FR2472189A1 - METHOD AND ARRANGEMENT FOR MEASURING THE INTENSITY OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN THE SPECTRAL FIELD OF MICROWAVES AND INFRA-RED - Google Patents
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Abstract
PROCEDE DE MESURE DE L'INTENSITE D'UN RAYONNEMENT ELECTRO- MAGNETIQUE DANS LE DOMAINE SPECTRAL DES MICRO-ONDES ET DES INFRA-ROUGES. ON AMENE DES ATOMES D'UN ELEMENT PREDETERMINE A UN ETAT D'EXCITATION D'UN NIVEAU TEL QU'ILS PEUVENT ABSORBER LE RAYONNEMENT A MESURER SANS ETRE IONISES. ON SOUMET LES ATOMES EXCITES EN PLUS PAR LE RAYONNEMENT ABSORBE A UNE INTENSITE DE CHAMP ELECTRIQUE POUVANT IONISER LES ATOMES EXCITES EN PLUS, MAIS PAS LES ATOMES DE L'ETAT D'EXCITATION PREDETERMINE. ON DETECTE LES PORTEURS DE CHARGE FORMES LORS DE L'IONISATION EN PRODUISANT UN SIGNAL DE SORTIE ELECTRIQUE.METHOD OF MEASURING THE INTENSITY OF ELECTRO-MAGNETIC RADIATION IN THE SPECTRAL FIELD OF MICROWAVE AND INFRA-RED. ATOMS OF A PREDETERMINED ELEMENT ARE BROUGHT TO A STATE OF EXCITEMENT OF A LEVEL SUCH THAT THEY CAN ABSORB THE RADIATION TO BE MEASURED WITHOUT BEING IONIZED. THE ATOMS EXCITED ALSO BY THE ABSORBED RADIATION ARE SUBJECTED TO AN ELECTRIC FIELD INTENSITY THAT CAN IONIZE THE EXCITED ATOMS IN ADDITION, BUT NOT THE ATOMS OF THE PREDETERMINED EXCITATION STATE. CHARGE CARRIERS FORMED DURING IONIZATION ARE DETECTED BY GENERATING AN ELECTRICAL OUTPUT SIGNAL.
Description
La présente invention concerne un procédé de mesure de l'intensité duThe present invention relates to a method for measuring the intensity of the
rayonnement électromagnétique dans le domaine spectral des micro-ondes et des infra-rouges. Elle concerne également des dispositifs pour electromagnetic radiation in the spectral range of microwaves and infra-reds. It also relates to devices for
mettre en oeuvre ce procédé.implement this method.
La détection et la mesure de l'intensité de rayonnement électromagnétique de grande longueur d'onde, notamment dans l'infra-rouge moyen et lointain ainsi que dans le domaine des micro-ondes, est difficile à cause de la faible énergie des quanta de rayonnement. Il était antérieurement pratiquement impossible de détecter quantitativement de chacun des quanta de rayonnement dans le domaine des longueurs d'onde situé au-delà d'environ 10 The detection and measurement of the intensity of longwave electromagnetic radiation, especially in the medium and far infrared as well as in the microwave field, is difficult because of the low energy of the quantum of radiation. It was previously virtually impossible to quantitatively detect each quanta of radiation in the wavelength range beyond about 10
micron à 10 cm.micron to 10 cm.
En conséquence, la présence invention a pour objet des Consequently, the subject of the present invention is
procédés et des dispositifs de mesure de l'intensité d'un rayonnement électro- methods and devices for measuring the intensity of an electro-
magnétique de telles longueurs d'onde, qui conviennent même pour de très faibles intensités de rayonnement et permettent pratiquement de détecter chacun des magnitudes of such wavelengths, which are suitable even for very low radiation intensities and are practically capable of detecting each of the
quanta de rayonnement.quanta of radiation.
Pour atteindre cet objectif, selon l'invention, on amène des atomes d'un élément prédéterminé à un état d'excitation prédéterminé d'un niveau d'énergie tel qu'ils peuvent absorber le rayonnement à mesurer, sans To achieve this objective, according to the invention, atoms of a predetermined element are brought to a predetermined excitation state of a level of energy such that they can absorb the radiation to be measured without
être de ce fait ionisés, on soumet les atomes, excités en plus par le rayonne- be ionized, we submit the atoms, excited in addition by the radiation-
ment absorbé, à un champ électrique d'une intensité telle qu'il peut ioniser les absorbed, to an electric field of such intensity as to
atomes excités en plus, mais pas les atomes se trouvant dans l'état d'excita- excited atoms in addition, but not the atoms in the state of excita-
tion prédéterminé, et l'on détecte les porteurs de charge qui apparaissent preset, and the charge carriers that appear
lors de l'ionisation en engendrant un signal de sortie électrique. during ionization by generating an electrical output signal.
D'autres variantes et modes d'exécution avantageux du procédé selon l'invention, ainsi que des dispositifs avantageux pour mettre Other variants and advantageous embodiments of the method according to the invention, as well as advantageous devices for putting
en oeuvre le procédé selon l'invention seront indiqués plus loin. the process according to the invention will be indicated later.
Dans le procédé selon l'invention, on utilise les tran- In the process according to the invention, the
sitions micro-ondes ou infra-rouges entre des états d'énergie fortement exci- microwaves or infra-red conditions between highly excited energy states
tés d'atomes qui sont induites par le rayonnement à détecter. La probabilité atoms that are induced by the radiation to be detected. The probability
de telles transitiors est proportionnelle à la puissance quatre du nombre quan- such transitiors is proportional to the power four of the quanti-
tique principal des états d'énergie entre lesquels a lieu la transition en question. On peut alors obtenir pour résultat dans le cas d'atome suffisamment excités que chaque photon ou quantum de rayonnement incident provoque une transition. On peut détecter le changement d'énergie de l'atome excité ainsi the energy states between which the transition in question takes place. We can then obtain as a result in the case of atom sufficiently excited that each photon or quantum of incident radiation causes a transition. One can detect the energy change of the excited atom as well
provoqué en ionisant l'atome par un champ électrique extérieur. Une telle ioni- caused by ionizing the atom by an external electric field. Such an ioni-
sation sous l'effet d'un champ est possible, pour des états hautement excités avec des intensités de champ relativement faibles qui sont en pratique de l'ordre de quelques centaines de volts par centimètre (V/cm). Du fait que l'énergie d'ionisation dépend de l'énergie de.1'état excité dans lequel se trouve l'atome en question, on peut régler la tension engendrant le champ de Field excitation is possible for highly excited states with relatively low field strengths which are in practice of the order of a few hundred volts per centimeter (V / cm). Since the ionization energy depends on the energy of the excited state in which the atom in question is located, it is possible to adjust the voltage generating the field of
telle façon que, certes les -atomes excités en plus par le rayonnement à détec- in such a way that, indeed, the atoms excited in addition to the radiation
ter s'ionisent, mais pas les atomes qui sont à l'état initial excité avant ter ionize, but not the atoms that are in the excited initial state before
l'absorption du rayonnement à détecter. the absorption of the radiation to be detected.
L'ionisation sous l'effet d'un champ est quantitative et, Ionization under the effect of a field is quantitative and,
du fait qu'on peut.détectel, chaque ion ou électron apparaissant lors de l'io- because it can be detected, each ion or electron appearing during the io-
nisation, on peut, dans le cas optimum, détecter individuellement chaque photon incident. L'absorption des photons par l'atome se trouvant dans l'état In the optimum case, it is possible to detect each incident photon individually. The absorption of photons by the atom in the state
initial fortement excité est certes sélective, du fait que seules des transi- initially strongly excited is certainly selective, since only
tions discrètes sont possibles dans l'atome. Mais les intervalles sont très serrés dans le cas d'atomes hautement excités, et l'on peut en outre obtenir,_ Discrete statements are possible in the atom. But the intervals are very tight in the case of highly excited atoms, and one can further obtain
par des champs électriques ou magnétiques extérieurs supplémentaires, un déca- additional external electric or magnetic fields, a decommissioning
lage ou un dédoublement supplémentaire des niveaux d'énergie atomiques, de or additional splitting of atomic energy levels,
sorte qu'on peut obtenir un domaine de longueurs d'onde ou de fréquences large- so that a range of wavelengths or wide frequencies can be obtained
ment continu pour le rayonnement à détecter. continuously for the radiation to be detected.
Du fait que les états hautement excités de l'atome sont détruits par des chocs, il faudrait utiliser des atomes libres dans un vide Because the highly excited states of the atom are destroyed by shocks, free atoms should be used in a vacuum
poussé, de préférence sous la forme d'un rayonnement atomique.En outre, l'envi- preferably in the form of atomic radiation.In addition, the envi-
ronnement des atomes hautement excités doit être refroidi à des températures highly excited atoms must be cooled to
aussi basses que possible, pour supprimer l'influence du rayonnement thermique. as low as possible, to suppress the influence of thermal radiation.
Du fait que la durée de vie des états hautement excités dépend du cube du nombre quantique principal, ces états ont une grande durée de Because the lifetime of highly excited states depends on the cube of the main quantum number, these states have a long duration of
vie, de sorte que l'on peut séparer mutuellement les domaines o le rayonne- life, so that we can separate the areas where the radiation
ment à détecter est incident et o la détection des transitions a lieu. detect is incident and o transitions detection takes place.
L'excitation des états hautement excités est effectuée de façon appropriée par l'intermédiaire d'un état métastable. Il convient dans ce but d'utiliser, par exemple, l'état 22S1 2 de l'hydrogène. Comme autres atomes qui présentent également des états métastables appropriés, il y a lieu de citer les atomes des gaz rares, des métaux alcalino-terreux, des éléments du second groupe associé (Zn, Cd, Hg) du tableau périodique, ainsi que des Excitation of the highly excited states is suitably performed via a metastable state. For this purpose it is appropriate to use, for example, the state 22S1 2 of hydrogen. Other atoms which also have suitable metastable states include rare gas atoms, alkaline earth metals, elements of the second group (Zn, Cd, Hg) of the periodic table, as well as
éléments Mn et Eu.Mn and Eu elements.
Les états initiaux hautement excités peuvent être pro- The highly excited initial states can be
duits de différentes façons, de préférence au cours d'un processus à deux éta- in different ways, preferably in a two-step process.
-pes. Au cours d'une première étape, on excite les atomes par un procédé d'excitation partiellement sélectif, comme des chocs électroniques, une décharge en faisceau de particules ou un échange de charges avec des ions d'autres éléments, ou encore des chocs de second type. Au cours d'une seconde -PES. During a first step, the atoms are excited by a partially selective excitation process, such as electronic shocks, a particle beam discharge or charge exchange with ions of other elements, or shocks of particles. second type. During a second
étape, on occupe alors l'état initial hautement excité par lequel le rayonne- stage, we then occupy the highly excited initial state by which the
ment micro-ondes ou infra-rouge à détecter est absorbé, de préférence avec un laser à variation de fréquence continue, par exemple un laser à colorants. Bien entendu, l'état initial hautement excité peut aussi être produit par un procédé d'excitation à une seule étape, ce pour quoi des lasers de fréquence The microwaves or infrared detectors to be detected are absorbed, preferably with a continuous frequency variation laser, for example a dye laser. Of course, the highly excited initial state can also be produced by a single-step excitation method, for which frequency lasers
de rayonnement correspondante sont encore une fois appropriés. corresponding radiation are once again appropriate.
Pour détecter les atomes excités en supplément par le rayonnement infrarouge ou micro-ondes absorbé à détecter, on les ionise par un champ électrique qui peut certes ioniser les atomes, qui ont été excités en supplément par l'absorption d'un quantum du rayonnement à détecter, mais pas In order to detect the additional excited atoms by the infrared or absorbed microwave radiation to be detected, they are ionised by an electric field which can ionize the atoms, which have been excited in addition by the absorption of a quantum of the radiation at detect but not
les atomes qui se trouvent à l'état hautement excité, absorbant pour le rayon- atoms which are in the highly excited state, absorbing for
nement à détecter. Lors de l'ionisation par un champ, il apparaît par atome to detect. When ionizing by a field, it appears per atom
ionisé, un électron et un ion dont la charge respective, peut être détectée. ionized, an electron and an ion whose respective charge can be detected.
On détecte de préférence les électrons par amplification dans un multiplica- Electrons are preferably detected by amplification in a multiplication
teur d'électrons secondaires, par exemple un "Channeltron" (multiplicateur à secondary electrons, for example a "Channeltron" (multiplier to
canaux). On peut aussi cependant détecter les ions qui apparaissent. canals). However, it is also possible to detect the ions that appear.
En ce qui concerne l'ionisation par un champ, il y a encore lieu de noter qu'elle peut être influencée par les nombres quantiques des états occupés. Ainsi, par exemple, il est possible d'obtenir, par un choix As far as ionization by a field is concerned, it should be noted that it can be influenced by the quantum numbers of occupied states. So, for example, it is possible to obtain, by a choice
judicieux de la polarisation du faisceau laser engendrant l'état initial haute- of the polarization of the laser beam generating the high initial state of
ment excité ou du rayonnement à détecter, une discrimination supplémentaire de l'état final. En outre, on peut focaliser des atomes d'états d'excitation finaux déterminés (donc après absorption du rayonnement à détecter) par une combinaison de champs électriques et magnétiques hétérogènes et les détecter sélectivement dans le faisceau d'atomes. Cela permet encore une sélection excited or radiation to be detected, additional discrimination of the final state. In addition, it is possible to focus atoms of final excitation states determined (thus after absorption of the radiation to be detected) by a combination of heterogeneous electric and magnetic fields and detect them selectively in the beam of atoms. This still allows a selection
supplémentaire de l'état final atteint par le rayonnement à détecter. additional state of the final state reached by the radiation to be detected.
On a représenté schématiquement sur la figure unique du dessin annexé un exemple d'exécution non limitatif d'agencement destiné à FIG. 1 shows diagrammatically in the single figure of the appended drawing an example of non-limiting execution of an arrangement intended to
mettre en oeuvre le procédé selon l'invention. implement the method according to the invention.
Le dispositif représenté schématiquement comprend une source de rayonnement atomique 10, constitué de façon connue et fournissant The device shown schematically comprises an atomic radiation source 10, constituted in a known manner and providing
un faisceau d'atomes 12 à énergie thermique distribuée. Ce peut être un fais- a beam of atoms 12 with distributed thermal energy. It can be a
ceau d'atomes d'hydrogène, d'atomes de métaux alcalins comme Na, dont les états de résonance sont bons à occuper ou tout autre type d'atomes approprié (voir plus haut). Les atomes du faisceau 12 sont amenés à un état hautement excité par un dispositif 14 qui peut comprendre deux étages 14a et 14b, par exemple, dans le cas d'atomes d'hydrogène, d'abord à l'état2251/2. C'est alors qu'a lieu.l'excitation laser. Ensuite, on fait absorber le rayonnement 16 à a group of hydrogen atoms, alkali metal atoms such as Na, whose resonance states are good to occupy, or any other suitable type of atom (see above). The atoms of the beam 12 are brought to a highly excited state by a device 14 which may comprise two stages 14a and 14b, for example, in the case of hydrogen atoms, first in the state 2251/2. This is where the laser excitement takes place. Then, the radiation 16 is absorbed at
détecter par les atomes hautement excités, comme on.1'a indiqué schématique- detect by the highly excited atoms, as has been indicated schematically
ment par une flèche 16. Dans la zone d'absorption ou dans la direction de rayon. by an arrow 16. In the absorption zone or in the radius direction.
nement peut après elle se trouve un dispositif 18, représenté schématiquement par deux plaques de condensateur, qui fait agir sur le faisceau d'atomes un champ électrique d'une intensité telle qu'il ionise certes les atomes qui ont été excités en supplément par l'absorption du rayonnement 16 à détecter, mais pas ceux des atomes hautement excités du faisceau qui n'ont pas absorbé de rayonnement 16. Les porteurs de charge apparaissant lors de l'ionisation sont Afterwards, there is a device 18, diagrammatically represented by two capacitor plates, which makes an electric field of an intensity such that it ionises the atoms which have been excited in addition by absorption of the radiation 16 to be detected, but not those of the highly excited atoms of the beam which have not absorbed radiation 16. The charge carriers appearing during the ionization are
détectés de façon appropriée, par exemple en faisant de "la plaque de condensa- detected appropriately, for example by making the "condensate plate"
teur" positive une électrode d!entrée d'un multiplicateur d'électrons secon- "positive" an input electrode of a secondary electron multiplier
daires 20 qui délivre une impulsion de sortie à une borne de sortie 22 par électron produit lors de l'ionisation et absorbé à son électrode d'entrée. On 20 which delivers an output pulse to an output terminal 22 per electron produced during ionization and absorbed at its input electrode. We
peut aussi détecter les ions qui apparaissent. can also detect the ions that appear.
L'agencement décrit se trouve dans un récipient à vide The described arrangement is in a vacuum container
24 représenté seulement schématiquement, dans lequel on a fait un vide poussé. 24 only schematically, in which we made a high vacuum.
On refroidit au moins les zones de paroi visibles à partir du faisceau 12, ou un blindage (non représenté) entourant le faisceau, à une température aussi At least the visible wall areas from the beam 12, or a shield (not shown) surrounding the beam, are cooled to a temperature as low as
basse que possible, notamment la température de l'azote liquide ou avantageuse- as low as possible, particularly the temperature of the liquid nitrogen or
ment de l'hydrogène liquide, ou de l'hélium liquide, pour maintenir aussi faible que possible l'influence du rayonnement thermique de fond sur les états liquid hydrogen, or liquid helium, to keep the influence of background
hautement excités.highly excited.
La largeur de bande du transducteur opto-électrique selon l'invention est déterminée par la largeur de la bande-d'absorption des The bandwidth of the optoelectric transducer according to the invention is determined by the width of the absorption band of the
atomes hautement excités à l'état initial. Si l'on utilise un faisceau d'ato- highly excited atoms in the initial state. If we use a beam of ato-
mes bien focalisé, la largeur Doppler résiduelle du faisceau est faible, d'au- my focus, the residual Doppler width of the beam is small,
tant plus que la fréquence correspondant aux transitions se trouve dans le so much more than the frequency corresponding to the transitions is in the
domaine des micro-ondes ou des infra-rouges. La largeur de la bande d'absorp- field of microwaves or infra-red. The width of the absorption band
tion dépend alors essentiellement de l'interaction du faisceau à détecter avec les atomes hautement excités et elle est en pratique d'environ 100 KHz. Cela donne essentiellement la possibilité de détecter un rayonnement à bande étroite This depends essentially on the interaction of the beam to be detected with the highly excited atoms and is in practice about 100 KHz. This essentially gives the possibility of detecting narrowband radiation
Cependant, on peut aussi adapter la largeur de bande aux conditions nécessaires. However, one can also adapt the bandwidth to the necessary conditions.
dans chaque cas par dispersion des états au moyen d'un champ magnétique hété- in each case by dispersion of the states by means of a heterogeneous magnetic field.
rogène.genic.
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