Circuit haute tension

A présent que l’analyseur électrostatique et la carte de détection ont été étudiés, ce chapitre s’intéresse à l’étude des circuits haute tension qui servent à la polarisation les sphères du spectromètre et des détecteurs. Comme mentionné dans le troisième chapitre les détecteurs utilisés ici sont des MCP. Ces MCP sont des galettes à micro canaux qui produisent des électrons secondaires par effet d’avalanche lorsqu’une particule est détectée. Pour les besoins d’AMBRE 2 les MCP sont utilisées en « chevron » et sont polarisées avec une tension autour de 2000V pour créer l’effet avalanche.

Polarisation d’un stack de MCP

Un stack de MCP est composé d’une grille en entrée pour pré-accélérer les particules entrantes (avec une énergie autour de 300eV afin de maximiser l’efficacité des détecteurs, comme discuté dans le précédent chapitre), de deux MCP polarisées avec une tension de 2400V et des anodes polarisées avec une tension supérieure à celle des MCP afin de collecter tous les électrons secondaires, comme visible sur les Figure 81 et Figure 82.Ces deux figures présentent l’alimentation des MCP pour la mesure des électrons (Figure 81) et des ions (Figure 82). Pour la mesure des électrons, le potentiel de la grille est à une tension nulle de façon à ne pas ralentir les électrons incidents, tandis que les MCP sont à des potentiels supérieurs pour accélérer tous les électrons et les collecter au niveau de l’anode avec un potentiel autour de 3000V. Pour la mesure des ions, la grille est à un potentiel négatif autour de -3000V (pour accélérer les particules incidentes et maximiser l’efficacité des MCP [15]) tandis que l’anode est à la masse pour la collecte des électrons secondaires.

Architecture des circuits haute tension à utiliser

Le travail à réaliser consiste donc à polariser les détecteurs de manière à pouvoir changer la configuration en fonction du type de particule à mesurer. Les circuits haute tension utilisés pour AMBRE 2 reprennent globalement les principes des structures utilisées pour MEA de BEPI COLOMBO et AMBRE 1, afin de pérenniser les développements réalisés à l’IRAP. La Figure 84 illustre le principe du circuit de polarisation des détecteurs sur MEA. Celui-ci est composé, tout d’abord, d’un oscillateur à transistors qui, à partir des tensions d’alimentation continue 12V et – 12V, génère une tension sinusoïdale au primaire du transformateur qui fournit en sortie une tension sinusoïdale avec une amplitude environ vingt fois supérieure à celle du primaire. Cette tension est ensuite redressée et multipliée grâce à un circuit multiplieur composé de capacités et de diodes. La régulation de la haute tension se fait avec un régulateur PI (proportionnel intégral) qui compare une Le circuit présenté sur la Figure 84 est la cellule élémentaire qui sera utilisée pour la polarisation des détecteurs d’AMBRE 2. Pour la suite, la description des solutions possibles sera faite par rapport au nombre et à la configuration de ces cellules nommées « HT ».

Un premier circuit qui permet de réaliser la fonction désirée consiste à utiliser 2 « HT » reliées à la masse qui imposent leurs tensions aux bornes de la MCP. Parmi ces HT, l’une fournit une tension positive autour de 3000V aux anodes de la MCP lorsqu’elle est activée, tandis que l’autre fournit à la grille une tension négative autour de -3000V, comme visible sur la Figure 85. Lorsqu’une des deux HT est désactivée celle-ci présente une tension nulle, en sortie qui est appliquée soit au collecteur soit à la grille. Les résultats de simulations sont présentés sur la Figure 86, qui montre l’évolution de la tension entre les bornes du stack de MCP (en rouge), du potentiel des anodes (en orange) et du potentiel de grille (en bleu) pour des mesures alternées entre ions et électrons. Cette solution permet bien de changer la configuration des détecteurs. Cependant, un temps mort doit être respecté entre le changement de configuration pour éviter toute surtension aux bornes des MCP.

Pour cette structure, l’idée est de conserver une tension constante aux bornes de la MCP entre la mesure des ions et celles des électrons, afin d’éviter tout stress de tension pour les détecteurs. Pour cela, deux « HT » sont utilisées, une qui fournit une tension constante autour de 3000V entre les bornes du stack, tandis que l’autre HT fixe l’offset entre la grille et la masse, comme visible sur la Figure 87. En fonction de l’offset appliqué (-3kV ou 0V) la configuration des détecteurs sera soit conforme à la mesure des ions, soit à celle des électrons. Les résultats de simulations sont présentés sur la Figure 88 avec l’évolution de la tension entre les bornes du stack (en rouge), du potentiel des anodes (en orange) et du potentiel de grille (en bleu) pour des mesures alternées entre ions et électrons. Cette solution permet bien de changer la configuration des MCP avec l’avantage de conserver une tension constante entre les détecteurs. Un autre avantage pour cette solution est d’avoir une meilleure dynamique puisque contrairement à la solution précédente, il n’y a plus de risque de surtension pour les MCP.