Le premier paramètre testé est la sensibilité lumineuse de photocathode (Sk), où le courant de photocathode est mesuré pour un flux de lumière donné. La source de lumière est une lampe à filament de tungstène chauffé à une température de 2856 K. Le flux de sortie de cette source de lumière est calibré à 1 lumen. Deux types de mesures ont été réalisés, une de sensibilité « CB » en lumière bleue en utilisant un filtre spécial « Corning Blue » (Corning CS 5-58 ramené à l’épaisseur moitiée de l’épaisseur nominale) et une sans filtre (lumière « blanche »).
La Société Photonis a testé environ 800 PM de type XP1805 standards issus de la production 2004-2005 pour l’Observatoire Pierre Auger. La sensibilité moyenne de photocathode pour cet échantillon a été mesurée 9,32 µA/lmF en utilisant le filtre CB et de 68,37 µA/lm en lumière blanche (Figure A-69).
0 5 10 15 20 25 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150
White photocathode sensitivity (uA/lm)
oc cu re n ce standard tubes improved process 0 5 10 15 20 25 30 7,5 8 8,5 9 9,5 10 10,5 11 11,5 12 12,5
Corning Blue photocathode sensitivity (uA/lmF)
o ccu rr en ce standard tubes improved process
Figure A-69 : Sensibilité de photocathode mesurée avec une lumière blanche (gauche) et une lumière bleue (droite) pour environ 800 PM standards (noir) et pour 25 PM avec le nouveau procédé (blanc). Mesures Photonis.
Un échantillon de 25 PM avec la nouvelle photocathode a été mesuré (Figure A-69). Les résultats pour les PM améliorés sont de 11,35 µA/lmF et de 118,00 µA/lm respectivement en lumière bleue et blanche. En comparant les résultats entre les PM standards et améliorés, il y a une augmentation moyenne d’environ 19 % en lumière bleue et d’environ 42 % dans le blanc. Pour expliquer la différence importante entre le pourcentage d’amélioration en lumière bleue et blanche, des mesures de réponse spectrale ont été réalisées sur un échantillon de PM standards et améliorés (Figure A-70). Les PM ont été choisis pour avoir des caractéristiques de photocathode nominales, à savoir ~9,6 µA/lmF pour les PM standards et ~11,8 µA/lmF pour les PM améliorés (caractéristiques en lumière bleue).
Figure A-70 : Réponse spectrale pour un échantillon de 3 PM standards (carrés) et de 3 PM améliorés (triangles). Mesures Photonis.
La comparaison des réponses spectrales entre les PM standards et améliorés montre une augmentation de l’efficacité quantique pour toute les longueurs d’onde. A 400 nm (lumière bleue), l’amélioration de l’efficacité quantique (QE) est d’environ 19 %. Elle passe de 26 % pour les PM standards à 32 % pour ceux avec le nouveau procédé de photocathode. A 650 nm (lumière rouge), l’augmentation de QE est d’environ 75 %.
Pour confirmer ces résultats obtenus en courant continu (DC), des mesures comparatives d’efficacité relative de détection (ERD) ont été réalisées sur un échantillon de PM standards et améliorés sur le banc de test décrit dans la partie A-3.2 . Les mesures ont été faites avec un diaphragme de 100 mm de diamètre placé devant la photocathode pour réduire les éventuelles différences d’uniformité de photocathode. L’ERD est déterminée en comparant pour chaque PM, le rapport entre le nombre d’événements détectés par le PM testé et celui pour le PM de déclenchement (formule suivante). L’acquisition est déclenchée par les signaux du PM de la source de lumière. Les spectres en charge de chaque PM à tester et du PM de déclenchement sont ensuite enregistrés.
) 46 arg ( ) arg ( ) ( pe e Ch N seuil e Ch N seuil Rapport ent déclenchem PMàtester > > =
Figure A-71 : Histogramme typique en charge du PM à mesurer. Le piédestal n'a pas été soustrait (255 canaux ADC). Les seuils sont déterminés informatiquement après avoir mesuré le pic de 1 photoélectron (44 ADC).
Chaque histogramme en charge (Figure A-71) contenant environ 1 million d’entrées est analysé a posteriori. L’analyse consiste à trouver la position du pic correspondant à 1 photoélectron (ajustement d’une gaussienne), à appliquer un seuil informatique à partir de cette valeur et enfin à compter le nombre d’événements au dessus de ce seuil. L’utilisation d’un seuil informatique permet d’avoir une coupure en charge très précise et reproductive contrairement à un discriminateur à seuil classique. L’analyse est faite avec plusieurs seuils, de 0.1 à 0.7 photoélectron, pour être le plus indépendant possible de la forme de la réponse en électron unique. Les rapports entre le nombre d’événements détectés par tous les PM à tester et celui pour le PM de trigger sont calculés pour chaque seuil. Le nombre d’événements fortuits est mesuré pour chaque PM avec le même protocole en occultant la source de lumière pour s’affranchir des différences de courant d’obscurité entre les PM testés. Cette contribution est ensuite soustraite. Chaque valeur de rapport entre le taux de comptage des PM à mesurer et celui du PM de trigger est normalisée par la valeur exacte du gain du PM à mesurer (~3 106).
Le graphe suivant (Figure A-72) montre l’évolution du rapport de taux de comptage en fonction du seuil pour 3 PM standards et 3 PM améliorés.
Figure A-72 : Rapport entre les nombres d’événements détectés par le PM à mesurer et celui du PM de trigger en % en fonction du seuil pour 3 PM standards (carrés) et 3 améliorés (triangles).
Le premier commentaire est que les évolutions du rapport entre le nombre d’événements détectés par le PM à tester et par le PM de trigger en fonction du seuil de détection sont des droites avec quasiment la même pente pour tous les PM testés. Par conséquent, la mesure de l’ERD entre deux PM, n’est pas affectée par la forme de la réponse en électron unique. L’amélioration moyenne de l’ERD est d’environ 16 % entre les PM standards et les PM améliorés. La dispersion des mesures entre les PM standards et entre les PM améliorés peut être due à des non homogénéités de photocathode ou de collection. Comme seul le type de photocathode sépare les deux familles de PM, on peut supposer que l’efficacité de collection est identique et que l’augmentation de l’ERD peut être attribuée totalement à l’amélioration de l’efficacité quantique. Dans nos mesures, la lumière émise par le scintillateur a une longueur d’onde centrée sur 370 nm [a-57] et les résultats peuvent être comparés à ceux obtenus en courant continu à 370 nm (extrapolation sur les courbes de la Figure A-70). Les réponses donnent des résultats en très bon accord avec 18 % d’augmentation entre les 2 familles de PM.
Des mesures d’uniformité de photocathode ont été réalisées sur un échantillon de PM améliorés. Pour mesurer l’uniformité, la photocathode est balayée par un faisceau lumineux. La source de lumière est la même que celle utilisée pour les mesures de sensibilité avec un filtre à 424 nm. A chaque position, le courant de photocathode est enregistré. La courbe d’uniformité consiste à tracer le courant de photocathode en fonction de la position du faisceau lumineux. Généralement, la mesure d’uniformité se fait sur deux diamètres perpendiculaires (dont un est parallèle à l’axe du multiplicateur). Les résultats de ces mesures montrent que ce nouveau procédé conserve une bonne uniformité de photocathode.