WO2008047004A2 - Methode pour determiner l'efficacite d'un appareil optique et dispositif pour realiser une telle methode - Google Patents

Methode pour determiner l'efficacite d'un appareil optique et dispositif pour realiser une telle methode Download PDF

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WO2008047004A2
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light
photoelectric means
efficiency
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Philippe Gorodetzky
Gwenaelle Lefeuvre
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Universite Paris Diderot - Paris 7
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Definitions

  • the invention relates to a method for determining the efficiency of an optical apparatus.
  • the method according to the invention aims to determine the efficiency of photomultipliers, more precisely than the methods currently used, to achieve more precise measurements of the fluorescence of nitrogen in the air.
  • Nitrogen fluorescence detection is currently the most reliable and accurate method for determining ultra-high energy cosmic ray energy, as long as its performance is known very accurately.
  • yield The quantity of photons produced by an electron that has traveled a meter in the atmosphere.
  • a photomultiplier consists of a tube of particular constitution that converts photons that it detects into a current whose intensity is a function of the deposited power, itself proportional to the ratio between the number of photons and the wavelength of these photons. photons.
  • FIG. 1 An exemplary photomultiplier tube embodiment is shown in FIG.
  • Photocathode 2 has the function of producing, with a certain efficiency, a photoelectron each time it absorbs a photon.
  • the quantum efficiency of the photocathode is defined by the ratio of the number of photoelectrons emitted by the photocathode to the number of incident photons.
  • the photocathode 2 forms a first wall of a chamber 3 which collects the emitted photoelectrons, said chamber being delimited radially by the wall of the tube and, moreover, by a transverse wall 4 having a central opening 5.
  • the central aperture 5 defines the input of an amplification channel 6 whose walls are formed by dynodes 7 arranged to form baffles, to focus and guide the electrons towards the output of the channel 6.
  • the function of the dynodes 7 is to successively amplify the quantity of electrons circulating in the amplification channel. Whenever an incident electron hits a dynode, several electrons are emitted in response. The first dynode is struck by a photoelectron and emits several electrons in the direction of a second dynode, the second dynode is hit by several electrons and in turn emits a higher quantity of electrons, and so on ... This phenomenon is very fast: a few nanoseconds (ns).
  • anode 8 At the output of the amplification channel 6, there is an anode 8 that the electrons strike. For an electron extracted from the photocathode, an electrical pulse (or pulse) of about 10 ns of width will be observed.
  • the anode 8 is connected to a voltage divider 9. All the dynodes 7 are supplied with voltage by means of the voltage divider 9 itself powered by a high voltage source.
  • a signal can be detected at the anode 8 only from 10 7 electrons which strike it.
  • the gain G of a photomultiplier is defined as being the ratio of the quantity of electrons reaching the anode to that of the photoelectrons emitted by the photocathode. In the context of the present invention, one is interested in photomultipliers operating at "high gain”.
  • the detection efficiency of a single photon reaching the photocathode depends on the detection efficiency of the photomultiplier, that is to say, its ability to transform the photon into a pulses of electrons of sufficient size to trigger a signal (10 7 electrons).
  • the current measured at the output of the photomultiplier is indeed pulsed because the photoelectrons are created discretely, and each photoelectron created will draw on the anode. These are the ones that are counted.
  • photoelectrons that triggered a discriminator (10 7 electrons, corresponding to a pulse of 10 ns wide at mid-height and 8 mV amplitude at 50 ohms.
  • the main problem lies in the numerical aperture of the source, because the precise solid angle in which it emits its photons is most often poorly determined.
  • a monochromatic light beam 10 is focused in an integrating sphere 11 whose operation will be explained later.
  • the intensity of the light source is continuously monitored by a calibrated photodiode 12.
  • the assembly consisting of the beam 10, the sphere 11 and the photodiode 12 is likened to a calibrated light source controlled temporally in intensity.
  • the sphere 1 1 has an outlet opening 13 for a light flow corresponding to the calibrated light source from the sphere, this opening 13 opening into a dark chamber 14 in which is placed a photomultiplier 16 to be tested.
  • a photodiode 15 is placed between the sphere 1 1 and the photomultiplier 16 to control the absolute value of the flux.
  • This method does not accurately measure the efficiency of the photomultiplier because we can not reduce the intensity of the incident light sufficiently to be in single photoelectron mode (to obtain a gain of 10 7 electrons in photomultiplier output) while continuing to calibrate with the control photodiode.
  • the light flux at the output of the sphere is not uniform, while the photocathode of the photomultiplier must be illuminated uniformly to measure its effectiveness.
  • This method does not allow a precise comparison of the response of the photomultiplier 16 to that of the photodiode 15 and therefore to deduce precisely the absolute efficiency of this photomultiplier.
  • the light flux received by the photomultiplier is not measured directly, but deduced from the measurement of the photodiode, which involves taking into account another uncertainty in the measurement of the output current of the incident luminous flux per unit solid angle on the photomultiplier.
  • the nonuniform nature of the light flux at the output of the sphere implies that the photodiode 15 is placed at the same precise distance from the sphere as the photomultiplier, which implies a high precision in the implementation of the method, which is not realized.
  • this method makes it possible to obtain results similar to those known, that is to say a precision on the photomultiplier efficiency of between 15 and 20%. This illustrates the limits of so-called calibrated sources.
  • the present invention overcomes the aforementioned drawbacks.
  • It consists of a method for determining the efficiency of an optical apparatus for a chosen zone of photoelectric means that comprises said apparatus, said photoelectric means being able to absorb photons and to emit photoelectrons, said method comprising the following steps: sending an incident light beam into a first integrating sphere,
  • the solution is to compare under the same conditions the response of the optical device to the response of a calibrated photodiode.
  • the gain of a calibrated photodiode being of the order of 0.5 and that of the optical apparatus of 10 7 , the light sent into the device should be increased by about 10 6 between the two phases of the comparison.
  • the ratio of the number of photons leaving the second sphere to the number of photons touching the first photodiode it is easy, taking up the first measurement (optical apparatus at the output of second sphere) to know how many photons have touched the photoelectric means, at the same time that we count the number of photoelectrons emitted by these photoelectric means.
  • the ratio of the number of photoelectrons emitted by the photoelectric means to the number of incident photons is the absolute efficiency of the optical apparatus in the illuminated area.
  • the method according to the invention makes it possible to determine the efficiency of the optical apparatus, for a chosen zone of the photoelectric means, in a more precise manner than that implemented in the prior art.
  • the ratio of the detecting surfaces of two photodiodes is only 1/100 , which is very far from the desired ratio 10 ⁇ 7 which makes it possible to detect single photons. It is considered that a single photoelectron is detected when at least one photoelectron is detected for every 50 pulses emitted: the pulses at the output of the optical apparatus could be the sum of 2 or more simultaneous photoelectrons.
  • the discriminator is always triggered at the same level, so we think we have a single photoelectron. This pollution is here less than 1%, ie smaller than the precision required on the efficiency
  • the pulsed flow arriving on the photoelectric means comprises either a photon or zero photon
  • the sending of the first light flux in the second integrating sphere is through a first diaphragm having an opening whose diameter is chosen according to the amount of light that the we want to let in the second sphere.
  • the transmission of the second light flux to said selected zone of the photoelectric means is achieved through a second diaphragm having an opening whose diameter is predetermined. It is predetermined by being chosen according to a) the quantity of light that one wishes to let into the photoelectric means, b) the surface of the photoelectric means that it is desired to illuminate.
  • the two spheres have an identical diameter of 10.16 cm
  • the first diaphragm has an opening whose diameter is 1 mm
  • the diameter of the opening of the second diaphragm is 1.25 mm.
  • the first integrating sphere has an additional opening whose diameter is substantially 9 mm on which is positioned the first calibrated photodiode which has a useful diameter of 10 mm to measure the intensity of light from the incident beam sent into the first sphere.
  • the photodiodes are photodiodes having an absolute calibration accuracy of 1.5% to a sigma.
  • An accuracy of 1 sigma ( ⁇ ) is equivalent to a precision expressed in total width at half height divided by 2.35.
  • These photodiodes are, for example, NIST photodiodes (National Institute of Standards and Technology).
  • the invention thus also aims at a method for determining the absolute efficiency of an optical apparatus, said method implementing the following steps:
  • the invention makes it possible to determine the absolute efficiency of an optical apparatus in a more precise manner than the methods implemented in the prior art since it also takes into account any variations in efficiency on the surface of the devices.
  • photoelectric means the efficiency of the photomultiplier varies according to the point where the photons touch the photocathode which is not uniform in its thickness, for example, and also because the electrostatic funnel between the photocathode and the first dynode does not a constant transmission efficiency.
  • the step of performing the mapping comprises the steps of: defining a matrix of several zones on said photoelectric means, zone boundaries being identified by coordinates according to two axes defining the plane of said photoelectric means;
  • the first fiber may be associated with a light attenuator arranged to attenuate the light flux used to scan the surface of the photoelectric means.
  • the end of the optical fiber lying opposite an area of the matrix is placed substantially at 1 mm from the latter.
  • the light spot formed by the light emerging from the optical fiber and arriving on the photoelectric means is small enough to illuminate only the area whose efficiency is desired to be known. In addition, it is small enough that the difference in efficiency between two successive zones is smaller than the required measurement precision (1.5%).
  • the invention also relates to a device enabling the implementation of the method for measuring the efficiency of the optical apparatus on an area of photoelectric means, this device comprising:
  • a first integrating sphere for uniformizing and attenuating the incident light beam; and a first calibrated photodiode for measuring the intensity of light in said first sphere.
  • the device according to the invention is characterized in that it comprises: a second integrating sphere whose interior communicates with the inside of the first sphere by a diaphragm whose opening has a determined diameter,
  • a second photodiode for measuring the luminous intensity of the second integrating sphere through a diaphragm provided through the wall of the second sphere and whose opening is predetermined;
  • Positioning means attached to the second sphere, said positioning means being adapted to receive said second photodiode and said photoelectric means.
  • the positioning means attached to the second sphere it is guaranteed, according to the invention, that the second photodiode and the photoelectric means are well positioned at the same distance from the center of the second sphere when replacing the second photodiode by the means photoelectric.
  • These positioning means therefore have the advantage of providing good accuracy in the positioning of the elements necessary for the implementation of the method according to the invention.
  • FIG. 3 shows a device according to the invention seen in perspective at the time of a step of a method according to the invention
  • FIG. 4 shows a device according to the invention seen in perspective at the time of a step which is different from that shown in FIG. 1;
  • FIG. 5 diagrammatically represents various elements used for carrying out a step of a method according to the invention
  • FIG. 6 is a diagram showing the means allowing the acquisition of single photoelectron spectra to perform the measurement of the absolute or relative efficiency in the case of the mapping of a photomultiplier operating at high gain
  • FIG. 6 An example of topography of the relative efficiency obtained with a high gain photomultiplier, the topography being normalized to the light power received by a photodiode
  • Figure 8 shows the same topography as Figure 7, but in three dimensions
  • Figure 9 shows a unique photoelectron spectrum obtained with a photomultiplier.
  • photomultipliers of the XP2020 type of Photonis Only one application of the invention will be described to photomultipliers of the XP2020 type of Photonis.
  • the assembly is installed in a box 17 whose internal walls are painted in matt black.
  • a photomultiplier 18 is fixed to be calibrated in front of a precision XY 19 table.
  • a light-emitting diode 20 (LED) providing light to two identical optical fibers 21 and 22 is attached to this table 19.
  • the LED 20 emits in the wavelength required for the application requiring the determination of the absolute efficiency of the optical device (here, LED RLT370-10 of the company Roithner Lasertechnik emitting in the near ultraviolet, with a peak at 377 nm).
  • the fibers 21 and 22 are made of quartz sheathed in plastic. They have a diameter of 200 microns. Their numerical aperture is 0.22.
  • One of the two fibers stops about 1 mm from the photocathode, perpendicular to it.
  • the spot of light then has a diameter of about 1.5 mm at the photocathode after having passed through the 5 mm silica of the window, which is less than the distance needed for efficiency to vary by a few tenths of a percent.
  • the end of the other fiber is placed facing a NIST photodiode 23.
  • the NIST calibration is not used because this measurement is relative.
  • the current received by the NIST is read by an ammeter.
  • the step of the measure This should be slightly larger than the size of the spot of light on the photocathode. However, it should not be too large (greater than 5 mm): here, the efficiency on the photocathode varies by about 1% every 5 mm, due to the evaporation process and the shape of electrostatic "funnel" to the first dynode. Finally, the chosen step is 3 mm.
  • a position called "high” is therefore marked on the tube to be able to recover in the same conditions during subsequent measurements.
  • the tube being shielded by ⁇ -metal, the gain variation was measured by turning the photomultiplier about its axis and is about 2%. Similarly, the orientation of the axis of the photomultiplier relative to the North is raised to be retained thereafter.
  • the fiber is placed with the naked eye facing the central region of the photomultiplier.
  • mapping of a photocathode is therefore a collection of profiles (horizontal or vertical) spaced 3 mm apart
  • the width at half height of the efficiency profile is equal to the diameter of the detection surface.
  • the abscissa of the middle of this curve is thus considered as the abscissa of the center of the photocathode.
  • a second vertical scan provides the ordinate of the center of the photocathode.
  • Setting the X-Y (relative) movement makes the center of the photocathode the position (0, 0).
  • mapping of the photocathode is then determined as follows:
  • the light level is lowered by means of the current generator injected into the LED and this is compensated by increasing the high voltage (thus the gain) of the photomultiplier. This process is stopped when the single photoelectron spectrum is observed as shown in FIG. 9.
  • the chosen gain, of the order of 10 7 corresponds to a high voltage of 2325 V for the photomultiplier 18 tested.
  • the electronic arrangement for acquiring the spectrum of FIG. 9 is shown schematically in FIG. If the coincidence between a generator 24 and the output of the discriminator placed between the "0" 37 and the “1” 38 passes only the signal noted A in the figure (coincidence not engaged), the ADC spectrum comprises the two peaks, "0" 37 and "1" 38.
  • the photomultiplier has produced a pulsing pulse that has triggered a discriminator while LED 20 is on.
  • mapping is only a relative measure, the frequency of this control is sufficient.
  • FIGS. 7 and 8 show the relative responses of the photocathode of the photomultiplier tested after normalization to the response of the photodiode 23.
  • the absolute efficiency of one of the zones is measured and, by rule of three, the relative map is transformed into an absolute map.
  • the absolute efficiency, at the gain of the single photoelectron is the ratio of the number of photoelectrons measured to the number of photons received by the photocathode.
  • the first solution assumes that the source emits a known and stable amount of photons so that this number can be used in the calculation of the efficiency.
  • This method is not applicable to an accurate measurement to better than 10%, mainly because of the lobes as mentioned above.
  • An integrating sphere is a hollow sphere whose wall is lined with a diffusion coating (the grain of the diffusion must agree with the wavelengths of the photons to be studied).
  • the internal electromagnetic radiation is completely standardized, and its intensity is directly proportional to that of the incident flux.
  • the spherical shape therefore makes the only parameters that take into account are the surfaces of the sphere and the output port of the stream.
  • the two spheres used for this measurement are manufactured by the company LabSphere. They are identical, with a diameter of 10, 16 cm and they have three ports located at 90 ° from each other.
  • the reflective material lining their inner wall is Spectraflect ⁇ , optimized for use in the visible and near ultraviolet.
  • the largest port is used as the entry point of light, the other two for measurements.
  • the basic principle of absolute efficiency measurement consists of two comparisons of two luminous fluxes with a common reference: the first photodiode.
  • the first comparison is between the first diaphragm photodiode and a predetermined area of the photocathode of the photomultiplier.
  • the second comparison is between the same first photodiode equipped with the same diaphragm and the same predetermined zone applied to the second photodiode.
  • the absolute calibration of a NIST photodiode is independent of the area of the illuminated area
  • the photodiode has a background noise of the order of 2 pA.
  • For the measurement to be accurate it is necessary to remain constantly at 2 nA at least, that is to say that the photodiode must receive of the order of 2.6-10 10 photons per second.
  • On the photomultiplier side it is estimated that single photoelectron spectra are "clean" (ie they contain less than 1% of "two or more photoelectrons") when there is at least one photoelectron for every 50 such as this is the case figure 9.
  • the assembly is capable of dividing the luminous flux by a factor of 2.6-10 6 , which, as the flow ratio formula shows, is impossible with a single sphere: it would require a diaphragm radius of 3- 10 "4 cm!
  • the diaphragm between the two spheres is indicated by the reference 30 in FIGS. 3 and 4.
  • the diaphragm of 1.25 mm is identified by the reference 31 in FIGS. 3 and 4.
  • the light sent into the first sphere 25 must be more powerful. It is no longer necessary to send pulsed light because the photodiodes integrate the pulses. This provides the maximum of light.
  • LEDs reference 32, FIG. 3
  • 12 mW EMG-3UV400-30
  • having a maximum emission at 400 nm instead of the 377 nm LED, whose power is only 0.75 mW.
  • the maximum voltage applicable is 4.9 V continuously.
  • the current received by the photodiode 29 is read at the ammeter.
  • the calibration of the photodiode 29 converts the currents into power for a given wavelength, here 400 nm.
  • the power being proportional to the number of photons, the ratio of the powers is equal to the ratio of the numbers of photons received by each detector.
  • the ratio R of the flows measured is as follows:
  • the relative error of 3.1% is due to the use of two precise photodiodes each at 1.5%.
  • the detector surface (photocathode of the photomultiplier) must be exactly the same distance from the center of the sphere as it was that of the photodiode and have the same surface.
  • the part that allows the attachment of one or other of these detectors on the sphere has been designed for this purpose.
  • the photomultiplier is held in abutment against the sphere by springs.
  • the photodiode is held in abutment against the sphere by screws.
  • Maintaining the two detectors at the same distance, and keeping the same diaphragm, also makes it possible to ensure that the spatial distribution of the light is identical for both measurements.
  • the required light is less for the measurement itself: the LED matrix 32 of 12 mW is replaced by a single LED 35 of 0.75 mW (maximum at 377 nm).
  • the LED 35 is disposed in the opening 36 in the same manner as for the LED array 32 exposed above.
  • the LED 35 is in series with a 43 ohm resistor and sends light pulsed at the frequency of 100 kHz.
  • the flux received by the UDT 29 photodiode is monitored in real time by connecting the analog output of the ammeter to a CAMAC 3510 Analogue Digital Converter (ADC) (11 bits).
  • ADC Analogue Digital Converter
  • the LabVIEW data acquisition ensures the stability of the LED 35 during measurement and eliminates the readings in which the light emitted has varied widely.
  • the background noise from the photocathode of the photomultiplier was very variable and at an abnormally high level: up to several thousand shots per second.
  • Microdownloads then occur between the photocathode and the piece of plastic, connected to the mass, which keeps it on the sphere through the silica window.
  • the background noise of the photomultiplier has decreased considerably, from about 300 shots / second to about 30 shots per second.
  • Measuring the absolute efficiency of the photomultiplier at a point or selected area of the photocathode is to count the number of time coincidences between the output pulses of the discriminator behind the photomultiplier and those of the low frequency generator supplying the LEDs during a Sufficient duration (100 s) at 100 kHz.
  • the analog signal sent by the photodiode 29 is recorded, so as to record its response and its dispersion during the duration of the survey.
  • the absolute efficiency is the ratio between the number of photoelectrons and the number of photons for the same duration:
  • photodiode 29 Since photodiode 29 has been used in both calibration and measurement, its error is canceled out.

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Abstract

L'invention se rapporte à une méthode pour déterminer l'efficacité d'un appareil optique pour une zone choisie de moyens photoélectriques (18) que comporte ledit appareil. Elle se rapporte également à un dispositif pour déterminer l'efficacité absolue d'un appareil optique pour une zone choisie de moyens photoélectriques (18) qu'il comporte, ledit dispositif comprenant : une première sphère intégrante (25) pour uniformiser et atténuer le faisceau de lumière incident, - et une première photodiode (29) calibrée de mesure de l'intensité de lumière dans ladite première sphère, caractérisé en ce qu'il comporte en outre: - une seconde sphère intégrante (26) dont l'intérieur communique avec l'intérieur de la première sphère par un diaphragme (30) dont l'ouverture présente un diamètre déterminé, - une seconde photodiode de mesure de l'intensité lumineuse de la seconde sphère intégrante (26) au travers un diaphragme (30) prévu au travers la paroi de la seconde sphère et dont l'ouverture est prédéterminée; - des moyens de positionnement fixés à ladite seconde sphère, les moyens de positionnement étant aptes à recevoir la deuxième photodiode et lesdits moyens photoélectriques (18).

Description

METHODE POUR DETERMINER L'EFFICACITE D'UN APPAREIL
OPTIQUE ET DISPOSITIF POUR REALISER
UNE TELLE METHODE
L'invention concerne une méthode pour déterminer l'efficacité d'un appareil optique.
En particulier, la méthode selon l'invention vise à déterminer, l'efficacité des photomultiplicateurs, de manière plus précise que les méthodes mises en œuvre actuellement, pour réaliser des mesures plus précises de la fluorescence de l'azote dans l'air.
La détection de la fluorescence de l'azote est à l'heure actuelle la méthode la plus fiable et la plus précise pour déterminer l'énergie des rayons cosmiques d'ultra-haute énergie, pourvu que l'on connaisse très précisément son rendement.
On appelle rendement la quantité de photons produits par un électron ayant parcouru un mètre dans l'atmosphère.
Actuellement, la précision sur la détermination expérimentale de cette quantité n'est que de 15 %.
À l'origine de l'invention, on a cherché à ramener cette précision à moins de 5 %.
Pour mesurer la fluorescence de l'azote, on utilise notamment des photomultiplicateurs. Un photomultiplicateur consiste en un tube de constitution particulière qui convertit des photons qu'il détecte en un courant dont l'intensité est fonction de la puissance déposée, elle-même proportionnelle au rapport entre le nombre de photons et la longueur d'onde de ces photons.
Dans le cadre de la présente invention, on s'intéresse à un flux de lumière monochromatique.
Un exemple de réalisation de tube photomultiplicateur est représenté sur la figure 1.
On comprendra ici qu'il existe d'autres réalisations de tubes photomultiplicateurs, et que l'invention n'est pas limitée à une application sur le photomultiplicateur- représenté en figure 1.
Il comporte, à une première extrémité, une fenêtre d'entrée 1 pour les photons, apposée à une photocathode 2.
La photocathode 2 a pour fonction de produire, avec une certaine efficacité, un photoélectron à chaque fois qu'elle absorbe un photon. On définit l'efficacité quantique de la photocathode par le rapport du nombre de photoélectrons émis par la photocathode au nombre de photons incidents.
La photocathode 2 forme une première paroi d'une chambre 3 qui collecte les photoélectrons émis, ladite chambre étant délimitée radialement par la paroi du tube et, par ailleurs, par une paroi transversale 4 présentant une ouverture centrale 5. L'ouverture centrale 5 définit l'entrée d'un canal d'amplification 6 dont les parois sont formées par des dynodes 7 disposées de manière à former des chicanes, pour focaliser et guider les électrons vers la sortie du canal 6.
Les dynodes 7 ont pour fonction d'amplifier successivement la quantité des électrons circulant dans le canal d'amplification. À chaque fois qu'un électron incident percute une dynode, plusieurs électrons sont émis en réponse. La première dynode est percutée par un photoélectron et émet plusieurs électrons en direction d'une seconde dynode, la seconde dynode est percutée par plusieurs électrons et émet à son tour une quantité supérieure d'électrons, et ainsi de suite... Ce phénomène est très rapide : quelques nanosecondes (ns).
À la sortie du canal d'amplification 6, se trouve une anode 8 que les électrons viennent percuter. Pour un électron extrait de la photocathode, un puise (ou impulsion) électrique d'environ 10 ns de large sera observé.
L'anode 8 est reliée à un diviseur de tension 9. Toutes les dynodes 7 sont alimentées en tension électrique au moyen du diviseur de tension 9 alimenté lui-même par une source de haute tension.
On ne peut détecter un signal au niveau de l'anode 8 qu'à partir de 107 électrons qui la percutent.
On définit le gain G d'un photomultiplicateur comme étant le rapport de la quantité d'électrons atteignant l'anode sur celui des photoélectrons émis par la photocathode. Dans le cadre de la présente invention, on s'intéresse aux photomultiplicateurs fonctionnant à « haut gain ».
On appelle « fonctionnement à haut gain » ou encore « mode du photoélectron unique » la détection par un photomultiplicateur de photons individuels en très petit nombre : il faut imposer un grand gain G, c'est-à-dire appliquer une très haute tension, pour qu'un unique photoélectron émis par la photocathode produise sur l'anode un puise composé de suffisamment d'électrons pour pouvoir être détecté par de l'électronique de bonne qualité, au-dessus du bruit de cette électronique.
L'efficacité de détection d'un photon unique atteignant la photocathode dépend de l'efficacité de détection du photomultiplicateur, c'est-à-dire de sa faculté à transformer le photon en un puise d'électrons de taille suffisante pour déclencher un signal (107 électrons).
Le courant mesuré en sortie du photomultiplicateur est en effet puisé car les photoélectrons sont créés de façon discrète, et chaque photoélectron créé fera un puise sur l'anode. Ce sont ces puises qui sont comptés.
Pour ce faire, et être synchrone, le flux de lumière monochromatique arrivant sur le photomultiplicateur doit également être puisé.
Connaissant le nombre de photons envoyés sur le photomultiplicateur, il est aisé d'en déduire l'efficacité absolue du photomultiplicateur : il suffit de compter le nombre de photoélectrons qui ont déclenché un discriminateur (107 électrons, correspondant à un puise de 10 ns de large à mi-hauteur et de 8 mV d'amplitude sous 50 ohms.
Différents types de sources dites calibrées de façon absolue peuvent être utilisées dans ce but (laser, lampes, LED). On dispose alors du spectre de puissance de la source. Bien que le principe soit très simple, la mise en œuvre est très délicate pour deux raisons : a) à cause de la fluctuation de flux des sources avec la température ou au cours du temps, b) de plus et surtout, il faut contrôler impérativement la surface d'émission du flux, son angle solide et le flux lui-même à cause de la non-homogénéité spatiale d'éclairage des sources. Cette non homogénéité est difficile à apprécier.
Autrement dit, le principal problème réside dans l'ouverture numérique de la source, car l'angle solide précis dans lequel elle émet ses photons est le plus souvent mal déterminé.
En effet, il est difficile d'obtenir une source lumineuse sans lobe, les lobes étant la cause de mauvaise qualité de la mesure si l'angle solide est petit devant le cône total d'émission lumineuse.
Les solutions connues actuellement et permettant de déterminer l'efficacité des photomultiplicateurs fonctionnant à haut gain, tentent de pallier les inconvénients liés à ces sources lumineuses calibrées.
Une première solution est décrite dans l'article de S. D. Biller et al. (« Measurement of photomultiplier single photon counting efficiency for the Sudbury Neutrino Observatory », Nuclear Instruments and Methods in physics Research A432 (1999)- 364-373). Elle consiste en une méthode de mesure d'efficacité d'un photomultiplicateur. Cette méthode est illustrée en figure 2.
On focalise un faisceau de lumière monochromatique 10 dans une sphère intégrante 1 1 , dont le fonctionnement sera exposé par la suite.
On contrôle en permanence l'intensité de la source lumineuse par une photodiode calibrée 12.
Dans le cadre de cette méthode, l'ensemble constitué du faisceau 10, de la sphère 1 1 et de la photodiode 12 est assimilé à une source de lumière calibrée contrôlée temporellement en intensité.
La sphère 1 1 présente une ouverture 13 de sortie pour un flux de lumière correspondant à la source de lumière calibré provenant de la sphère, cette ouverture 13 débouchant dans une chambre noire 14 dans laquelle est placé un photomultiplicateur 16 à tester.
Régulièrement au cours de la mesure, on place une photodiode 15 entre la sphère 1 1 et le photomultiplicateur 16 pour contrôler la valeur absolue du flux.
Cette méthode ne permet pas de mesurer de manière précise l'efficacité du photomultiplicateur car on ne peut pas baisser l'intensité de la lumière incidente suffisamment pour être en mode photoélectron unique (pour obtenir un gain de 107 électrons en sortie du photomultiplicateur) tout en continuant à calibrer avec la photodiode 15 de contrôle.
De plus, le flux de lumière en sortie de la sphère n'est pas uniforme, alors que la photocathode du photomultiplicateur doit être éclairée uniformément pour mesurer son efficacité.
Cette méthode ne permet pas de comparer de façon précise la réponse du photomultiplicateur 16 à celle de la photodiode 15 et donc d'en déduire précisément l'efficacité absolue de ce photomultiplicateur.
De plus, le flux de lumière reçu par le photomultiplicateur n'est pas mesuré directement, mais déduit de la mesure de la photodiode, ce qui implique de prendre en compte une autre incertitude dans la mesure du courant en sortie du flux lumineux incident par unité d'angle solide sur le photomultiplicateur.
Enfin, le caractère non uniforme du flux de lumière en sortie de la sphère implique que la photodiode 15 soit placée à la même distance précise de la sphère que le photomultiplicateur ce qui implique une grande précision de mise en œuvre de la méthode, ce qui n'est pas réalisé.
Une seconde méthode est écrite dans le document de P. Besson et al. (« Measurement of photomultiplier quantum efficiency », Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, A344 (1994) 435- 437). Cette méthode consiste notamment à mettre en œuvre une série de filtres et une lentille en amont du photomultiplicateur, pour focaliser sur la photocathode du photomultiplicateur une lumière calibrée.
Comme l'indique le document, cette méthode permet d'obtenir des résultats semblables à ceux connus, c'est-à-dire une précision sur l'efficacité de photomultiplicateur comprise entre 15 et 20 %. Ceci illustre les limites des sources dites calibrées.
La présente invention permet de pallier les inconvénients précités.
Elle consiste en une méthode pour déterminer, l'efficacité d'un appareil optique pour une zone choisie de moyens photoélectriques que comporte ledit appareil, lesdits moyens photoélectriques étant aptes à absorber des photons et à émettre des photoélectrons, ladite méthode comportant les étapes suivantes : - envoi d'un faisceau de lumière incident dans une première sphère intégrante,
- et mesure de l'intensité de la lumière dans la première sphère intégrante par une première photodiode calibrée.
La méthode selon l'invention se caractérise par les étapes suivantes :
- envoi d'un premier flux de lumière sortant de la première sphère intégrante dans une seconde sphère intégrante,
- mesure de l'intensité de la lumière dans ladite seconde sphère intégrante par une seconde photodiode calibrée, accolée à ladite seconde sphère,
- remplacement de ladite seconde photodiode calibrée par ledit appareil optique dont lesdits moyens photoélectriques sont accolés à ladite seconde sphère au même endroit que ladite seconde photodiode,
- transmission d'un second flux de lumière issue de la seconde sphère à ladite zone choisie des moyens photoélectriques dudit appareil optique, ladite zone présentant une surface prédéterminée et générant des photoélectrons après absorption des photons du second flux de lumière,
- observation d'un signal électrique en sortie de l'appareil optique proportionnel à la quantité de photoélectrons émis, - réglage de l'intensité lumineuse du faisceau de lumière incident de sorte à obtenir un signal électrique puisé de hauteur constante en sortie de l'appareil optique,
- mesure de la fréquence dudit signal électrique puisé,
-mesure d'une seconde intensité de la lumière dans ladite première sphère intégrante par ladite première photodiode calibrée,
- et détermination de l'efficacité de l'appareil optique pour ladite zone choisie desdits moyens photoélectriques, à partir desdites mesures d'intensités de la lumière dans la première sphère intégrante par ladite première photodiode calibrée, de ladite mesure de ladite intensité dans ladite seconde sphère par ladite seconde photodiode, et à partir dudit signal électrique puisé mesuré en sortie de l'appareil optique.
Le problème étant de ne pouvoir utiliser de source de lumière calibrée, la solution est de comparer dans les mêmes conditions la réponse de l'appareil optique à la réponse d'une photodiode calibrée.
Le gain d'une photodiode calibrée étant de l'ordre de 0.5 et celui de l'appareil optique de 107, la lumière envoyée dans le dispositif devra être augmentée d'environ 106 entre les deux phases de la comparaison.
Connaissant au moyen de la seconde mesure (photodiode en sortie de deuxième sphère) le rapport du nombre de photons sortant de la deuxième sphère au nombre de photons touchant la première photodiode, il est aisé, en reprenant la première mesure (appareil optique en sortie de deuxième sphère) de connaître combien de photons ont touché les moyens photoélectriques, en même temps que l'on compte le nombre de photoélectrons émis par ces moyens photoélectriques. Le rapport du nombre de photoélectrons émis par les moyens photoélectriques au nombre de photons incidents est l'efficacité absolue de l'appareil optique dans la zone illuminée.
Par ailleurs, la méthode selon l'invention permet de déterminer l'efficacité de l'appareil optique, pour une zone choisie des moyens photoélectriques, de manière plus précise que celle mise en œuvre dans l'art antérieur.
En effet, l'utilisation d'une seule sphère intégrante ne suffit pas à atténuer suffisamment l'intensité lumineuse, puisque le montage de Biller et al. (figure 2) ne permet pas de mettre la photodiode 15 à la même position que le photomultiplicateur 16.
Par exemple, avec une seule sphère, le rapport des surfaces détectrices de deux photodiodes dont l'une est de 1 mm2 (photodiode de mesure) et l'autre est de 100 mm2 (photodiode de contrôle) n'est que de 1/100, ce qui est très loin du rapport 10~7 recherché qui permet de détecter des photons uniques. On considère que l'on détecte un photoélectron unique quand on détecte 1 photoélectron au moins pour 50 puises émis : le puise en sortie d'appareil optique pourrait être la somme de 2 ou plus photoélectrons simultanés. Le discriminateur se déclenchant toujours au même niveau, on croira alors avoir un seul photoélectron. Cette pollution est ici inférieure à 1 %, c'est à dire plus petite que la précision demandée sur l'efficacité
Aussi, quand le signal électrique mesuré en sortie de l'appareil optique est puisé dans les conditions précédentes, on considère que le flux puisé arrivant sur les moyens photoélectriques comporte soit un photon soit zéro photon
Au lieu d'une sphère, ce sont deux sphères qui, accolées, permettent d'une part d'atténuer le flux d'une quantité stable et mesurable (de l'ordre du gain du photodétecteur), et d'autre part de faire fonctionner le photomultiplicateur et la photodiode simultanément malgré la différence de gains (107 et 0.5).
Selon un premier mode de réalisation de l'invention, l'envoi du premier flux de lumière dans la seconde sphère intégrante se fait au travers d'un premier diaphragme présentant une ouverture dont le diamètre est choisi en fonction de la quantité de lumière que l'on souhaite laisser entrer dans la seconde sphère.
Selon une variante de réalisation, la transmission du second flux de lumière à ladite zone choisie des moyens photoélectriques est réalisée au travers d'un second diaphragme présentant une ouverture dont le diamètre est prédéterminé. Il est prédéterminé en étant choisi en fonction de a) la quantité de lumière que l'on souhaite laisser entrer dans les moyens photoélectriques, b) la surface des moyens photoélectriques que l'on souhaite illuminer.
Selon un second mode de réalisation de l'invention, les deux sphères présentent un diamètre identique de 10, 16 cm, le premier diaphragme présente une ouverture dont le diamètre est de 1 mm, et le diamètre de l'ouverture du second diaphragme est de 1 ,25 mm.
Selon encore une autre variante de mise en oeuvre de l'invention, la première sphère intégrante présente une ouverture supplémentaire dont le diamètre est sensiblement de 9 mm sur laquelle est positionnée la première photodiode calibrée qui a un diamètre utile de 10 mm pour mesurer l'intensité de la lumière provenant du faisceau incident envoyé dans la première sphère.
Dans le cadre d'un mode de réalisation avantageux, les photodiodes sont des photodiodes présentant une précision de calibration absolue de 1 ,5% à un sigma. Une précision à 1 sigma (σ) est équivalente à une précision exprimée en largeur totale à mi- hauteur divisée par 2,35. Ces photodiodes sont par exemple des photodiodes NIST (National Institute of Standards and Technology).
Dans le cadre de mise en œuvre avantageuse des méthodes selon l'invention, on prévoit de relier les moyens photoélectriques de l'appareil optique à la masse si c'est un photomultiplicateur.
De cette manière, on évite la génération de microdécharges au niveau des moyens photoélectriques, ces microdécharges étant à l'origine de génération d'électrons par les moyens photoélectriques sans que ces derniers ne soient percutés par un photon.
On augmente ainsi la précision des mesures réalisées.
Connaissant désormais l'efficacité absolue de l'appareil optique pour une zone choisie des moyens photoélectriques, il reste à déterminer l'efficacité absolue de tout l'appareil optique.
L'invention vise ainsi également une méthode pour déterminer l'efficacité absolue d'un appareil optique, ladite méthode mettant en œuvre les étapes suivantes :
- détermination de l'efficacité absolue d'un appareil optique en une zone choisie des moyens photoélectriques présentant une surface déterminée, par la mise en œuvre de la méthode telle que précédemment décrite,
- réalisation d'une cartographie de l'efficacité relative en chacune des zones de la surface des moyens photoélectriques, - détermination de l'efficacité absolue de l'appareil optique à partir de l'efficacité relative des moyens photoélectriques et de l'efficacité absolue de l'appareil optique en une zone des moyens photoélectriques.
Ainsi réalisée, l'invention permet de déterminer l'efficacité absolue d'un appareil optique de manière plus précise que les méthodes mises en œuvre dans l'art antérieur puisqu'elle prend également en compte les éventuelles variations d'efficacité sur la surface des moyens photoélectriques. En effet, l'efficacité du photomultiplicateur varie suivant le point où les photons touchent la photocathode qui n'est pas uniforme dans son épaisseur, par exemple, et aussi parce que l'entonnoir électrostatique entre la photocathode et la première dynode n'a pas une efficacité de transmission constante.
Dans le cadre d'une variante de réalisation de l'invention, l'étape de réalisation de la cartographie comprend des étapes consistant à : - définir une matrice de plusieurs zones sur lesdits moyens photoélectriques, des limites de zone étant repérées par des coordonnées suivant deux axes définissant le plan desdits moyens photoélectriques ;
- envoyer un quatrième flux de lumière de longueur d'onde déterminée dans une première fibre optique associée à un appareil mobile suivant deux axes, de sorte à scanner toute la surface des moyens photoélectriques, ladite première fibre optique présentant une première extrémité placée à une distance prédéterminée de la surface des moyens photoélectriques, et une seconde extrémité se trouve en regard de ladite source lumineuse,
- mesurer l'efficacité relative de ladite zone en relevant le résultat délivré en sortie du photomultiplicateur,
- enregistrer ledit résultat,
- et déplacer ladite fibre sur une zone voisine au moyen de l'appareil mobile.
Afin de compenser le gain de 107 de l'appareil optique, la première fibre peut être associée à un atténuateur de lumière agencé de sorte à atténuer le flux de lumière utilisé pour scanner la surface des moyens photoélectriques Dans le cadre de ce mode de réalisation, l'extrémité de la fibre optique se trouvant en regard d'une zone de la matrice est placée sensiblement à 1 mm de celle-ci.
De la sorte, la tache lumineuse formée par la lumière sortant de la fibre optique et arrivant sur les moyens photoélectriques est suffisamment petite pour n'éclairer que la zone dont on souhaite connaître l'efficacité. De plus, elle est suffisamment petite pour que la différence d'efficacité entre deux zones successives soit plus petite que la précision de mesure requise (1.5%).
Dans le cadre d'un autre mode de réalisation, on prévoit d'utiliser une seconde fibre optique associée à une photodiode de contrôle des dérives temporelles de l'émission du quatrième flux.
Dans le cadre de ce mode de réalisation particulier, il est avantageux de relever et d'associer les informations de dérives temporelles fournies par la photodiode parallèlement à la mesure d'efficacité de la zone pour les prendre en compte dans le calcul de l'efficacité de la zone.
Connaissant alors l'efficacité relative de chaque zone des moyens photoélectriques et l'efficacité absolue d'une des zones, comme mesurée précédemment, on peut en déduire par règle de trois l'efficacité absolue de chaque zone. On peut alors, en regroupant les zones à sa guise, calculer l'efficacité absolue moyenne de toute surface à l'intérieur de la surface totale des moyens photoélectriques.
L'invention concerne également un dispositif permettant la mise en œuvre de la méthode de mesure de l'efficacité de l'appareil optique sur une zone de moyens photoélectrique, ce dispositif comportant :
- une première sphère intégrante pour uniformiser et atténuer le faisceau de lumière incident, - et une première photodiode calibrée de mesure de l'intensité de lumière dans ladite première sphère.
Le dispositif selon l'invention se caractérise par le fait qu'il comporte : - une seconde sphère intégrante dont l'intérieur communique avec l'intérieur de la première sphère par un diaphragme dont l'ouverture présente un diamètre déterminé,
- une seconde photodiode de mesure de l'intensité lumineuse de la seconde sphère intégrante au travers un diaphragme prévu au travers la paroi de la seconde sphère et dont l'ouverture est prédéterminée ;
- des moyens de positionnement fixés à la seconde sphère, lesdits moyens de positionnement étant aptes à recevoir ladite seconde photodiode et lesdits moyens photoélectriques.
Grâce aux moyens de positionnement fixés à la seconde sphère, on garantit, selon l'invention, que la seconde photodiode et les moyens photoélectriques sont bien positionnés à la même distance du centre de la seconde sphère lors du remplacement de la seconde photodiode par les moyens photoélectriques. Ces moyens de positionnement ont donc l'avantage de fournir une bonne précision dans le positionnement des éléments nécessaires à la mise en œuvre de la méthode selon l'invention.
II devra être entendu que les variantes de réalisations de l'invention exposées ci-dessus ne sont pas exclusives et qu'une combinaison de ces variantes est possible.
On décrira maintenant un mode de réalisation préférée des méthodes et des dispositifs selon l'invention en faisant référence aux dessins annexés, parmi lesquels :
- la figure 3 montre un dispositif selon l'invention vu en perspective au moment d'une étape d'un procédé selon l'invention,
- la figure 4 montre un dispositif selon l'invention vu en perspective au moment d'une étape qui est différente de celle montrée en figure 1 ,
- la figure 5 représente schématiquement différents éléments mis en œuvre pour la réalisation d'une étape d'un procédé suivant l'invention,
- la figure 6 est un schéma montrant les moyens permettant l'acquisition de spectres de photoélectrons uniques pour réaliser la mesure de l'efficacité absolue ou relative dans le cas de la cartographie d'un photomultiplicateur fonctionnant à haut gain, la figure 7 illustre un exemple de topographie de l'efficacité relative obtenue avec un photomultiplicateur à haut gain, la topographie étant normalisée à la puissance lumineuse reçue par une photodiode, la figure 8 montre la même topographie que la figure 7, mais en trois dimensions, et la figure 9 montre un spectre de photoélectron unique obtenu avec un photomultiplicateur. Dans le cadre du présent exemple, on ne décrira qu'une application de l'invention à des photomultiplicateurs du type XP2020 de Photonis.
II devra toutefois être entendu que l'invention ne s'applique pas uniquement à un photomultiplicateur, et encore moins à un unique photomultiplicateur qui a été décrit ci-avant.
L'efficacité donnée par les constructeurs de photomultiplicateurs est donnée pour un type de photocathode et en une zone de sa surface.
Toutefois, on ne connaît ni la position exacte de la zone qui est testée sur la photocathode, ni son aire.
Aussi, l'efficacité donnée par les constructeurs ne tient compte ni de la dimension de la photocathode et des variations possibles d'efficacité sur cette surface, ni des effets de bord.
Essayer d'éclairer uniformément de telles surfaces ne peut permettre d'atteindre la précision voulue, car aucune source lumineuse n'émet de lumière de façon réellement uniforme.
Il est donc indispensable de faire une mesure d'efficacité point par point, sur des surfaces de petite taille et identiques, pour pouvoir dresser une carte de l'efficacité relative de la photocathode.
Ceci implique, bien entendu, de se mettre dans des conditions identiques à celles de l'expérience, c'est-à-dire ici à « haut gain ». On réalise alors une cartographie d'une photocathode 2 d'un photomultiplicateur à tester qui est représenté notamment en figure 1.
Pour ce faire, on réalise le montage représenté sur la figure 5.
Le montage est installé dans une boîte 17 dont les parois internes sont peintes en noir mat.
Dans cette boîte, on fixe un photomultiplicateur 18 à calibrer en face d'une table XY 19 de précision.
Une diode électroluminescente 20 (LED) fournissant de la lumière à deux fibres optiques identiques 21 et 22 est accrochée à cette table 19.
La LED 20 émet dans la longueur d'onde requise pour l'application nécessitant la détermination de l'efficacité absolue de l'appareil optique ( ici, LED RLT370-10 de la société Roithner Lasertechnik émettant dans l'ultraviolet proche, avec un pic à 377 nm).
Dans l'application susdite, les fibres 21 et 22 sont en quartz gainées de plastique. Elles ont un diamètre de 200 μm. Leur ouverture numérique vaut 0.22.
L'une des deux fibres s'arrête à environ 1 mm de la photocathode, perpendiculairement à celle-ci. La tache de lumière a alors un diamètre d'environ 1 .5 mm au niveau de la photocathode après avoir traversé les 5 mm de silice de la fenêtre, ce qui est inférieur à la distance nécessaire pour que l'efficacité varie de quelques dixièmes de pourcent.
L'extrémité de l'autre fibre est placée face à une photodiode NIST 23. On ne se sert pas de la calibration NIST car cette mesure est relative.
Le courant reçu par la NIST est lu par un ampèremètre.
Comme la température de la LED peut varier, elle n'envoie pas toujours le même nombre de photons aux fibres. On s'affranchit de ces variations de flux en normalisant les mesures au courant reçu par cette photodiode NIST (Ici, Ophir Optronics PD300-UV-SH) dans le même temps.
La démarche adoptée pour procéder aux mesures est la suivante :
1 ) Une fois le photomultiplicateur placé face à la fibre optique, on règle son gain (mode du photoélectron unique). Puis on laisse le photomultiplicateur sous tension pendant plusieurs heures pour que son gain et son courant d'obscurité se stabilisent (en moyenne une nuit) ;
2). On recherche la position du centre de la photocathode avec le mouvement XY en allant d'une extrémité à l'autre de deux diamètres perpendiculaires ;
3). On réalise la carte à ce gain. II faut décider de la distance entre deux mesures voisines, qu'on appellera le pas de la mesure. Celui-ci doit être légèrement supérieur à la taille de la tache de lumière sur la photocathode. En revanche, il ne faut pas qu'il soit trop grand (supérieur à 5 mm) : ici, l'efficacité sur la photocathode varie d'environ 1 % tous les 5 mm, de par le processus d'évaporation et la forme de "l'entonnoir" électrostatique vers la première dynode. Finalement, le pas choisi est de 3 mm.
Enfin, il faut faire attention à l'orientation du photomultiplicateur, car les dynodes n'ont pas de symétrie axiale et le champ magnétique terrestre influence les trajectoires des électrons, donc l'efficacité.
Une position appelée "haut" est donc marquée sur le tube pour pouvoir se remettre dans les mêmes conditions lors de mesures ultérieures. Le tube étant blindé par du μ-métal, la variation du gain a été mesurée en tournant le photomultiplicateur autour de son axe et vaut environ 2 %. De même, l'orientation de l'axe du photomultiplicateur par rapport au Nord est relevée pour être conservée par la suite.
On va maintenant décrire la méthode pour déterminer le centre de la photocathode.
La fibre est placée à l'oeil nu face à la région centrale du photomultiplicateur.
Deux relevés successifs suffisent à trouver la position du centre de la photocathode avec une précision suffisante. Un premier balayage horizontal tous les 3 mm produit un profil d'efficacité. La cartographie d'une photocathode est donc une collection de profils (horizontaux ou verticaux) espacés de 3 mm
La largeur à mi-hauteur du profil d'efficacité est égale au diamètre de la surface de détection. L'abscisse du milieu de cette courbe est donc considérée comme l'abscisse du centre de la photocathode.
À cette position, un second balayage vertical fournit l'ordonnée du centre de la photocathode. Le tarage du mouvement X-Y (relatif) fait du centre de la photocathode la position (0, 0).
On détermine alors la cartographie de la photocathode de la manière suivante :
Pour se mettre en situation de photoélectron unique, on baisse le niveau de lumière au moyen du générateur de courant injecté dans la LED et on compense en augmentant la haute tension (donc le gain) du photomultiplicateur. On arrête ce processus quand on observe le spectre de photoélectron unique comme représenté sur la figure 9.
Ici, le gain choisi, de l'ordre de 107, correspond à une haute tension de 2325 V pour le photomultiplicateur 18 testé
Le montage électronique permettant l'acquisition du spectre de la figure 9 est représenté schématiquement sur la figure 6. Si la coïncidence entre un générateur 24 et la sortie du discriminateur placé entre le "0" 37 et le "1 " 38 ne laisse passer que le signal noté A sur la figure (coïncidence non enclenchée), le spectre ADC comporte les deux pics, "0" 37 et "1 " 38.
Si la coïncidence est enclenchée, on ne sélectionne plus que les "vrais" événements et le spectre ne contient que le pic "1 photoélectron" 38.
Comme le niveau de lumière a beaucoup baissé, ainsi que la fréquence d'émission (10 kHz), une coïncidence temporelle sélectionne les événements "1 photoélectron".
Il y a coïncidence quand le photomultiplicateur a produit un puise qui a déclenché un discriminateur pendant que la LED 20 est allumée.
On se normalise par rapport à la photodiode 23.
Pour cela, il faut momentanément relever la fréquence du générateur 24 à 1 MHz pour augmenter la quantité de lumière reçue par la photodiode 23 et ainsi diminuer son erreur de lecture. La quantité de lumière par puise ne change pas.
L'utilité d'un tel contrôle par un détecteur calibré (photodiode 23 dans ce cas) est prouvée quand on se rend compte que la lumière de la LED 20 détectée par la photodiode 23 a varié de environ 10 % au cours des cartographies (une cartographie prend environ trois heures). En fait, on contrôle toutes les 5 minutes de combien la LED 20 a varié, et on observe des variations de l'ordre de 0.5%
Comme la cartographie n'est qu'une mesure relative, la fréquence de ce contrôle est suffisante.
Les figures 7 et 8 montrent les réponses relatives de la photocathode du photomultiplicateur testé après normalisation à la réponse de la photodiode 23.
On va maintenant expliquer comment, en comparant les flux mesurés par une photodiode et un photomultiplicateur (sur une zone choisie de la photocathode), on rend absolues les valeurs d'efficacités relatives obtenues en réalisant la cartographie de la photocathode.
Il sera fait référence aux figures 3 et 4.
L'efficacité du photomultiplicateur en une zone de la photocathode relativement à une autre zone est maintenant connue avec précision (< 0.5%).
Pour que la caractérisation du photomultiplicateur soit complète, il faut transformer cette efficacité relative en efficacité absolue, zone par zone.
Pour cela, l'efficacité absolue d'une des zones (par exemple la centrale) est mesurée et, par règle de trois, la carte relative est transformée en carte absolue. L'efficacité absolue, au gain du photoélectron unique, est le rapport du nombre de photoélectrons mesuré au nombre de photons reçus par la photocathode.
Comme vu plus haut, pour mesurer l'efficacité absolue, on peut soit utiliser une source calibrée, soit comparer la mesure à un détecteur calibré.
La première solution suppose que la source émette une quantité de photons connue et stable pour qu'on puisse utiliser ce nombre dans le calcul de l'efficacité.
Cette méthode n'est pas applicable à une mesure précise à mieux que 10 %, essentiellement à cause des lobes comme indiqué précédemment.
Il s'agit donc à présent de mettre en œuvre la méthode selon l'invention pour :
- comparer le nombre de photons émis vers le photomultiplicateur au nombre de photons effectivement détectés,
- effectuer cette comparaison simultanément afin de s'affranchir totalement des variations de flux,
- compenser l'incompatibilité du gain des photodiodes (de l'ordre de 0.5) vis-à-vis de celui des photomultiplicateurs (de l'ordre de 107).
Le fonctionnement simultané d'une photodiode et d'un photomultiplicateur, c'est-à-dire la division du flux lumineux d'un facteur 107 de façon stable et répétitive, est assuré par l'association des sphères intégrantes 25 et 26, dont le principe est maintenant décrit et de diaphragmes.
Une sphère intégrante est une sphère creuse dont la paroi est tapissée d'un revêtement diffuseur (le grain de la diffusion doit s'accorder aux longueurs d'onde des photons à étudier).
Après un nombre suffisant de réflexions sur les parois, la radiation électromagnétique interne est complètement uniformisée, et son intensité est directement proportionnelle à celle du flux incident.
De façon générale, on considère deux éléments de surface A1 , recevant le flux Φ1 et A2 recevant le flux Φ2. Le rapport des flux Φ1 / Φ2 est égal au rapport des surfaces A1 / A2.
La forme sphérique fait donc que les seuls paramètres qui entrent en compte sont les surfaces de la sphère et du port de sortie du flux.
Ici, par exemple, si Φ1 est le flux entrant dans la première sphère de surface S, le flux atteignant la première photodiode NIST à travers un diaphragme de surface s est Φ1 s/S.
Les deux sphères utilisées pour cette mesure sont fabriquées par la société LabSphere. Elles sont identiques, avec un diamètre de 10, 16 cm et elles présentent trois ports situés à 90° les uns des autres.
Le matériau réflecteur qui tapisse leur paroi interne est du Spectraflect ©, optimisé pour l'utilisation dans le visible et l'ultraviolet proche.
Entre 300 et 400 nm, sa réflectivité varie entre 0.94 et 0.98.
Étant donné le grand nombre de réflexions auxquelles sont soumis les photons dans une sphère, il y aura une certaine atténuation.
Mais il n'est pas nécessaire de connaître cette atténuation dans le cadre d'une des méthodes selon l'invention : il suffit de savoir qu'elle est constante.
Le plus grand port est utilisé comme point d'entrée de la lumière, les deux autres pour les mesures.
Le principe de base de la mesure de l'efficacité absolue consiste en deux comparaisons de deux flux lumineux avec une référence commune : la première photodiode.
La première comparaison est entre la première photodiode diaphragmée et une zone prédéterminée de la photocathode du photomultiplicateur.
La deuxième comparaison est entre la même première photodiode équipée du même diaphragme et la même zone prédéterminée appliquée à la seconde photodiode.
La calibration absolue d'une photodiode NIST est indépendante de la surface de la zone éclairée La photodiode a un bruit de fond de l'ordre de 2 pA. Pour que la mesure soit précise, il faut rester constamment à 2 nA au moins, c'est-à-dire que la photodiode doit recevoir de l'ordre de 2.6-1010 photons par seconde. Du côté du photomultiplicateur, on estime que les spectres de photoélectrons uniques sont « propres » (c'est à dire qu'ils comportent moins de 1 % de « deux photoélectrons ou plus ») quand on a au moins un photoélectron pour 50 puises comme c'est le cas figure 9.
À la fréquence de 100 kHz, cela correspond à 104 photons par seconde.
Il faut donc que le montage soit capable de diviser le flux lumineux d'un facteur de 2.6-106 , ce que, comme le montre la formule du rapport des flux, est impossible avec une seule sphère : il faudrait un rayon de diaphragme de 3- 10 "4 cm !
Ajouter une seconde sphère permet d'ajouter un diaphragme.
On considère pour le moment que les diaphragmes entre les sphères et devant le photomultiplicateur sont identiques.
Avec ces hypothèses, on trouve que les deux diaphragmes doivent avoir un rayon de 1 mm.
Le diaphragme entre les deux sphères est repéré par la référence 30 sur les figures 3 et 4.
À la mesure, il a été observé que le rapport 11O1V" 1 " était largement supérieur à 50, et que l'on perdait donc du temps à faire les mesures.
En remplaçant le second diaphragme de 1 mm par un diaphragme de 1.25 mm devant le photomultiplicateur, on a obtenu le bon rapport.
Le diaphragme de 1 ,25 mm est repéré par la référence 31 sur les figures 3 et 4.
On s'intéresse maintenant à la mesure du rapport des flux lumineux.
Pour que la photodiode 29 soit suffisamment illuminée, c'est-à-dire pour que la précision de lecture sur le flux qu'elle reçoit soit suffisante, la lumière envoyée dans la première sphère 25 doit être plus puissante. Il n'est plus nécessaire d'envoyer de la lumière puisée car les photodiodes intègrent les puises. On dispose ainsi du maximum de lumière.
On utilise ici des LED (référence 32, figure 3) de 12 mW (ETG- 3UV400-30), présentant un maximum d'émission à 400 nm, à la place de la LED de 377 nm, dont la puissance n'est que de 0.75 mW.
Dix-neuf de ces LED sont connectées en parallèle les unes aux autres, formant ainsi une matrice, avec une résistance de 100 ohms en série sur chacune. Cette matrice de LED est fixée sur une plaque d'aluminium 33 pour dissiper la chaleur et les maintenir les unes contre les autres.
Elles remplissent un cercle de diamètre 25 mm.
Compte tenu des résistances, la tension maximale applicable est de 4.9 V en continu.
Le courant reçu par la photodiode 29 est lu à l'ampèremètre.
La calibration de la photodiode 29 permet de convertir les courants en puissances pour une longueur d'onde donnée, ici 400 nm.
La puissance étant proportionnelle au nombre de photons, le rapport des puissances est bien égal au rapport des nombres de photons reçus par chaque détecteur.
Le rapport R des flux mesuré est le suivant :
R = (2,42 +/- 0,07) x 10e
L'erreur relative de 3.1 % est due à ce que l'on utilise deux photodiodes précises chacune à 1.5%.
On mesure maintenant l'efficacité absolue du photomultiplicateur :
Pour mesurer l'efficacité absolue d'un photomultiplicateur en une zone de la photocathode, il suffit de remplacer la photodiode 27 de la seconde sphère 26 par le photomultiplicateur, en conservant le diaphragme de 1 .25 mm (figure 4).
Deux précautions essentielles doivent être prises avant d'entamer les mesures :
a) Comme le flux lumineux qui sort de la sphère n'est pas mesuré en tant que tel (surtout sa forme), la surface détectrice (photocathode du photomultiplicateur) doit être exactement à la même distance du centre de la sphère que l'était celle de la photodiode et avoir la même surface. La pièce qui permet la fixation de l'un ou l'autre de ces détecteurs sur la sphère a été conçue dans ce but. A l'arrière, le photomultiplicateur est maintenu en butée contre la sphère par des ressorts. De même, la photodiode est maintenue en butée contre la sphère par des vis.
Le maintien des deux détecteurs à la même distance, et le fait de conserver le même diaphragme, permet aussi de s'assurer que la distribution spatiale de la lumière est bien identique pour les deux mesures.
b) La structure interne du photomultiplicateur de cette expérience n'est pas symétrique. De plus, le champ magnétique terrestre a une influence sur les efficacités de collection, en modifiant la trajectoire des électrons. En tournant le photomultiplicateur, on observe une variation d'environ de 2 %. Néanmoins, l'orientation qui avait été choisie pendant la cartographie est conservée pour la mesure du rendement absolu, aussi bien en azimutal le long de leur axe, que par rapport au Nord.
La lumière requise est moindre pour la mesure proprement dite : la matrice de LED 32 de 12 mW est remplacée par une seule LED 35 de 0.75 mW (maximum à 377 nm).
La LED 35 est disposée dans l'ouverture 36 de la même manière que pour la matrice de LED 32 exposée ci-avant.
La LED 35 est mise en série avec une résistance de 43 ohms et envoie de la lumière puisée à la fréquence de 100 kHz.
Le flux reçu par la photodiode de marque UDT 29 est contrôlé en temps réel en connectant la sortie analogique de l'ampèremètre sur un Convertisseur Analogue Digital (ADC) CAMAC 3510 (11 bits).
L'acquisition de données LabVIEW permet de s'assurer de la stabilité de la LED 35 pendant la mesure et d'éliminer les relevés au cours desquels la lumière émise a beaucoup varié.
Il a alors été constaté que l'efficacité mesurée variait en fonction de la quantité de lumière envoyée par la LED 35, surtout si on change la fréquence.
Le bruit de fond venant de la photocathode du photomultiplicateur était très variable et à un niveau anormalement élevé : jusqu'à plusieurs milliers de coups par seconde.
II a ainsi été compris que la polarité négative du diviseur de tension n'était pas adaptée aux mesures à faible niveau de lumière : elle met la photocathode à la haute tension.
Des microdécharges se produisent alors entre la photocathode et la pièce de plastique, connectée à la masse, qui le maintient sur la sphère à travers la fenêtre de silice.
Ces microdécharges provoquent des augmentations brutales et incontrôlables du taux de comptage. En revanche, dès que la photocathode fut mise à la masse en utilisant un diviseur de tension positif, ces décharges disparurent.
Naturellement, la division de tension elle-même, c'est-à-dire les tensions appliquées entre chaque dynode, est restée identique à ce qu'elle était en polarité négative.
Le bruit de fond du photomultiplicateur a considérablement diminué : il est passé d'environ 300 coups/seconde à environ 30 coups/seconde.
Débarrassées de ce bruit de fond anormal, les mesures sont stables.
Elles ne varient plus ni avec la quantité de lumière, ni avec la fréquence d'émission de la LED 35.
La mesure de l'efficacité absolue du photomultiplicateur en un point ou en une zone choisie de la photocathode consiste à compter le nombre de coïncidences temporelles entre les puises de sortie du discriminateur placé derrière le photomultiplicateur et ceux du générateur basse fréquence alimentant les LED pendant une durée suffisante (100 s) à 100 kHz. Dans le même temps, le signal analogique envoyé par la photodiode 29 est enregistré, de façon à relever sa réponse et sa dispersion pendant la durée du relevé.
La calibration de la photodiode permet de calculer le nombre de photons par seconde correspondants.
L'efficacité absolue est le rapport entre le nombre de photoélectrons et le nombre de photons pendant la même durée:
c _ yvc Rhcaυm où
M λIUDT
- Nc est le nombre de coïncidences entre le générateur basse fréquence et la sortie du discriminateur - At est la durée de la mesure
- R est le rapport des flux mesuré dans la partie précédente
- h et c sont les constantes de Planck et la vitesse de la lumière
- A est la longueur d'onde
- auoτ est le facteur de conversion de la photodiode 29
- IUDT est le courant lu sur l'ampèremètre de la photodiode 29.
Comme la photodiode 29 a été utilisée à la fois dans la calibration et la mesure, son erreur s'annule.
Il a été déterminé que l'erreur relative sur la valeur de l'efficacité absolue était de 1 .7%. L'efficacité de deux photomultiplicateurs XP2020Q de Photonis a ainsi été mesurée à 377 nm et dans une zone de 3 mm au centre.
Les valeurs trouvées sont, pour le premier : (18.9 ± 0.3)% et, pour le second : (20.0 ± 0.3)%
On constate que ces deux valeurs diffèrent de 6%, soit plus de trois fois la précision permise par l'invention. Le constructeur donne l'efficacité absolue à 15%. Avec 15% de précision, on englobe les efficacités des deux photomultiplicateurs. Avec 1 .7%, on les différencie.

Claims

REVENDICATIONS
1 - Méthode pour déterminer l'efficacité d'un appareil optique pour une zone choisie de moyens photoélectriques que comporte ledit appareil, lesdits moyens photoélectriques étant aptes à absorber des photons et à émettre des photoélectrons, ladite méthode comportant les étapes suivantes :
- envoi d'un faisceau de lumière incident dans une première sphère intégrante, - mesure de l'intensité de la lumière dans la première sphère intégrante par une première photodiode calibrée, caractérisée en ce qu'elle comporte les étapes suivantes :
- envoi d'un premier flux de lumière sortant de la première sphère intégrante dans une seconde sphère intégrante, - mesure de l'intensité de la lumière dans ladite seconde sphère intégrante par une seconde photodiode calibrée, accolée à ladite seconde sphère,
- remplacement de ladite seconde photodiode calibrée par ledit appareil optique dont lesdits moyens photoélectriques sont accolés à ladite seconde sphère au même endroit que ladite seconde photodiode,
- transmission d'un second flux de lumière issue de la seconde sphère à ladite zone choisie des moyens photoélectriques dudit appareil optique, ladite zone présentant une surface prédéterminée et générant des photoélectrons après absorption des photons du second flux de lumière,
- observation d'un signal électrique en sortie de l'appareil optique proportionnel à la quantité de photoélectrons émis, - réglage de l'intensité lumineuse du faisceau de lumière incident de sorte à obtenir un signal électrique puisé de hauteur constante en sortie de l'appareil optique,
- mesure de la fréquence dudit signal électrique puisé, - mesure d'une seconde intensité de la lumière dans ladite première sphère intégrante par ladite première photodiode calibrée,
- et détermination de l'efficacité de l'appareil optique pour ladite zone choisie desdits moyens photoélectriques, à partir desdites mesures d'intensités de la lumière dans la première sphère intégrante par ladite première photodiode calibrée, de ladite mesure de ladite intensité dans ladite seconde sphère par ladite seconde photodiode, et à partir dudit signal électrique puisé mesuré en sortie de l'appareil optique.
2 - Méthode selon la revendication 1 , caractérisée en ce que l'envoi du premier flux de lumière dans la seconde sphère intégrante se fait au travers d'un premier diaphragme.
3 - Méthode selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la transmission du second flux de lumière à ladite zone choisie des moyens photoélectriques est réalisée au travers d'un second diaphragme
4 - Méthode selon la revendication 3, caractérisée en ce les deux sphères présentent un diamètre identique de 10, 16 cm, le premier diaphragme présente une ouverture dont le diamètre est de 1 mm, et le diamètre de l'ouverture du second diaphragme est de 1 ,25 mm. 5 - Méthode selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la première sphère intégrante présente une ouverture dont le diamètre est sensiblement de 9 mm sur laquelle est positionnée la première photodiode.
6 - Méthode selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les photodiodes présentent une précision de calibration absolue de 1 ,5 %.
7 - Méthode selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les moyens photoélectriques de l'appareil optique sont reliés à la masse.
8 - Méthode pour déterminer l'efficacité absolue d'un appareil optique, ladite méthode mettant en œuvre les étapes suivantes :
- détermination de l'efficacité absolue d'un appareil optique en une zone choisie des moyens photoélectriques présentant une surface déterminée, par la mise en œuvre de la méthode selon l'une quelconque des revendications précédentes,
- réalisation d'une cartographie de l'efficacité relative en chacune des zones de la surface des moyens photoélectriques,
- détermination de l'efficacité absolue de l'appareil optique à partir de l'efficacité relative des moyens photoélectriques et de l'efficacité absolue de l'appareil optique en une zone des moyens photoélectriques. 9 - Méthode selon la revendication 8, caractérisée en ce que l'étape de réalisation de la cartographie comprend des étapes consistant à :
- définir une matrice de plusieurs zones sur lesdits moyens photoélectriques, des limites de zone étant repérées par des coordonnées suivant deux axes définissant le plan desdits moyens photoélectriques ;
- envoyer un quatrième flux de lumière de longueur d'onde déterminée dans une première fibre optique associée à un appareil mobile suivant deux axes, de sorte à scanner toute la surface des moyens photoélectriques, ladite première fibre optique présentant une première extrémité placée à une distance prédéterminée de la surface des moyens photoélectriques, et une seconde extrémité se trouve en regard de ladite source lumineuse,
- mesurer l'efficacité relative de ladite zone en relevant le résultat délivré en sortie du photomultiplicateur,
- enregistrer ledit résultat,
- et déplacer ladite fibre sur une zone voisine au moyen de l'appareil mobile.
10 - Méthode selon la revendication 9, dans laquelle la première fibre est associée à un atténuateur de lumière agencé de sorte à atténuer le flux de lumière utilisé pour scanner la surface des moyens photoélectriques.
1 1 - Méthode selon la revendication 9 ou 10, caractérisée en ce que la distance prédéterminée entre l'extrémité de la fibre optique et la zone de la matrice est sensiblement de 1 mm. 12 - Méthode selon l'une quelconque des revendication 9 à 1 1 , caractérisé en ce que l'on utilise une seconde fibre optique associé à une photodiode de contrôle des dérives temporelles de l'émission du quatrième flux de lumière.
13 - Méthode selon la revendication 12, caractérisée en ce que l'on enregistre lesdites informations de dérives temporelles fournies par la photodiode de contrôle et on les associe à la mesure d'efficacité de la zone.
14 - Dispositif pour déterminer l'efficacité absolue d'un appareil optique pour une zone choisie de moyens photoélectriques qu'il comporte, ledit dispositif comprenant :
- une première sphère intégrante pour uniformiser et atténuer le faisceau de lumière incident,
- et une première photodiode calibrée de mesure de l'intensité de lumière dans ladite première sphère, caractérisé en ce qu'il comporte en outre:
- une seconde sphère intégrante dont l'intérieur communique avec l'intérieur de la première sphère par un diaphragme dont l'ouverture présente un diamètre déterminé,
- une seconde photodiode de mesure de l'intensité lumineuse de la seconde sphère intégrante au travers un diaphragme prévu au travers la paroi de la seconde sphère et dont l'ouverture est prédéterminée ;
- des moyens de positionnement fixés à ladite seconde sphère, les moyens de positionnement étant aptes à recevoir la deuxième photodiode et lesdits moyens photoélectriques.
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SHIMA T ET AL: "Development of a photomultiplier tube with high quantum efficiency" NUCLEAR INSTRUMENTS & METHODS IN PHYSICS RESEARCH, SECTION - A: ACCELERATORS, SPECTROMETERS, DETECTORS AND ASSOCIATED EQUIPMENT, ELSEVIER, AMSTERDAM, NL, vol. 431, no. 1-2, 11 juillet 1999 (1999-07-11), pages 185-193, XP004172966 ISSN: 0168-9002 *

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