Brevet FR2017000A1 — publié le 19700515

a présente invention a essentiellement pour objet un appareil de mesure spectroscopique de haut pouvoir de résoGution.- Généralement, les spectroscopes peuvent se classer parmi ceux du type réseau utilisant un réseau de diffraction, ceux du type prisme utilisant un prisme et ceux du type interférence dans lesquels une série de groupes de faisceaux de lumière parallèles issus d'une seule source de lumière interfèrent par l'emploi d'une lentille. te type conventionnel des spectroscopes cités, possède un pouvoir de résolution qui dépend de la précision avec laquelle il a été construit. Si lton désire des spectroscopes à haut pouvoir de résolution, il est nécessaire qu'il soit construit avec une très grande précision, ce qui conduit à la nécessité de beaucoup de temps et de travail. Par conséquent, objet général de la présente invention est de réaliser une analyse spectroscopique sur la base-de principes tout à fait différents de ceux utilisés jusqu'à présent. Un autre objet de la présente invention est de prévoir un nouvel appareil de mesure spectroscopique perfectionné, simple en construction, et de haut pouvoir de résolution, et qui de plus ne nécessite pas une haute précision de construction qui s'avérait nécessaire jusqu'alors, dans la fabrication des spectroscopes. L'invention réalise les objets précités, par l'élaboration d'un appareil de mesure spectroscopique comprenant une source de lumière, et un dispositif diviseur de lumière pour diviser un rayon lumineux issu d'une source en deux portions de rayon , caractérisé par un dispositif détecteur pour la réception de chacune des portions du rayon lumineux divisé susceptible d'identifier les photons individuels qui constituent les faisceaux de lumière reçus, pour fournir des impulsions électriques à raison d'une par photon, un dispositif d'amplificateur pour l'amplification des impulsions électriques de chacun des dispositifs de détection, un dispositif retardateur pour dccaler ;;e temps des impulsions de sortie de chaque dispositif d'amplificateur par rapport à celles des autres dispositifs d'amplificateur , d'un certain intervalle de temps,et un circuit"ET"pour la production d'une impulsion de sortie chaque fois qu'on a déterminé la coincidence du temps des impulsions relativement décalées, à partir des deux dispositifs retardateurs, et un dispositif de compteur relié au circuit "ET" pour en compter les impulsions de sortie. De préférence, un dispositif peut être prévu.pour faire varier le retard du temps appliqué entre les tensions de sortie des deux dispositifs d'amplificateur, dans le but de mesurer un taux de comptage sur l'unité de temps du dispositif de comptage, malgré le décalagé- de temps entre les impulsions de sortie des deux dispositifs d'amplificateur te dispositif retardateur peut avantageusement comprendre un circuit retardateur électrique relié à chacun des dispositifs amplificateurs. Si on le désire, le dispositif retardateur peut comprendre le déplacement d'au moins un des détecteurs vers le dispositif diviseur de rayon lumineux ou en sens inverse. D'autres buts et caractéristiques apparaîtront plus clairement à l'aide de la description explicative faite en référence aux dessins annexés, donnés uniquement à titre d'exemple, et dans lesquels - la figure 1 est un diagramme d'ensemble de l'appareil de mesure spectroscopique construit suivant les principes de l'invention; - la figure 2 est un diagramme illustrant, par voie d'exemple les niveaux d'énergie pour un atome ou une molécule compris dans une source de rayon lumineux et la flècheoindique une transition entre les deux niveaux illustrés; - la figure 7 est un graphique illustrant une sortie typique de l'appareil de la figure 1, conséquence des transitions illustrées sur la figure 2. Les principes de l'invention sont tout à fait différents de ceux utilisés pour l'analyse spectrale et basés sur les propriétés statistiques des photons dont le faisceau est considéré comme constituant la lumière. On suppose qu'unepaire de détecteurs de photons idéaux pour la détection des photons, -en vue de les convertir en impulsions électriques, une pour chaque photon, est placée à des distances respectives deux1 et r2 d'une source lumineuse.Selon la théorie de G lanber décrite dans "Quantum Optics and Electronics" une probabilité P (r1 , t1 ; r2 h t2) pour qu'en un temps t1 un photon atteigne le détecteur placé à la distance rl , est simultanée à celle pour laquelle un photon atteint ltautre détecteur placé à la distance r2 en un temps t2 et s'exprime par la relation (1) P (r1,t1; r2t2) = où E (r,t) est la portion de fréquence négative de commande du champ électrique E+ (r,t) est la portion de fréquence positive de cette commande i > est la condition initiale du champ de radiation avant que les photons atteignent les détecteurs. te membre situé à droite de l'équation (1), signifie qu'il est en moyenne égal à On suppose maintenant que, comme l'indique la figure 2, dans laquelle les niveaux d'énergie et les transitions indépendantes des électrons inclus dans une source lumineuse après examen au spectroscope, il est survenu deux transitions indépendantes de type différents, à partir des niveaux d'énergie a et b vers les niveaux d'énergie a' et b' respectivement, comme le montrent les flèches de la figure 2. En conséquence, deux photons seront émis. On suppose également que Ba et Eb représentent les différences d'énergie entre les niveaux a et a', et entre les niveaux b et b' pour les niveaux a et b , les largeurs des demi-valeurs respectives de&gamma;a et &gamma;b , en termes de fréquence angulaire. Alors, la probabilité P(rl,tl; r2,t2) exprimée par l'équation (1) peut approcher la valeur calculée. (2) P (rl, tel; r2,t2) (## + ## )2 + [(## exp# -#a|t2-t1|# ## exp# -#b |t2-t1|#]+#### exp #-(#a + #b)|t2-t1|# 1 + cos ### -##(t2-t1)#] où A et B sont des constantes déterminées par les éléments de la matrice pour les transitions, et # est la constante de Planck h divisée par 2#. L'équation (2) décrit une forme d'ondes comme l'illustrée la figure 3,dans laquelle l'axe des ordonnéesreprésente P (r1,t1; r2,t2) et l'axe des abscisses représente un retard t2 - t . Comme le montre la figure 3, la forme d'ondes illustre une oscillation amortie d'amplitude maximum à t2 - t = O et décroît graduellement lorsque t2 - t1 croît dans les directions positives et négatives. Ea - Eb A partir de la fonction cos# (t2-t1)# on peut voir facile 2 # # ment que l'oscillation amortie est de période T égale à a b On suppose que # a , 9 a , et A a désignent une fréquence angulaire, une fréquence, et une longueur d'onde , correspondant à la différence d'énergie Ea . Alors, on obtient Ea = ##a a a a a = 2 T et va = = c/À a où c représente la vitesse de la lumière. Par conséquent, Ea est égal à + . De même, quand Eb est égal à # ### où #b représente une longueur d'ondes correspondante à la différence d'énergie E . Ainsi, la période T se calcule comme suit : (3) 2 # # 2 # # 1 #a # b T = = = = |Ea - Eb| #2 # c #2 # c |1 1| c |#b - #a| # a # b a b en posant : ## = b - #a| il vient # a (#a @ ##) #@a + T = = c ## c Si ### a , ou ci # D voisine # a alors, on obtient (4) T = ### en supposant que #a et #b voi@inent On pourra également comprendre à partir de l'équation (2), qu'une enveloppe de la forme d'ondes illustrée sur la figure 3, dépend des largeurs desdemi-valeurs #a et Yb . La dépendance est différente d'un type à un autre type de transition. Par exemple, les transitions en cascade possédant un niveau d'énergie supérieur ou inférieur commun fournissent une forme d'ondes peu différente en forme de celle illustrée par la figure 3 bien qu'elle ne soit pas montrée. Par conséquent, on reconnaîtra que pour une forme d'ondes donnée, telle que celle de la figure 3, la période de sa portion d'oscillation peut être mesurée tout en estimant Ba - Bb ta et Yb en utilisant un calculateur de modèle conventionnel. Si la longueur d'ondes X a est connue auparavant comme étant proche de la longueur d'ondesA b et égale à X comme conséquence d'une mesure par un spectroscope usuel, la différence entre les deux longueurs d'ondes peut se calculer à partir de l'équation (4). Ainsi le type de transition et la structure fine des niveaux d'énergie peuvent être déterminés. Si l'on se réfère maintenant à la figure 1, on trouve illustré un appareil de mesure spectroscopique construit suivant les principes de l'invention ci-dessus décrits. te montage illustré comprend une source lumineuse 10, à mesurer, un filtre optique 12, disposé de telle façon à intercepter un rayon lumineux émis par la source 10, pour permettre la transmission d'une bande spectrale prédéterminée, et un diviseur de lumière 14 tel qu'un demi-miroir ou une plaque semi-argentée pour partager les rayons lumineux en deux lorsqu'ils traversent le filtre 12. te miroir 14 est placé suivant un angle substantiel de 450 par rapport à l'axe de propagation de la lumière pour permettre la transmission d'une moitié du rayon lumineux, tout en réfléchissant l'autre moitié en direction substantiellement perpendiculaire à l'axe de propagation de la lumière. tes deux portions du rayon lumineux transmises et réfléchies dans le miroir 12, viennent frapper respectivement deux détecteurs de photons 16 et 17. tes détecteurs 16 et 17 sont chacun mis en oeuvre pour détecter les photons qui composent les portions de rayon lumineux respectives pour les convertir en impulsions électriques, une par photon. te détecteur peut etre de préférence un multiplicateur photoélectrique bien connu dans la technique. tes impulsions de sortie de chacun des détecteurs 16 ou 17, sont amplifiées par un amplificateur 18 ou 19, puis sont appliquées à un circuit retardateur variable 20 ou 21. tes circuits retardateurs 20 et 21 ont susceptibles d'attribuer variablement aux impulsions qui les traversent un retard désiré dans les limites requises, par lequel les impulsions quittant l'un des circuits retardateurs est retardée par rapport à celle de l'autre circuit retardateur d'un certain intervalle de temps choisi. tes impulsions retardées émises par le circuit retardateur 20 sont appliquées à une entrée d'un circuit 22. Seulement lorsqu'une impulsion issue du circuit retardateur 20 et une impulsion issue du circuit retardateur 21 arive au circuit "ET" 22 dans un court intervalle de temps que l'on appellera ici temps de révolution, le circuit "ET" 22 fournit une impulsion à la sortie. Par exemple, une différence entre un temps t1 auquel un photon frappe sur le détecteur 16 et un temps t2 auquel un photon frappe sur le détecteur 17 est égal à # = t2 - t1 , alors le circuit "ET" 22 peut être adapté pour fournir une impulsion de sortie. Alors les impulsions émises par le circuit "ET" 22 sont appliquées à un compteur 24 qui les compte.Lors de la mise en oeuvre, les dispositifs de commande appropriés sont utilisés pour faire varier la différence Z entre les temps t2 et t1 d'une manière discrète, (ou à partir de l'une à l'autre des grandeurs discrètes) ou d'une manière continue pour constituer une lecture de variation sur le compteur 22. La lecture constitue un taux de comptage numérique, ou un comptage en unités de temps, qui à son tour, doit être converti par un convertisseur numérique-analogique, en quantité analogique correspondante. La quantité analogique est alors appliquée à un enregistreur X-Y qui à son tour, décrit une courbe de mesure de retard Z (le long de l'axe X) et de taux de comptage (le long de l'axe Y). te convertisseur et l'enregistreur peuvent être de construction conventionnelle et re nécessitent pas d'être décrits plus en détail. A l'aide du circuit"ET" 22, possédant un temps de résolution approprié, la courbe résultante ressemble à la courbe illustrée sur la figure 3. On a découvert que, afin de pouvoir observer une oscillation amortie comme l'illustre la figure 3, le temps de résolution A t du circuit "ET" 22 ne doit pas être supérieur à un quart de la période T de l'oscillation amortie. En d'autres termes, si une paire de longueursd'ondes lumineuses voisine la grandeur À , le circuit 22 doit avoir un temps de résolution # 2 # t obéissant à la relation ## # 1/4 comme il sera c ## compris facilement à partir de l'équation (4).A partir de la relation ci-dessus, on obtient # t .###1/4 ## Ceci signifie, que plus la grandeur ssss est faible, plus la limitation imposée à # t sera allégée. Par exemple, si = = 10 4 A pour un # d'environ 5000 A, il fautaveAt ne soit pas supérieur à 2 x 10 8 seconde. La courbe décrite par l'enregistreur s'obtient d'une manière précédemment décrite en relation à la figure 3 pour déterminer par spectroscopie la source 10, etest-à-oire pour déterminer le type particulier des transitions, et la structure des niveaux d'énergie associés. L'invention est particulièrement intéressante pour la détermination de la structure hyperfine des lignes spectrales. Egalement, elle peut être applicable à l'analyse spectrale de la lumière émise, en plus des transitions illustrées sur la figure 2, et comme conséquence on peut observer d'autres transitions comportant des transitions en cascade de niveau d'énergie supérieur ou inférieur commun . Dans ce cas, la courbe d'oscillation amortie résultante, est quelque peu différente quant à la forme de la courbe illustrée sur la figure 7, mais on peut procéder de la même façon que précédemment décrit pour déterminer le type particulier de transition et la structure des niveaux d'énergie associés. Tandis que l'inyention a été illustrée et décriteen référence à un seul mode de réalisation préféré, on doit comprendre que plusieurs modifications peuvent etre effectuées. Par exemple au lieu de l'emploi de circuits retardateurs 20 et 21, au moins un des détecteurs 16 et 17 peut être déplacé vers le miroir 14 ou éloigné du miroir 14, pour constituer une différence de temps entre les impulsions fournies par les détecteurs. Bien entendu,l'invention n'est nullement limitée au mode de réalisation décrit et représenté qui n'a été donné qu'à titre d'exemple.En particulier,elle comprend tous les moyens constituant des équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons,si celles-ci sont exécutées selon l'esprit de l'invention. REVENDICATIONS Appareil de mesure spectroscopique, caractérisé en ce qu'il comprend en combinaison, une source lumineuse, un dispositif diviseur de lumière pour la division des rayons lumineux issus d'une source en deux portions, un dispositif de détection pour recevoir chaque portion de rayons lumineux divisés, afin de pouvoir identifier les photons individuels compris dans la portion de rayon lumineux reçu pour engendrer des impulsions électriques, une pour chaque photon, un dispositif amplificateur pour l'amplification des impulsions électriques précitées, émises par chacun desdits dispositifs de détection, un dispositif retardateur pour décaler le temps des impulsions de sortie de chacun desdits dispositifs amplificateurs par rapport à celles des autres amplificateurs,d'un certain intervalle de.temps, et un circuit "ET" pour fournir une impulsion de sortie chaque fois qu'on détermine une coïncidence de temps dans les impulsions décalées relativement à partir des deux dispositifs retardateurs précités, et un dispositif de comptage relié audit circuit "ET" pour en compter les impulsions de sortie. 2.- Appareil de mesure spectroscopique suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des dispositifs pour faire varier le décalage de temps appliqué auxdites tensions de sortie provenant des dispositifs amplificateurs précités. 3.- Appareil de mesure spectroscopique suivant la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits dispositifs retardateurs comprennent un circuit retardateur électrique relié à chacun desdits dispositifs amplificateurs. 4.- Appareil de mesure spectroscopique selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits dispositifs retardateurs comprennent le déplacement d'au moins un desdits dispositifs de détection en avancée ou en recul dudit dispositif diviseur de lumière.