilées soit par deux en « chevron » comme illustré sur la Figure 55, ou par trois en « Z-stack » comme visible sur la Figure 56. L’empilement des MCP permet d’augmenter le nombre de canaux actifs à chaque changement de MCP, et donc d’augmenter la charge totale collectée par les anodes lors de la détection d’une particule, passant d’un gain autour de 10L’empilement de trois MCP comme présenté sur la Figure 56 permet d’avoir un gain plus important qu’avec l’empilement chevron. Cependant, pour avoir ce fonctionnement la valeur de la tension de polarisation doit être plus important pour ce mode, autour de 3kV-4kV, au lieu des 2kV-3kV pour la configuration chevron. L’enjeu d’AMBRE 2 étant d’avoir un instrument faible consommation, et n’ayant pas la nécessité d’avoir un gain aussi important ; la configuration qui est utilisée et étudiée par la suite est l’empilement chevron.

Caractéristiques des MCP

A présent que le principe des détecteurs est présenté, cette partie s’intéresse à leurs caractéristiques. En pratique la réponse de ces détecteurs est caractérisée à travers deux grandeurs : le gain des MCP, qui correspond au nombre d’électrons secondaires émis lors de la détection d’une particule par unité de temps, et le taux de comptage qui correspond au nombre de particules que le détecteur est capable de détecter en une seconde. La première caractéristique qu’il faut étudier en pratique est celle tracée sur la Figure 57, qui correspond au taux de comptage mesuré en fonction de la tension de polarisation appliquée. Pour un flux de particules donné le taux de comptage augmente avec la tension de polarisation jusqu’à l’apparition d’un coude, avant que le taux de comptage ré-augmente après une valeur plus haute de la tension. En pratique les MCP devront être polarisées avec la tension de polarisation correspondant au coude de façon à avoir le taux de comptage maximal avec la valeur de haute tension la plus faible possible et d’avoir la variabilité la plus faible, notamment pour les calibrations. L’augmentation de la tension de polarisation ayant pour effet non seulement d’augmenter le gain mais aussi de réduire la durée de vie des détecteurs, il faudra veiller à ne pas trop l’augmenter. Avec le vieillissement, le gain des MCP se dégrade, et il faut régulièrement (en vol) augmenter les tensions de polarisation des MCP afin de compenser cette perte de gain .

Une autre caractéristique des MCP liée au taux de comptage est leur possible saturation. La Figure 58 montre le taux de comptage mesurable en fonction du courant de sortie moyen délivré par ces détecteurs, où une saturation est visible au-delà d’un certain courant, ce qui entraine la paralysie du système. Cette saturation vient du fait que lorsqu’une particule est détectée, les électrons secondaires émis modifient la distribution de potentiel localement dans la MCP. Ce rééquilibrage de potentiel se fait avec le courant de conduction qui circule dans la MCP (Vpola/ Rmcp). Si pendant ce temps une particule entre dans le détecteur, le gain des MCP devient plus faible. Ainsi, lorsque les taux de comptage deviennent très importants, le gain des MCP diminue jusqu’à ne plus pouvoir délivrer une charge suffisante en sortie pour être détectée par l’électronique front end. Ceci entraine l’écroulement du taux de comptage et un effet de saturation. Cette saturation étant dépendante du courant de conduction, plus la résistance des MCP est faible, plus la saturation apparaît pour des taux de comptage élevés, comme visible sur la Figure .

Enfin, le dernier paramètre à étudier pour les MCP est leur efficacité qui caractérise le ratio du nombre de particules détectées par rapport au nombre de particules reçues par les détecteurs. Ce paramètre varie avec l’énergie, l’angle et la masse des particules frappant les parois des MCP [15]. La dépendance avec l’énergie est tracée sur la Figure 60 pour des électrons détectés par des MCP polarisées de façon à accélérer les particules en amont des canaux avec une énergie de 200 eV – 300 eV, correspondant au point où l’efficacité des détecteurs est maximale [10]. On peut voir sur cette figure que l’efficacité des détecteurs diminue avec l’énergie des électrons, passant de 80 % à une valeur autour de 40 % pour les particules ayant une énergie autour de 30 keV. On peut noter que l’efficacité n’est jamais égale à un, à cause des zones mortes présentes entre les canaux des détecteurs.