Brevet FR2895175A1 — publié le 20070622

La presente invention concerne un detecteur de signaux optiques ultra-rapides et/ou de faible intensite. On entend par signaux optiques ultra-rapides, des signaux ayant une duree inferieure a 10 nanosecondes. Avec le developpement des besoins en communication a haut debit, les compagnies de materiels pour les telecommunications optiques ont introduit un nouveau standard de communications a 40 GHz. Dans cette application, les signaux consistent en des impulsions lumineuses produites a une cadence de 40 GHz. Afin de permettre un retour a zero entre deux bits, it faut utiliser des impulsions de quelques picosecondes (1 û 5 picosecondes typiquement). On connait des systemes electroniques (photodetecteurs suivis d'un echantillonneur electronique) qui permet de detecter des signaux optiques rapides. Ces systemes sont Iimites par la vitesse ultime des circuits electroniques. La limite actuelle se situe autour de 20-30 picosecondes. La vitesse de deplacement des electrons dans le photodetecteur impose une dimension tres faible pour le detecteur ce qui limite fortement sa sensibilite. Les photomultiplicateurs ont une excellente sensibilite mais leur resolution temporelle est limitee a 30 picosecondes. II faut leur associer un detecteur electronique dont la bande passante est superieure a 30 GHz. Les systemes simples ont une resolution temporelle de I'ordre de 1 nanoseconde. Les cameras a balayage de fente presentent des resolutions inferieures a 1 picoseconde mais au prix d'une sensibilite tres limitee et d'une dynamique tres reduite. Leur cout est superieur a 100 K{. Les systemes de correlation optiques impliquent ('utilisation d'un laser femtoseconde a I'interieur du detecteur. La complexite est tres grande et le cout prohibitif. Une premiere idee consiste a integrer des fonctions de detection et d'echantillonnage dans le meme tube. Le cout de ('ensemble est donc potentiellement inferieur a celui de n'importe quelle chaine de detection rapide utilisant un convertisseur photon-electron (photodiode, photomultiplicateur...) suivi d'un systeme electronique ultra-rapide. Nous connaissons un tel dispositif appele dissecteur de radicle Commissioning of Bunch Length Monitor at AMPS (J. Coppens et al., Proc .EPAC 96, Stiges, pp. 1704). Ce dissecteur conventionnel represents sur la figure 1 est destine a ('analyse de radiations synchrotrons mais egalement de tout type de radiation lumineuse dans la mesure ou la photocathode est sensible. Cela peut concerner des longueurs d'ondes allant de ('ultraviolet a I'infrarouge. Dans ce detecteur, une photocathode 1 convertit les photons d'un signal lumineux rapide en electrons pour les focaliser avant qu'ils ne traversent une zone de deflection 3. Ces electrons traversent ensuite une zone d'echantillonnage 12 comprenant a son entree une feuille de metal 9 (ici de ('aluminium). Cette feuille de metal 9 vise a ralentir les electrons et a reduire leur energie jusqu'a une energie acceptable par la premiere dynode 8 d'un multiplicateur d'efectron 7. La feuille de metal 9 est placee devant la premiere dynode 8. La zone d'echantillonnage 12 comprend a sa sortie une anode collectrice 10. L'epaisseur de la feuille d'aluminium 9 est telle qu'un electron secondaire est transmis pour un electron de plusieurs keV incident sur la feuille 9. Cet electron secondaire est alors de faible energie. La difference de potentiel entre la premiere dynode 8 et la feuille de metal est de 500V environ. En pratique, la photocathode 1 est a environ -10kV et la feuille de metal 9 a -3kV. L'energie des electrons est donc de 7keV. L'energie des electrons secondaires emis par la feuille de metal 9 est quasi nulle. La difference de potentiel entre la premiere dynode 8 et la feuille de metal 9 amene ces electrons secondaires a une energie de 500eV. Des Tors, nous sommes dans les conditions usuelles de fonctionnement d'un multiplicateur d'electrons. La realisation d'une feuille d'aluminium 9 ayant les proprietes de transmission 1 pour 1 est difficile. L'epaisseur n'est que de quelques micrometres. De plus, la statistique d'emission secondaire doit titre de bonne qualite pour ne pas creer d'instabilite dans le gain du photomultiplicateur. Enfin, la forme et position de la premiere dynode 8 du multiplicateur d'electrons doivent titre calculees afin de garantir une bonne efficacite de collection qui elle aussi entre dans le calcul du gain du multiplicateur. Le rapport signal a bruit d'un photomultiplicateur depend essentiellement de ('efficacite de collection et d'emission secondaire de la premiere dynode 8. Le design du couple feuille de metal 9/premiere dynode 8 est donc primordiale dans ce type de realisation. L'invention se propose de simplifier la configuration en collectant les photoelectrons directement sur la premiere dynode 8 avec une energie optimale. Ainsi, ('efficacite d'emission secondaire est optimale et donc le rapport signal a bruit en sortie du multiplicateur d'electrons est meilleur. Le detecteur presente egalement une plus grande sensibilite a la deflection. L'objet de la presente invention est donc de proposer un detecteur de signaux optiques ultra-rapides qui regroupe les avantages de resolution temporelle d'une camera a balayage de fente et de sensibilite d'un photomultiplicateur, a un faible cont. A cet effet, ('invention concerne un detecteur de signaux optiques ultra-rapides et/ou de faible intensite comprenant : - une photocathode convertissant les photons de signaux optiques ultra-rapides entrant en electrons, - une zone de focalisation comportant des electrodes de focalisation focalisant les electrons, - une zone de deflection comportant un champ electrique transverse produit par des electrodes de deflection deviant lesdits electrons de ('axe perpendiculaire a la photocathode, - un moyen de ralentissement des electrons, - une zone d'echantillonnage comportant une fente d'echantillonnage et un multiplicateur d'electrons ayant une premiere dynode et une anode collectrice d'efectron. Selon I'invention, le moyen de ralentissement des electrons est une zone de deceleration des electrons. Dans differents modes de realisation possibles, la presente invention concerne egalement les caracteristiques suivantes qui pourront titre considerees isolement ou selon toutes leurs combinaisons techniquement possibles et apportent chacune des avantages specifiques : - la zone de deceleration des electrons se situe entre la zone de deflection et la zone d'echantillonnage, - la difference de potentiel de la zone de deceleration des electrons correspond a la tension appliquee au multiplicateur d'electrons, - le potentiel de la fente d'echantillonnage est identique a celui de la premiere dynode, - ('entree et la sortie de la zone de deflection sont au meme potentiel, - le potentiel de la photocathode est superieur a celui de la premiere dynode, - la longueur des differentes zones et le potentiel des electrodes de focalisation sont determines de fawn a obtenir une image electronique des electrons la plus petite sur le plan de la fente d'echantillonnage, - le multiplicateur d'electrons est une chaine de dynodes, - ('anode collectrice est reliee a la masse. L'invention sera decrite plus en detail en reference aux dessins annexes dans lesquels : - La figure 1 est une representation d'un detecteur conventionnel appele dissecteur selon ('art anterieur ; - La figure 2 est une representation schematique d'un detecteur de signaux optiques ultra-rapides selon ('invention ; - La figure 3 est une representation schematique d'un detecteur de signaux optiques selon ('invention, comprenant une chaine de dynodes ; La figure 2 represente un exemple de detecteur de signaux optiques ultra-rapides selon ('invention comprenant une photocathode 1 qui convertit les photons du signal optique entrant en electron. La photocathode 1 est sensible a des longueurs d'ondes allant de ('ultraviolet a I'infrarouge. A proximite de la photocathode 1, un champ electrostatique de plusieurs kV/mm permet ('extraction des electrons dans le vide selon ('axe 4 du tube. Ces electrons sont alors focalises dans une zone de focalisation 13 par des electrodes de focalisation 2 dont le nombre est variable. Les electrons entrent ensuite dans une zone de deflection 3 ou un champ electromagnetique transverse devie les electrons de ('axe 4 perpendiculaire a la photocathode 1. Le detecteur de signaux optiques ultra-rapides comporte egalement une zone d'echantillonnage 12 comprenant une fente d'echantillonnage 6 et un multiplicateur d'electron 7. Le multiplicateur d'electron 7 comprend une premiere dynode 8 et une anode collectrice 10. Le champ electrique applique entre les plaques de deflection 5 est variable et seuls les electrons traversant les plaques 5, lorsque le champ est nut, peuvent traverser la fente d'echantillonnage 6 placee entre la zone de deflection 3 et le multiplicateur d'electron 7. C'est ce qui permet I'echantillonnage temporel. Le multiplicateur d'electron peut titre une chaine de dynodes 14 comme represents sur la figure 3. II peut titre tout autre type de multiplicateur d'electron. Dans le cas d'evenements photoniques a probabilite faible. La chaine de dynodes 14 peut titre remplacee par une galette de microcanaux ou bien un channeltron. Les electrons qui traversent la fente d'echantillonnage 6 ont une energie de plusieurs KeV. Its sont trop energetiques pour pouvoir arracher avec une bonne efficacite les electrons de la premiere dynode 8 d'un multiplicateur d'electron 7 standard. En effet, le maximum d'efficacite d'emission d'electrons secondaires dans les materiaux usuels est atteint pour des electrons ayant une energie d'environ 500eV. Le rendement de conversion et le pouvoir de collection de la premiere dynode 8 d'un multiplicateur d'electrons 7 sont ce qui determine majoritairement le rapport signal a bruit d'un multiplicateur d'electrons. D'ou ('importance de soigner ('interface entre le multiplicateur d'electrons 7 et la fente d'echantillonnage 6. Selon ('invention, le detecteur de signaux optiques ultra-rapides comprend une zone de deceleration des electrons 11 visant a reduire I'energie des electrons avantageusement jusqu'a environ 500eV lorsqu'ils arrivent sur la premiere dynode 8 d'un multiplicateur d'electrons 7. Cette zone de deceleration des electrons 11 se situe entre la zone de deflection 3 et la zone d'echantillonnage 12. Elie participe egalement a Ia focalisation des electrons. Plus precisement, elle se situe entre la fente d'echantillonnage 6 et la sortie de la zone de deflection 16. La longueur LI de la zone de deceleration des electrons 11 peut titre comprise entre 60 et 120 mm sans se limiter. La longueur du detecteur selon ('invention est par consequent plus grande que celle des detecteurs classiques. La distance entre la fente d'echantillonnage 6 et la sortie de la zone de deflection 16 Lo, des detecteurs de ('art anterieur, est inferieure a Li. La zone de deceleration des electrons 11 presente une difference de potentielle reduisant I'energie des electrons qui passe de 4 KeV a 500eV. Cette zone de deceleration des electrons 11 constitue une zone tampon entre la partie determinant la resolution temporelle et la partie assurant la sensibilite. Le potentiel des electrodes de focalisation 2 et les longueurs des differentes zones 13, 3, 11 sont ajustes afin que ('image electronique des electrons issue de la photocathode 1 soit la plus petite possible sur le plan de la fente d'echantillonnage 6. Pour des raisons de cout, un maximum d'electrode est relie a la masse afin de reduire le nombre d'alimentations. On peut envisager plusieurs moyens de realisation selon que I'on privilegie la performance ou le cont. Pour des raisons de simplicite de construction et de design, ('entree 15 et la sortie 16 de la zone de deflection 3 sont au meme potentiel, a la 5 masse par exemple. Lorsque le multiplicateur d'electron est une chaine de dynodes 14 (figure 3), ('anode collectrice 10 est placee au bout du multiplicateur d'electron 7 et est reliee a la masse de fawn a polariser la premiere dynode 8 en negatif. 10 Dans la pratique, la premiere dynode 8 est a -3,5KV. Pour des raisons de simplicite, le potentiel de la fente d'echantillonnage 6 est egal a celui de la premiere dynode 8. II est tout a fait possible de polariser la chaine de dynodes 14 en positif pour certaines applications. La difference de potentiel de la zone de deceleration des electrons 15 11 correspond donc a la tension appliquee au multiplicateur d'electrons 7, typiquement entre 2 et 3.5kV sans se limiter. Pour que les photoelectrons soient focalises sur la premiere dynode 8 avec une energie de 500eV, it faut donc que le potentiel de la photocathode 1 soit compris entre 2.5 et 4kV. Autrement dit, le potentiel de 20 la photocathode 1 doit titre superieure a celui de la premiere dynode 8 d'au moins 100V jusqu'a 1.5kV, 500V etant optimal. Par exemple, si le maximum d'efficacite d'emission secondaire de la premiere dynode 8 se situe pour une energie d'electron primaire de 500eV, la difference de potentiel entre la photocathode 1 et la premiere dynode 8 25 est de 500V, ce qui fixe le potentiel de la photocathode 1 a -4KV. La difference de potentiel entre la photocathode 1 et cette zone de deflection 3 est importante puisqu'elle determine la vitesse de passage des electrons et donc la sensibilite de deflection. Elie est comprise entre 2.5 et 4kV. 30 L'invention se distingue egalement de ('art anterieur par le fait que le gain d'un multiplicateur d'electrons selon un dispositif de ('art anterieur est independant de I'optique electronique de focalisation tandis que celui selon ('invention est fixe par le potentiel de la premiere dynode 8 qui entre dans le calcul de I'optique electronique pour la focalisation des electrons sur la fente d'echantillonnage 6. Dans d'autres modes de realisation, on peut imaginer permuter la zone de deflection 3 et la zone de focalisation 13. On peut egalement concevoir une focalisation magnetique au lieu d'une focalisation electronique. II est aussi possible de se passer de la feuille de metal, selon la figure 1 de ('art anterieur, en modifiant le materiau constituant la premiere dynode 8 par du GaP : Ce (Phosphure de Gallium dope Cesium). Le GaP : Ce materiau possede en effet un maximum d'efficacite d'emission d'electron secondaire pour des electrons de plusieurs keV. Ce mode de realisation permet en plus de reduire le nombre de dynodes et d'optimiser le rapport signal a bruit. Cependant, le cout de production de ce materiau prohibe la realisation en serie d'un tel produit. Le GaP est rarement utilise sous ces hautes energies, les chances de reussite sont donc incertaines. De nombreux domaines sont susceptibles d'utiliser le detecteur de signaux optiques ultra-rapides selon ('invention, comme par exemple la tomographie optique pour le cancer du sein. Ce systeme de tomographie est base sur des impulsions laser tres breves. Its utilisent actuellement comme detecteurs une camera a balayage de fente dont la sensibilite est de plusieurs ordres de grandeur inferieure a celle du detecteur et le cout est tres important. En telemetrie ultra-precise, la capacite de mesure du detecteur de signaux optiques ultra-rapides selon ('invention etant absolue avec des resolutions de I'ordre de la picoseconde, it permettrait d'envisager des telemetres dont la resolution spatiale est de I'ordre de quelques dizaines de micrometres tout en gardant une gamme dynamique allant jusqu'a plusieurs kilometres. En biophotonique, le temps de fluorescence des marqueurs est utilise comme mesure de I'environnement physico-chimique de ('objet a analyser. II faut mesurer rapidement des signaux de fluorescence avec des resolutions de I'ordre de la dizaine de picoseconde. Le detecteur selon ('invention est aussi utilisable en spectroscopie resolue en temps. On obtient ainsi un detecteur de conception simplifiee avec une efficacite d'emission secondaire optimale et un meilleur rapport signal a bruit en sortie du multiplicateur d'electrons 7. II presente egalement une plus grande sensibilite a la detection. REVENDICATIONS 1. Detecteur de signaux optiques ultra-rapides et/ou de faible intensite comprenant : - une photocathode (1) convertissant les photons de signaux optiques ultra-rapides entrant en electrons, - une zone de focalisation (13) comportant des electrodes de focalisation (2) focalisant lesdits electrons, - une zone de deflection (3) comportant un champ electrique transverse produit par des electrodes de deflection (5) deviant lesdits electrons de I'axe (4) perpendiculaire a la photocathode (1), - un moyen de ralentissement desdits electrons, - une zone d'echantillonnage (12) comportant une fente d'echantillonnage (6) et un multiplicateur d'electrons (7) ayant une premiere dynode (8) et une anode collectrice d'efectron (10), caracterise en ce que le moyen de ralentissement desdits electrons est une zone de deceleration des electrons (11). 2. Detecteur de signaux optiques ultra-rapides selon la revendication 1, caracterise en ce que la zone de deceleration des electrons (11) se situe entre la zone de deflection (3) et la zone d'echantillonnage (12). 3. Detecteur de signaux optiques ultra-rapides selon la revendication 2, caracterise en ce que la difference de potentiel de la zone de deceleration des electrons (11) correspond a la tension appliquee au multiplicateur d'electrons (7). 4. Detecteur de signaux optiques ultra-rapides selon la revendication 3, caracterise en ce que le potentiel de la fente d'echantillonnage (6) est identique a celui de la premiere dynode (8). 5. Detecteur de signaux optiques ultra-rapides selon la revendication 3 ou 4, caracterise en ce que le potentiel de la photocathode (1) est superieur a celui de la premiere dynode (8). 6. Detecteur de signaux optiques ultra-rapides selon rune quelconque des revendications 3 a 5, caracterise en ce que I'entree (15) et la sortie (16) de la zone de deflection (3) sont au meme potentiel. 7. Detecteur de signaux optiques ultra-rapides selon rune quelconque des revendications 1 a 6, caracterise en ce que la longueur des differentes zones (3, 11 et 13) et le potentiel des electrodes de focalisation (5) sont determinees de fawn a obtenir une image electronique des electrons la plus petite sur le plan de la fente d'echantillonnage (6). 8. Detecteur de signaux optiques ultra-rapides selon rune quelconque des revendications 1 a 7, caracterise en ce que le multiplicateur d'electrons (7) est une chaine de dynodes. 9. Detecteur de signaux optiques ultra-rapides selon la revendication 8, caracterise en ce que ('anode collectrice (10) est reliee a la masse.