WO2007071872A1 - Detecteur de signaux optiques ultra-rapides - Google Patents

Detecteur de signaux optiques ultra-rapides Download PDF

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WO2007071872A1
WO2007071872A1 PCT/FR2006/051360 FR2006051360W WO2007071872A1 WO 2007071872 A1 WO2007071872 A1 WO 2007071872A1 FR 2006051360 W FR2006051360 W FR 2006051360W WO 2007071872 A1 WO2007071872 A1 WO 2007071872A1
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WO
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electrons
zone
electron
optical signal
signal detector
Prior art date
Application number
PCT/FR2006/051360
Other languages
English (en)
Inventor
François Salin
Andrei Belsky
Patrick Martin
Philippe Metivier
Philippe Yvernault
Original Assignee
Femlight
Centre National De La Recherche Scientifique
Universite De Bordeaux 1
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Filing date
Publication date
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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J43/00—Secondary-emission tubes; Electron-multiplier tubes
    • H01J43/04—Electron multipliers
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B10/00—Transmission systems employing electromagnetic waves other than radio-waves, e.g. infrared, visible or ultraviolet light, or employing corpuscular radiation, e.g. quantum communication
    • H04B10/60—Receivers
    • H04B10/66—Non-coherent receivers, e.g. using direct detection

Definitions

  • the present invention relates to an ultrafast and / or low intensity optical signal detector.
  • High-speed optical signals are understood to mean signals having a duration of less than 10 nanoseconds.
  • the signals consist of light pulses produced at a rate of 40 GHz.
  • Electronic systems are known (photodetectors followed by an electronic sampler) which makes it possible to detect fast optical signals. These systems are limited by the ultimate speed of electronic circuits. The current limit is around 20-30 picoseconds. The speed of displacement of the electrons in the photodetector imposes a very small dimension for the detector which greatly limits its sensitivity.
  • Photomultipliers have excellent sensitivity but their temporal resolution is limited to 30 picoseconds. It is necessary to associate to them an electronic detector whose bandwidth is higher than 30 GHz.
  • Simple systems have a temporal resolution of about 1 nanosecond. Slit scan cameras have resolutions of less than 1 picosecond but at the cost of very limited sensitivity and very low dynamics. Their cost is more than 100 K €.
  • Optical correlation systems involve the use of a femtosecond laser inside the detector.
  • the complexity is very high and the cost prohibitive.
  • a first idea is to integrate detection and sampling functions in the same tube. The cost of the set is therefore potentially lower than that of any rapid detection chain using a photon-electron converter (photodiode, photomultiplier ...) followed by a high-speed electronic system.
  • dissector of the article "Commissioning of Bound Length Monitor at AMPS” J. Coppens et al., Proc., EPAC 96, Stiges, pp. 1704.
  • This conventional dissector shown in Figure 1 is intended for the analysis of synchrotron radiation but also any type of light radiation to the extent that the photocathode is sensitive. This may involve wavelengths ranging from ultraviolet to infrared.
  • a photocathode 1 converts the photons of a fast light signal into electrons to focus them before they pass through a deflection zone 3. These electrons then pass through a sampling zone 12 comprising at its entrance a sheet of light.
  • metal 9 here aluminum
  • This sheet of metal 9 aims to slow down the electrons and reduce their energy up to an acceptable energy by the first dynode 8 of an electron multiplier 7.
  • the metal sheet 9 is placed in front of the first dynode 8.
  • the zone sampling 12 comprises at its output a collector anode 10.
  • the thickness of the aluminum foil 9 is such that a secondary electron is transmitted for an electron of several keV incident on the sheet 9. This secondary electron is then of low energy.
  • the potential difference between the first dynode 8 and the metal foil is about 500V.
  • the photocathode 1 is about -1OkV and the metal sheet 9 at -3kV.
  • the energy of the electrons is therefore 7keV.
  • the energy of the secondary electrons emitted by the sheet of metal 9 is almost zero.
  • the potential difference between the first dynode 8 and the metal sheet 9 brings these secondary electrons to an energy of 50OeV. From then on, we are in the usual conditions of operation of an electron multiplier.
  • the production of an aluminum foil 9 having the transmission properties 1 to 1 is difficult.
  • the thickness is only a few micrometers.
  • the secondary emission statistics must be of good quality so as not to create instability in the gain of the photomultiplier.
  • the shape and position of the first dynode 8 of the electron multiplier must be calculated in order to ensure good collection efficiency which also enters into the calculation of the multiplier gain.
  • the signal-to-noise ratio of a photomultiplier depends essentially on the collection and secondary emission efficiency of the first dynode 8.
  • the design of the sheet metal pair 9 / first dynode 8 is therefore essential in this type of embodiment.
  • the invention proposes to simplify the configuration by collecting the photoelectrons directly on the first dynode 8 with optimum energy.
  • the secondary emission efficiency is optimal and therefore the signal-to-noise ratio at the output of the electron multiplier is better.
  • the detector also has greater sensitivity to deflection.
  • the object of the present invention is therefore to provide an ultrafast optical signal detector which combines the time resolution advantages of a slit scanning camera and sensitivity of a photomultiplier at a low cost.
  • the invention relates to an ultrafast and / or low intensity optical signal detector comprising: a photocathode converting the photons of ultra-fast optical signals entering into electrons,
  • a focusing zone comprising focussing electrodes focusing the electrons
  • a deflection zone comprising a transverse electric field produced by deflection electrodes deviating said electrons from the axis perpendicular to the photocathode, a means of slowing the electrons,
  • the means for slowing electrons consists of an elongated electron deceleration zone.
  • the present invention also relates to the following features which may be considered individually or in all their technically possible combinations and each bring specific advantages:
  • the electron deceleration zone is located between the deflection zone and the sampling zone
  • the potential difference of the deceleration zone of the electrons corresponds to the voltage applied to the electron multiplier, the potential of the sampling slot is identical to that of the first dynode,
  • the potential of the photocathode is greater than that of the first dynode, the length of the different zones and the potential of the focusing electrodes are determined in such a way as to obtain an electron image of the smallest electrons in terms of the slot of sampling,
  • the electron multiplier is a chain of dynodes
  • FIG. 1 is a representation of a conventional detector called "dissector" according to the prior art
  • FIG. 2 is a schematic representation of a high-speed optical signal detector according to the invention
  • FIG. 3 is a schematic representation of an optical signal detector according to the invention, comprising a chain of dynodes
  • FIG. 2 represents an example of a high-speed optical signal detector according to the invention comprising a photocathode 1 which converts the photons of the incoming optical signal into an electron.
  • Photocathode 1 is sensitive to wavelengths ranging from ultraviolet to infrared.
  • an electrostatic field of several kV / mm allows the extraction of electrons in the vacuum along the axis 4 of the tube. These electrons are then focused in a focusing zone 13 by focusing electrodes 2 whose number is variable.
  • the electrons then enter a deflection zone 3 where a transverse electromagnetic field deflects the electrons from the axis 4 perpendicular to the photocathode 1.
  • the ultrafast optical signal detector also comprises a sampling zone 12 comprising a slot of FIG. sampling 6 and an electron multiplier 7.
  • the electron multiplier 7 comprises a first dynode 8 and a collector anode 10.
  • the electric field applied between the deflection plates 5 is variable and only the electrons passing through the plates 5, when the field is zero, can pass through the sampling slot 6 placed between the deflection zone 3 and the electron multiplier 7. This allows temporal sampling.
  • the electron multiplier may be a chain of dynodes 14 as shown in FIG. 3. It may be any other type of electron multiplier. In the case of low probability photonic events.
  • the chain of dynodes 14 may be replaced by a microchannel slab or a channeltron.
  • the electrons that pass through the sampling slot 6 have an energy of several KeV. They are too energetic to be able to extract with good efficiency the electrons of the first dynode 8 of a 7 electron multiplier standard. Indeed, the maximum efficiency of secondary electron emission in the usual materials is reached for electrons having an energy of about 50OeV.
  • the conversion efficiency and the collector power of the first dynode 8 of an electron multiplier 7 are the major determinants of the signal-to-noise ratio of an electron multiplier. Hence the importance of looking after the interface between the electron multiplier 7 and the sampling slot 6.
  • the means for slowing electrons consists solely of an elongated electron deceleration zone 11 without metal foil.
  • the term "elongate zone” means an area which is longer than in the detectors of the prior art which comprises a sheet of metal.
  • the elongated electron deceleration zone 11 aims to reduce the energy of the electrons advantageously to about 50OeV when they arrive at the first dynode 8 of an electron multiplier 7.
  • This electron deceleration zone 11 is between the deflection zone 3 and the sampling zone 12. It also participates in the focusing of the electrons. More specifically, it is located between the sampling slot 6 and the exit of the deflection zone 16.
  • the length Li of the deceleration zone of the electrons 11 can be between 60 and 120 mm without being limited.
  • the length of the detector according to the invention is therefore greater than that of conventional detectors.
  • the distance between the sampling slot 6 and the output of the deflection area 16 L 0 , detectors of the prior art, is less than Li.
  • the deceleration zone of the electrons 11 has a potential difference reducing the energy of the electrons which goes from 4 KeV to 50OeV.
  • This electron deceleration zone 11 constitutes a buffer zone between the portion determining the temporal resolution and the portion providing the sensitivity.
  • the potential of the focusing electrodes 2 and the lengths of the various zones 13, 3, 11 are adjusted so that the electron image of the electrons resulting from the photocathode 1 is as small as possible in terms of the sampling slot 6. cost reasons, a maximum electrode is connected to the ground to reduce the number of power supplies. Several means of realization can be envisaged depending on whether performance or cost is preferred.
  • the inlet 15 and the outlet 16 of the deflection zone 3 are at the same potential, ground for example.
  • the collecting anode 10 is placed at the end of the electron multiplier 7 and is connected to the ground so as to bias the first dynode 8 in negative.
  • the first dynode 8 is at -3.5KV.
  • the potential of the sampling slot 6 is equal to that of the first dynode 8. It is quite possible to bias the chain of dynodes 14 positive for certain applications. The potential difference of the deceleration zone of the electrons
  • 11 corresponds to the voltage applied to the electron multiplier 7, typically between 2 and 3.5kV without being limited.
  • the potential of the photocathode 1 be between 2.5 and 4kV.
  • the potential of the photocathode 1 must be greater than that of the first dynode 8 of at least 100V up to 1.5kV, 500V being optimal.
  • the potential difference between the photocathode 1 and the first dynode 8 is 500V, which fixes the potential of photocathode 1 at -4KV.
  • the potential difference between the photocathode 1 and this deflection zone 3 is important since it determines the electron passage speed and thus the deflection sensitivity. It is between 2.5 and 4kV.
  • the invention is also distinguished from the prior art by the fact that the gain of an electron multiplier according to a device of the prior art is independent of the electronic focusing optics while the one according to the invention is fixed by the potential of the first dynode 8 which enters into the computation of the electronic optics for the focusing of the electrons on the sampling slot 6.
  • the ultrafast optical signal detector according to the invention is based on very short laser pulses. They currently use as sensors a scanning slot camera whose sensitivity is several orders of magnitude lower than the detector and the cost is very important.
  • the measurement capacity of the ultrafast optical signal detector according to the invention being absolute with resolutions of the order of one picosecond, it would be possible to envisage rangefinders whose spatial resolution is order of a few tens of micrometers while maintaining a dynamic range of up to several kilometers.
  • the fluorescence time of the markers is used as a measure of the physicochemical environment of the object to be analyzed. Fluorescence signals must be measured rapidly with resolutions of the order of 10 picoseconds.
  • the detector according to the invention can also be used in time-resolved spectroscopy.

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  • Physics & Mathematics (AREA)
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  • Signal Processing (AREA)
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Abstract

L'invention concerne un détecteur de signaux optiques ultra-rapides et/ou de faible intensité comprenant une photocathode (1 ) convertissant les photons de signaux optiques ultra-rapides entrant en électrons, une zone de focalisation (13) comportant des électrodes de focalisation (2) focalisant lesdits électrons, une zone de déflection (3) comportant un champ électrique transverse produit par des électrodes de déflection (5) déviant lesdits électrons de l'axe (4) perpendiculaire à la photocathode (1 ), un moyen de ralentissement desdits électrons et une zone d'échantillonnage (12) comportant une fente d'échantillonnage (6) et un multiplicateur d'électrons (7) ayant une première dynode (8) et une anode collectrice d'électron (10), Selon l'invention, le moyen de ralentissement desdits électrons consiste en une zone de décélération des électrons (11 ) allongée.

Description

DETECTEUR DE SIGNAUX OPTIQUES ULTRA-RAPIDES
La présente invention concerne un détecteur de signaux optiques ultra-rapides et/ou de faible intensité. On entend par signaux optiques ultra-rapides, des signaux ayant une durée inférieure à 10 nanosecondes.
Avec le développement des besoins en communication à haut débit, les compagnies de matériels pour les télécommunications optiques ont introduit un nouveau standard de communications à 40 GHz. Dans cette application, les signaux consistent en des impulsions lumineuses produites à une cadence de 40 GHz.
Afin de permettre un retour à zéro entre deux bits, il faut utiliser des impulsions de quelques picosecondes (1 - 5 picosecondes typiquement).
On connaît des systèmes électroniques (photodétecteurs suivis d'un échantillonneur électronique) qui permet de détecter des signaux optiques rapides. Ces systèmes sont limités par la vitesse ultime des circuits électroniques. La limite actuelle se situe autour de 20-30 picosecondes. La vitesse de déplacement des électrons dans le photodétecteur impose une dimension très faible pour le détecteur ce qui limite fortement sa sensibilité. Les photomultiplicateurs ont une excellente sensibilité mais leur résolution temporelle est limitée à 30 picosecondes. Il faut leur associer un détecteur électronique dont la bande passante est supérieure à 30 GHz. Les systèmes simples ont une résolution temporelle de l'ordre de 1 nanoseconde. Les caméras à balayage de fente présentent des résolutions inférieures à 1 picoseconde mais au prix d'une sensibilité très limitée et d'une dynamique très réduite. Leur coût est supérieur à 100 K€.
Les systèmes de corrélation optiques impliquent l'utilisation d'un laser femtoseconde à l'intérieur du détecteur. La complexité est très grande et le coût prohibitif. Une première idée consiste à intégrer des fonctions de détection et d'échantillonnage dans le même tube. Le coût de l'ensemble est donc potentiellement inférieur à celui de n'importe quelle chaîne de détection rapide utilisant un convertisseur photon-électron (photodiode, photomultiplicateur...) suivi d'un système électronique ultra-rapide.
Nous connaissons un tel dispositif appelé dissecteur de l'article « Commissioning of Bunch Length Monitor at AMPS » (J. Coppens et al., Proc .EPAC 96, Stiges, pp. 1704). Ce dissecteur conventionnel représenté sur la figure 1 est destiné à l'analyse de radiations synchrotrons mais également de tout type de radiation lumineuse dans la mesure où la photocathode est sensible. Cela peut concerner des longueurs d'ondes allant de l'ultraviolet à l'infrarouge.
Dans ce détecteur, une photocathode 1 convertit les photons d'un signal lumineux rapide en électrons pour les focaliser avant qu'ils ne traversent une zone de déflection 3. Ces électrons traversent ensuite une zone d'échantillonnage 12 comprenant à son entrée une feuille de métal 9 (ici de l'aluminium). Cette feuille de métal 9 vise à ralentir les électrons et à réduire leur énergie jusqu'à une énergie acceptable par la première dynode 8 d'un multiplicateur d'électron 7. La feuille de métal 9 est placée devant la première dynode 8. La zone d'échantillonnage 12 comprend à sa sortie une anode collectrice 10.
L'épaisseur de la feuille d'aluminium 9 est telle qu'un électron secondaire est transmis pour un électron de plusieurs keV incident sur la feuille 9. Cet électron secondaire est alors de faible énergie. La différence de potentiel entre la première dynode 8 et la feuille de métal est de 500V environ. En pratique, la photocathode 1 est à environ -1OkV et la feuille de métal 9 à -3kV. L'énergie des électrons est donc de 7keV. L'énergie des électrons secondaires émis par la feuille de métal 9 est quasi nulle. La différence de potentiel entre la première dynode 8 et la feuille de métal 9 amène ces électrons secondaires à une énergie de 50OeV. Dès lors, nous sommes dans les conditions usuelles de fonctionnement d'un multiplicateur d'électrons.
La réalisation d'une feuille d'aluminium 9 ayant les propriétés de transmission 1 pour 1 est difficile. L'épaisseur n'est que de quelques micromètres. De plus, la statistique d'émission secondaire doit être de bonne qualité pour ne pas créer d'instabilité dans le gain du photomultiplicateur. Enfin, la forme et position de la première dynode 8 du multiplicateur d'électrons doivent être calculées afin de garantir une bonne efficacité de collection qui elle aussi entre dans le calcul du gain du multiplicateur. Le rapport signal à bruit d'un photomultiplicateur dépend essentiellement de l'efficacité de collection et d'émission secondaire de la première dynode 8. Le design du couple feuille de métal 9/première dynode 8 est donc primordiale dans ce type de réalisation.
L'invention se propose de simplifier la configuration en collectant les photoélectrons directement sur la première dynode 8 avec une énergie optimale. Ainsi, l'efficacité d'émission secondaire est optimale et donc le rapport signal à bruit en sortie du multiplicateur d'électrons est meilleur. Le détecteur présente également une plus grande sensibilité à la déflection.
L'objet de la présente invention est donc de proposer un détecteur de signaux optiques ultra-rapides qui regroupe les avantages de résolution temporelle d'une caméra à balayage de fente et de sensibilité d'un photomultiplicateur, à un faible coût.
A cet effet, l'invention concerne un détecteur de signaux optiques ultra-rapides et/ou de faible intensité comprenant : - une photocathode convertissant les photons de signaux optiques ultra-rapides entrant en électrons,
- une zone de focalisation comportant des électrodes de focalisation focalisant les électrons,
- une zone de déflection comportant un champ électrique transverse produit par des électrodes de déflection déviant lesdits électrons de l'axe perpendiculaire à la photocathode, - un moyen de ralentissement des électrons,
- une zone d'échantillonnage comportant une fente d'échantillonnage et un multiplicateur d'électrons ayant une première dynode et une anode collectrice d'électron. Selon l'invention, le moyen de ralentissement des électrons consiste en une zone de décélération des électrons allongée.
Dans différents modes de réalisation possibles, la présente invention concerne également les caractéristiques suivantes qui pourront être considérées isolément ou selon toutes leurs combinaisons techniquement possibles et apportent chacune des avantages spécifiques :
- la zone de décélération des électrons se situe entre la zone de déflection et la zone d'échantillonnage,
- la différence de potentiel de la zone de décélération des électrons correspond à la tension appliquée au multiplicateur d'électrons, - le potentiel de la fente d'échantillonnage est identique à celui de la première dynode,
- l'entrée et la sortie de la zone de déflection sont au même potentiel,
- le potentiel de la photocathode est supérieur à celui de la première dynode, - la longueur des différentes zones et le potentiel des électrodes de focalisation sont déterminés de façon à obtenir une image électronique des électrons la plus petite sur le plan de la fente d'échantillonnage,
- le multiplicateur d'électrons est une chaîne de dynodes,
- l'anode collectrice est reliée à la masse. L'invention sera décrite plus en détail en référence aux dessins annexés dans lesquels :
- La figure 1 est une représentation d'un détecteur conventionnel appelé « dissecteur » selon l'art antérieur ;
- La figure 2 est une représentation schématique d'un détecteur de signaux optiques ultra-rapides selon l'invention ; - La figure 3 est une représentation schématique d'un détecteur de signaux optiques selon l'invention, comprenant une chaîne de dynodes ;
La figure 2 représente un exemple de détecteur de signaux optiques ultra-rapides selon l'invention comprenant une photocathode 1 qui convertit les photons du signal optique entrant en électron. La photocathode 1 est sensible à des longueurs d'ondes allant de l'ultraviolet à l'infrarouge.
A proximité de la photocathode 1 , un champ électrostatique de plusieurs kV/mm permet l'extraction des électrons dans le vide selon l'axe 4 du tube. Ces électrons sont alors focalisés dans une zone de focalisation 13 par des électrodes de focalisation 2 dont le nombre est variable.
Les électrons entrent ensuite dans une zone de déflection 3 où un champ électromagnétique transverse dévie les électrons de l'axe 4 perpendiculaire à la photocathode 1. Le détecteur de signaux optiques ultra-rapides comporte également une zone d'échantillonnage 12 comprenant une fente d'échantillonnage 6 et un multiplicateur d'électron 7. Le multiplicateur d'électron 7 comprend une première dynode 8 et une anode collectrice 10.
Le champ électrique appliqué entre les plaques de déflection 5 est variable et seuls les électrons traversant les plaques 5, lorsque le champ est nul, peuvent traverser la fente d'échantillonnage 6 placée entre la zone de déflection 3 et le multiplicateur d'électron 7. C'est ce qui permet l'échantillonnage temporel.
Le multiplicateur d'électron peut être une chaîne de dynodes 14 comme représenté sur la figure 3. Il peut être tout autre type de multiplicateur d'électron. Dans le cas d'événements photoniques à probabilité faible. La chaîne de dynodes 14 peut être remplacée par une galette de microcanaux ou bien un channeltron.
Les électrons qui traversent la fente d'échantillonnage 6 ont une énergie de plusieurs KeV. Ils sont trop énergétiques pour pouvoir arracher avec une bonne efficacité les électrons de la première dynode 8 d'un multiplicateur d'électron 7 standard. En effet, le maximum d'efficacité d'émission d'électrons secondaires dans les matériaux usuels est atteint pour des électrons ayant une énergie d'environ 50OeV.
Le rendement de conversion et le pouvoir de collection de la première dynode 8 d'un multiplicateur d'électrons 7 sont ce qui détermine majoritairement le rapport signal à bruit d'un multiplicateur d'électrons. D'où l'importance de soigner l'interface entre le multiplicateur d'électrons 7 et la fente d'échantillonnage 6.
Selon l'invention, le moyen de ralentissement des électrons consiste uniquement en une zone de décélération des électrons 11 qui est allongée, sans feuille de métal. On entend par « zone allongée », une zone qui est plus allongée que dans les détecteurs de l'art antérieur qui comporte une feuille de métal. La zone de décélération des électrons 11 allongée vise à réduire l'énergie des électrons avantageusement jusqu'à environ 50OeV lorsqu'ils arrivent sur la première dynode 8 d'un multiplicateur d'électrons 7. Cette zone de décélération des électrons 11 se situe entre la zone de déflection 3 et la zone d'échantillonnage 12. Elle participe également à la focalisation des électrons. Plus précisément, elle se situe entre la fente d'échantillonnage 6 et la sortie de la zone de déflection 16. La longueur Li de la zone de décélération des électrons 11 peut être comprise entre 60 et 120 mm sans se limiter.
La longueur du détecteur selon l'invention est par conséquent plus grande que celle des détecteurs classiques. La distance entre la fente d'échantillonnage 6 et la sortie de la zone de déflection 16 L0, des détecteurs de l'art antérieur, est inférieure à Li .
La zone de décélération des électrons 11 présente une différence de potentielle réduisant l'énergie des électrons qui passe de 4 KeV à 50OeV. Cette zone de décélération des électrons 11 constitue une zone tampon entre la partie déterminant la résolution temporelle et la partie assurant la sensibilité. Le potentiel des électrodes de focalisation 2 et les longueurs des différentes zones 13, 3, 11 sont ajustés afin que l'image électronique des électrons issue de la photocathode 1 soit la plus petite possible sur le plan de la fente d'échantillonnage 6. Pour des raisons de coût, un maximum d'électrode est relié à la masse afin de réduire le nombre d'alimentations. On peut envisager plusieurs moyens de réalisation selon que l'on privilégie la performance ou le coût.
Pour des raisons de simplicité de construction et de design, l'entrée 15 et la sortie 16 de la zone de déflection 3 sont au même potentiel, à la masse par exemple.
Lorsque le multiplicateur d'électron est une chaîne de dynodes 14 (figure 3), l'anode collectrice 10 est placée au bout du multiplicateur d'électron 7 et est reliée à la masse de façon à polariser la première dynode 8 en négatif.
Dans la pratique, la première dynode 8 est à -3,5KV. Pour des raisons de simplicité, le potentiel de la fente d'échantillonnage 6 est égal à celui de la première dynode 8. Il est tout à fait possible de polariser la chaîne de dynodes 14 en positif pour certaines applications. La différence de potentiel de la zone de décélération des électrons
11 correspond donc à la tension appliquée au multiplicateur d'électrons 7, typiquement entre 2 et 3.5kV sans se limiter.
Pour que les photoélectrons soient focalisés sur la première dynode
8 avec une énergie de 50OeV, il faut donc que le potentiel de la photocathode 1 soit compris entre 2.5 et 4kV. Autrement dit, le potentiel de la photocathode 1 doit être supérieure à celui de la première dynode 8 d'au moins 100V jusqu'à 1.5kV, 500V étant optimal.
Par exemple, si le maximum d'efficacité d'émission secondaire de la première dynode 8 se situe pour une énergie d'électron primaire de 50OeV, la différence de potentiel entre la photocathode 1 et la première dynode 8 est de 500V, ce qui fixe le potentiel de la photocathode 1 à -4KV. La différence de potentiel entre la photocathode 1 et cette zone de déflection 3 est importante puisqu'elle détermine la vitesse de passage des électrons et donc la sensibilité de déflection. Elle est comprise entre 2.5 et 4kV. L'invention se distingue également de l'art antérieur par le fait que le gain d'un multiplicateur d'électrons selon un dispositif de l'art antérieur est indépendant de l'optique électronique de focalisation tandis que celui selon l'invention est fixé par le potentiel de la première dynode 8 qui entre dans le calcul de l'optique électronique pour la focalisation des électrons sur la fente d'échantillonnage 6.
Dans d'autres modes de réalisation, on peut imaginer permuter la zone de déflection 3 et la zone de focalisation 13. On peut également concevoir une focalisation magnétique au lieu d'une focalisation électronique. II est aussi possible de se passer de la feuille de métal, selon la figure 1 de l'art antérieur, en modifiant le matériau constituant la première dynode 8 par du GaP : Ce (Phosphure de Gallium dopé Césium). Le GaP : Ce matériau possède en effet un maximum d'efficacité d'émission d'électron secondaire pour des électrons de plusieurs keV. Ce mode de réalisation permet en plus de réduire le nombre de dynodes et d'optimiser le rapport signal à bruit. Cependant, le coût de production de ce matériau prohibe la réalisation en série d'un tel produit. Le GaP est rarement utilisé sous ces hautes énergies, les chances de réussite sont donc incertaines.
De nombreux domaines sont susceptibles d'utiliser le détecteur de signaux optiques ultra-rapides selon l'invention, comme par exemple la tomographie optique pour le cancer du sein. Ce système de tomographie est basé sur des impulsions laser très brèves. Ils utilisent actuellement comme détecteurs une caméra à balayage de fente dont la sensibilité est de plusieurs ordres de grandeur inférieure à celle du détecteur et le coût est très important. En télémétrie ultra-précise, la capacité de mesure du détecteur de signaux optiques ultra-rapides selon l'invention étant absolue avec des résolutions de l'ordre de la picoseconde, il permettrait d'envisager des télémètres dont la résolution spatiale est de l'ordre de quelques dizaines de micromètres tout en gardant une gamme dynamique allant jusqu'à plusieurs kilomètres.
En biophotonique, le temps de fluorescence des marqueurs est utilisé comme mesure de l'environnement physico-chimique de l'objet à analyser. Il faut mesurer rapidement des signaux de fluorescence avec des résolutions de l'ordre de la dizaine de picoseconde.
Le détecteur selon l'invention est aussi utilisable en spectroscopie résolue en temps.
On obtient ainsi un détecteur de conception simplifiée avec une efficacité d'émission secondaire optimale et un meilleur rapport signal à bruit en sortie du multiplicateur d'électrons 7. Il présente également une plus grande sensibilité à la détection.

Claims

REVENDICATIONS
1. Détecteur de signaux optiques ultra-rapides et/ou de faible intensité comprenant : - une photocathode (1 ) convertissant les photons de signaux optiques ultra-rapides entrant en électrons,
- une zone de focalisation (13) comportant des électrodes de focalisation (2) focalisant lesdits électrons,
- une zone de déflection (3) comportant un champ électrique transverse produit par des électrodes de déflection (5) déviant lesdits électrons de l'axe (4) perpendiculaire à la photocathode (1 ),
- un moyen de ralentissement desdits électrons,
- une zone d'échantillonnage (12) comportant une fente d'échantillonnage (6) et un multiplicateur d'électrons (7) ayant une première dynode (8) et une anode collectrice d'électron (10), caractérisé en ce que le moyen de ralentissement desdits électrons consiste en une zone de décélération des électrons (11 ) allongée.
2. Détecteur de signaux optiques ultra-rapides selon la revendication
1 , caractérisé en ce que la zone de décélération des électrons (11 ) se situe entre la zone de déflection (3) et la zone d'échantillonnage (12).
3. Détecteur de signaux optiques ultra-rapides selon la revendication
2, caractérisé en ce que la différence de potentiel de la zone de décélération des électrons (11 ) correspond à la tension appliquée au multiplicateur d'électrons (7).
4. Détecteur de signaux optiques ultra-rapides selon la revendication
3, caractérisé en ce que le potentiel de la fente d'échantillonnage (6) est identique à celui de la première dynode (8).
5. Détecteur de signaux optiques ultra-rapides selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que le potentiel de la photocathode (1 ) est supérieur à celui de la première dynode (8).
6. Détecteur de signaux optiques ultra-rapides selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que l'entrée (15) et la sortie (16) de la zone de déflection (3) sont au même potentiel.
7. Détecteur de signaux optiques ultra-rapides selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la longueur des différentes zones (3, 11 et 13) et le potentiel des électrodes de focalisation (5) sont déterminées de façon à obtenir une image électronique des électrons la plus petite sur le plan de la fente d'échantillonnage (6).
8. Détecteur de signaux optiques ultra-rapides selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le multiplicateur d'électrons (7) est une chaîne de dynodes.
9. Détecteur de signaux optiques ultra-rapides selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'anode collectrice (10) est reliée à la masse.
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