Brevet FR2907218A1 — publié le 20080418

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 io les méthodes mises en oeuvre 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 is 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 25 moins de 5 %. Pour mesurer la fluorescence de l'azote, on utilise notamment des photomultiplicateurs. 20 2907218 2 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 s longueur d'onde de ces photons. Dans le cadre de la présente invention, on s'intéresse à un flux de lumière monochromatique. io 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 ls 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. 20 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. 25 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. 30 2907218 3 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. 5 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 io 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). 15 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 pulse (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. 25 On ne peut détecter un signal au niveau de l'anode 8 qu'à partir de 0' 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 30 photoélectrons émis par la photocathode. 20 2907218 4 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 5 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 pulse composé de suffisamment d'électrons pour pouvoir être io 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 15 photomultiplicateur, c'est-à-dire de sa faculté à transformer le photon en un pulse d'électrons de taille suffisante pour déclencher un signal (10' électrons). Le courant mesuré en sortie du photomultiplicateur est en effet 20 pulsé car les photoélectrons sont créés de façon discrète, et chaque photoélectron créé fera un pulse sur l'anode. Ce sont ces pulses qui sont comptés. Pour ce faire, et être synchrone, le flux de lumière 25 monochromatique arrivant sur le photomultiplicateur doit également être pulsé. Connaissant le nombre de photons envoyés sur le photomultiplicateur, il est aisé d'en déduire l'efficacité absolue du 30 photomultiplicateur : il suffit de compter le nombre de 20 2907218 5 photoélectrons qui ont déclenché un discriminateur (10' électrons, correspondant à un pulse de 10 ns de large à mi-hauteur et de 8 mV d'amplitude sous 50 ohms. 5 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 oeuvre est très délicate pour deux raisons : io 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 15 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. 25 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. 30 Une première solution est décrite dans l'article de S.D. Biller et al. i0 2907218 6 ( 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. 5 Cette méthode est illustrée en figure 2. On focalise un faisceau de lumière monochromatique 10 dans une sphère intégrante 11, 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 15 10, de la sphère 11 et de la photodiode 12 est assimilé à une source de lumière calibrée contrôlée temporellement en intensité. La sphère 11 présente une ouverture 13 de sortie pour un flux de lumière correspondant à la source de lumière calibré provenant de 20 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 11 et le photomultiplicateur 16 pour contrôler la 25 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 30 photoélectron unique (pour obtenir un gain de 10' électrons en 2907218 7 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 5 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 ~o 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 is 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 20 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 oeuvre de la méthode, ce qui n'est pas réalisé. 25 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 oeuvre une série de filtres et une lentille en amont du photomultiplicateur, pour 30 focaliser sur la photocathode du photomultiplicateur une lumière 2907218 calibrée. Comme l'indique le document, cette méthode permet d'obtenir des résultats semblables à ceux connus, c'est-à-dire une précision sur 5 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. io 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 : 15 - 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. 20 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 25 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 8 2907218 9 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 5 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, io - réglage de l'intensité lumineuse du faisceau de lumière incident de sorte à obtenir un signal électrique pulsé de hauteur constante en sortie de l'appareil optique, - mesure de la fréquence dudit signal électrique pulsé, - mesure d'une seconde intensité de la lumière dans ladite première is 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 20 mesure de ladite intensité dans ladite seconde sphère par ladite seconde photodiode, et à partir dudit signal électrique pulsé mesuré en sortie de l'appareil optique. Le problème étant de ne pouvoir utiliser de source de lumière 25 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 3o l'appareil optique de 107, la lumière envoyée dans le dispositif 2907218 i0 devra être augmentée d'environ 106 entre les deux phases de la comparaison. Connaissant au moyen de la seconde mesure (photodiode en sortie 5 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 io 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. 15 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 oeuvre dans l'art antérieur. 20 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. 25 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-' recherché qui permet de détecter des photons uniques. 30 2907218 Il On considère que l'on détecte un photoélectron unique quand on détecte 1 photoélectron au moins pour 50 pulses émis : le pulse en sortie d'appareil optique pourrait être la somme de 2 ou plus photoélectrons simultanés. Le discriminateur se déclenchant 5 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 io optique est pulsé dans les conditions précédentes, on considère que le flux pulsé arrivant sur les moyens photoélectriques comporte soit un photon soit zéro photon Au lieu d'une sphère, ce sont deux sphères qui, accolées, 15 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 (10' et 0.5). 20 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. 25 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 30 étant choisi en fonction de a) la quantité de lumière que l'on souhaite laisser entrer dans 2907218 12 les moyens photoélectriques, b) la surface des moyens photoélectriques que l'on souhaite illuminer. 5 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. i0 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 15 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 20 calibration absolue de 1,5% à un sigma. Une précision à 1 sigma (a) 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). 25 Dans le cadre de mise en oeuvre 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 30 l'origine de génération d'électrons par les moyens photoélectriques 2907218 13 sans que ces derniers ne soient percutés par un photon. On augmente ainsi la précision des mesures réalisées. 5 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 lo l'efficacité absolue d'un appareil optique, ladite méthode mettant en oeuvre les étapes suivantes : détermination de l'efficacité absolue d'un appareil optique en une zone choisie des moyens photoélectriques présentant une 15 surface déterminée, par la mise en oeuvre 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, 20 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. 25 Ainsi réalisée, l'invention permet de déterminer l'efficacité absolue d'un appareil optique de manière plus précise que les méthodes mises en oeuvre dans l'art antérieur puisqu'elle prend également en compte les éventuelles variations d'efficacité sur la surface des moyens photoélectriques. 30 2907218 14 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 5 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 10' 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 2907218 15 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. 5 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 10 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. 15 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 20 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 25 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. 30 L'invention concerne également un dispositif permettant la mise en 2907218 16 oeuvre 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, 5 - 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 : 10 - 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 15 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. 20 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 25 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 oeuvre de la méthode selon l'invention. 3o II devra être entendu que les variantes de réalisations de 2907218 17 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 5 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 io 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 is mis en oeuvre 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 20 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 25 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. 30 2907218 18 Dans le cadre du présent exemple, on ne décrira qu'une application de l'invention à des photomultiplicateurs du type XP2020 de Photonis. 5 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 io 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. 20 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 25 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 . 15 2907218 19 On réalise alors une cartographie d'une photocathode 2 d'un photomultiplicateur à tester qui est représenté notamment en figure 1. s 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. Io 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 is 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 20 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 m. 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 25 2907218 20 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 5 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. lo 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. 15 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 (modedu photoélectron unique). Puis on laisse le 20 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 25 mouvement XY en allant d'une extrémité à l'autre de deux diamètres perpendiculaires ; 3). On réalise la carte à ce gain. 2907218 21 II faut décider de la distance entre deux mesures voisines, qu'on appellera le pas de la mesure. Celuici 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) : 5 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. 10 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. 15 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 p-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 20 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 30 la photocathode avec une précision suffisante. 25 25 2907218 22 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 5 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 lo 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 : 15 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 20 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. 2907218 23 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" évènements et le spectre ne contient que le pic "1 photoélectron" 38. io Comme le niveau de lumière a beaucoup baissé, ainsi que la fréquence d'émission (10 kHz), une coïncidence temporelle sélectionne les évènements "1 photoélectron". Il y a coïncidence quand le photomultiplicateur a produit un pulse 15 qui a déclenché un discriminateur pendant que la LED 20 est allumée. On se normalise par rapport à la photodiode 23. 20 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 pulse ne change pas. 25 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). 5 30 2907218 24 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 5 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. l0 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 15 photocathode. Il sera fait référence aux figures 3 et 4. L'efficacité du photomultiplicateur en une zone de la photocathode 20 relativement à une autre zone est maintenant connue avec précision ( 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 2907218 31 diaphragme de 1.25 mm (figure 4). Deux précautions essentielles doivent être prises avant d'entamer les mesures : 5 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 10 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. 15 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. 20 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 25 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. 30 La lumière requise est moindre pour la mesure proprement dite : la 2907218 32 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 5 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 pulsée à la fréquence de 100 kHz. to 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 15 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. 25 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. 20 Des microdécharges se produisent alors entre la photocathode et la 2907218 33 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 5 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 io 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 15 coups/seconde. Débarrassées de ce bruit de fond anormal, les mesures sont stables. 20 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 25 nombre de coïncidences temporelles entre les pulses 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. 10 15 2907218 34 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. 5 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: Nc RhcaUDT s ,où At ÂIUDT 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 est la longueur d'onde 20 auDT 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 25 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%. 2907218 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 5 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 io efficacités des deux photomultiplicateurs. Avec 1.7%, on les différencie. REVENDICATIONS 1 û 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, io - 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, 15 - 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 20 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 25 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, 2907218 37 - réglage de l'intensité lumineuse du faisceau de lumière incident de sorte à obtenir un signal électrique pulsé de hauteur constante en sortie de l'appareil optique, - mesure de la fréquence dudit signal électrique pulsé, 5 - 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 io 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 pulsé mesuré en sortie de l'appareil optique. 15 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 20 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 25 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. 2907218 38 5 û 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 û Méthode selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les photodiodes présentent une précision de calibration absolue de 1,5 %. io 7 û 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 15 optique, ladite méthode mettant en oeuvre 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 oeuvre de la méthode 20 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 25 partir de l'efficacité relative des moyens photoélectriques et de l'efficacité absolue de l'appareil optique en une zone des moyens photoélectriques. 5 2907218 39 9 û Méthode selon la revendication 8, caractérisée en ce que l'étape de réalisation de la cartographie comprend des étapes consistant à : 5 - 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 io 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 15 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 20 l'appareil mobile. û 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 25 moyens photoélectriques. 11 û 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. 30 2907218 40 12 û Méthode selon l'une quelconque des revendication 9 à 11, 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 û 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 û 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 20 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 25 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. 5 i0 30