Caract´eristiques exp´erimentales du d´etecteur

Dans tout ce paragraphe, nous nous concentrons sur l’´etude du comportement du d´etec-teur dans une configuration exp´erimentale donn´ee. Les galettes sont soumises `a une tension de -2.3 kV<sup>18</sup> et les diff´erents r´eglages ´electroniques sont d´etaill´es dans le manuscrit de th`ese de M. Schellekens [46].

Efficacit´e de d´etection La mesure de l’efficacit´e du syst`eme de d´etection repr´esente un v´eritable d´efi dans la mesure o`u sa connaissance peut aider grandement `a la compr´ehension de bon nombres d’observations exp´erimentales. Tel que le d´etecteur a ´et´e install´e, nous ne pouvons a priori connaˆıtre cette valeur, qui d´epend d’un nombre trop important de param`etres exp´erimentaux tous tr`es difficiles `a mesurer avec pr´ecision : efficacit´e de l’amplification g´en´er´ee par les MCP, efficacit´e ´electronique de comptage des impulsions, efficacit´e de l’algorithme de reconstruction des atomes... Pour l’heure, la seule mesure exp´erimentale de l’efficacit´e de d´etection de notre syst`eme a ´et´e r´ealis´ee dans le cadre d’une collaboration avec le groupe de W. Vassen `a Amsterdam. Cette ´equipe poss`ede deux syst`emes de d´etection ind´ependants.

L’un est bas´e sur un syst`eme d’imagerie par absorption. On peut relativement ais´ement au moyen de cette technique, connaˆıtre avec une bonne pr´ecision absolue le nombre d’atomes d’un gaz froid dilu´e. En comparant cette mesure `a la d´etection du mˆeme gaz froid au moyen d’un MCP, ils ont ainsi pu calibrer l’efficacit´e de d´etection de leur MCP. Dans le cadre de notre collaboration [26], nous avons ´et´e amen´e `a installer notre syst`eme de d´etection sur leur montage exp´erimental, et nous avons pu r´ealiser `a notre tour la d´etection d’un mˆeme gaz froid au moyen de notre syst`eme puis du leur. Suite `a cette ´etude comparative, nous avons estim´e que l’efficacit´e moyenne de notre syst`eme de d´etection est de l’ordre de 11.3%¹⁹. Cette valeur a permis de donner un bon ordre de grandeur de l’efficacit´e de d´etection de notre syst`eme mais ne correspond qu’`a une configuration donn´ee de ce dernier. Il conviendrait d’´etudier un peu plus en profondeur son comportement et ses variations en fonction des diff´erents param`etres que nous avons `a notre disposition. Cette remarque est d’autant plus motiv´ee par le fait que le mat´eriel utilis´e pour notre d´etecteur a ´evolu´e sensiblement depuis sa premi`ere version et que nous savons que cette d´etectivit´e a tendance `a diminuer avec l’ˆage des MCP. L’installation prochaine d’un syst`eme d’imagerie comparable `a celui de l’´equipe de W. Vassen devrait aider

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a surmonter cette limitation.

Homog´en´eit´e de d´etection Pour mesurer l’efficacit´e de d´etection locale du d´etecteur, on a relach´e sur le d´etecteur, un flux homog`ene d’atomes d’h´elium m´etastables issu d’un PMO²⁰.

18Cette valeur correspond `a la tension maximale que l’on peut appliquer aux galettesBurle. Pour les galettes Hamamatsu, cette valeur est de -2.1 kV.

19Cette valeur correspond aux galettes Burle. Nous n’avons pas pu pour l’instant r´ealiser le mˆeme type d’exp´erience avec la paire de galetteHammamatsu.

20La temp´erature du nuage atomique (∼300µK) est suffisament grande pour que l’on puisse consid´erer le flux d’atomes comme homog`ene au niveau du d´etecteur.

La comparaison du nombre d’atomes d´etect´es²¹dans les diff´erentes zones des galettes permet de tracer une carte de d´etectivit´e pour cette derni`ere. La figure 2.12 pr´esente le r´esultat de deux mesures diff´erentes de cette carte en utilisant respectivement les galettes Burle et les galettesHamamatsu. Dans les deux situations, le TDC utilis´e correspond au CTNM4. Cette m´ethode de mesure de la d´etectivit´e locale tient compte `a la fois des caract´eristiques des galettes mais aussi de la qualit´e de l’´electronique de comptage des impulsions ainsi que de l’algorithme de reconstruction des positions des atomes.

Fig.2.12 –Carte de d´etectivit´e pour deux types de galette de micro-canaux. 200 PMO ont ´et´e relach´es sur le d´etecteur. On a ensuite somm´e pour chaque pixel spatial, le nombre d’atomes d´etect´es pour chacun des PMOs (chaque PMO correspond `a environ 50000 atomes d´etect´es sur la surface du d´etecteur. Les tailles des PMO sont quasiment constantes. Les fluctuations du nombre total d’atomes d´etect´es sont de l’ordre de 5%.). Cette somme est ensuite divis´ee par le nombre moyen d’atomes d´etect´es par pixel (de l’ordre de 100 en moyenne) : on obtient ainsiη_xy. Cette normalisation permet de comparer les deux cartes obtenues pour deux galettes diff´erentes. Le couple(x_d, y_d) correspond aux coordonn´ees d’un pixel du d´etecteur. Un pixel a une surface d’environ200×200µm². (a) Galettes Burle. L’amplitude moyenne des variations de la d´etectivit´e est de l’ordre de 30% de la d´etectivit´e moyenne. (b) Galettes Hamamatsu.

L’amplitude moyenne des variations de la d´etectivit´e est de l’ordre de 30% de la d´etectivit´e moyenne. Ces galettes ont l’avantage de ne pas pr´esenter de zones de d´etectivit´e quasi-nulle.

Tout d’abord, on peut remarquer sur la figure 2.12, que la d´etectivit´e n’est pas homog`ene sur l’ensemble du d´etecteur. Ceci s’applique pour les deux types de galette. L’effet est plus prononc´e sur la versionBurleo`u l’on peut mˆeme remarquer une zone de d´etectivit´e quasiment nulle au centre de la galette. Les inhomog´en´eit´es peuvent donc ˆetre tr`es grandes d’une zone `a l’autre (de l’ordre de 30% en moyenne.). On a pu mettre en ´evidence une des origines des ces inhomog´en´eit´es : les contraintes m´ecaniques appliqu´es sur les galettes peuvent consid´erable-ment influer sur la d´etectivit´e relative d’une zone `a l’autre. En changeant ces contraintes, nous avons pu constater des diff´erences notables dans les cartes de d´etectivit´e obtenus. Il semble aussi que certains d´efauts des galettes peuvent ˆetre responsables d’une partie de ces

inhomo-21Un atome d´etect´e est en fait ici assimil´e `a un atome dont la postion a ´et´e reconstruite grˆace `a l’algorithme d´ecrit pr´ec´edemment.

2.3 Un syst`eme de d´etection original 55

g´en´eit´es : les vendeurs Burle etHamamatsu proposent ainsi plusieurs qualit´es diff´erentes de galette, relatives `a leur homog´en´eit´e de d´etection. Les galettes que nous avons utilis´ees ont la qualit´e la plus basse disponible. On peut ´eventuellement s’attendre `a ce qu’une partie de ces probl`emes s’att´enuent en utilisant une meilleure qualit´e de galette.

Sur les galettes Burle on a aussi pu mettre en ´evidence un certain nombre de points chauds: Certaines zones de cette galette, pour une raison difficilement identifiable, g´en`erent un nombre ´elev´e d’avalanches spontan´ees. Ces zones sont g´en´eralement situ´ees sur les bords de la galette et nous pouvons une nouvelle fois avancer des arguments m´ecaniques pour en expliquer l’origine : ces points chauds ont d’ailleurs tendance `a ne pas toujours se trouver `a la mˆeme place si l’on change les contraintes m´ecaniques appliqu´ees sur la galette. En partie `a cause de cela, le taux d’avalanches spontan´ees d´etect´ees sur la galetteBurleest bien plus ´elev´e que les sp´ecifications avanc´ees par le constructeur. Le probl`eme est compl`etement absent sur le mod`eleHamamatsu, ce qui facilite quelque peu le travail, dans la mesure o`u pour les galettes Burle ces zones instables ont dˆu ˆetre syst´ematiquement exclues a posteriori des donn´ees enregistr´ees. Notons que la reconstruction des atomes n’´etait que de l’ordre de 60% avec le MCP Burle alors qu’elle est de l’ordre de 90% avec la galette Hamamatsu. Cette diff´erence peut s’expliquer justement par l’absence de points chauds sur le d´etecteur et donc a priori d’un bruit de fond beaucoup moins important.

Enfin, en observant attentivement les deux images, on peut apercevoir un certain nombre de stries verticales et horizontales. Pour expliquer ces stries, on peut avancer une limitation induite par l’´electronique de comptage. Le TDC comporte en effet une horloge de fr´equence fixe que l’on utilise pour mesurer les temps d’arriv´ee des impulsions. Pour diminuer un peu plus la taille des pixels temporels et augmenter la sensibitlit´e du dispositif, on subdivise de fa¸con ´electronique, chaque p´eriode de l’horloge en un nombre donn´e de sous-p´eriode (4 pour le CTNM4 par exemple). Or cette subdivision peut ne pas ˆetre parfaite. La probabilit´e qu’une impulsion soit d´etect´ee dans l’une ou l’autre des subdivisions n’est alors plus forc´ement ´egale.

Cet effet appel´e non-lin´earit´e diff´erentielle pourrait ´eventuellement expliquer ces stries [46].

Le fait que l’on retrouve ces stries sur les deux types de galettes confirment le fait que leur origine est ind´ependante des galettes.

R´esolution spatiale et temporelle du d´etecteur Les r´esolutions spatiales et tempo-relles du d´etecteur, ne doivent pas ˆetre confondues avec les tailles des pixels spatiaux et temporels. Les imperfections du syst`eme ´electronique peuvent en effet entraˆıner une incer-titude sur la mesure des temps d’arriv´ee des impulsions d´etect´es sur les diff´erentes lignes `a retard. La r´esolution du d´etecteur correspond `a la mesure de cette incertitude qui s’av`ere en pratique toujours plus grande que la taille d’un pixel. Parler de r´esolution spatiale ou r´esolution temporelle d´esigne en fait une seule et mˆeme chose dans la mesure o`u le syst`eme utilis´e ne mesure que des temps, que l’on peut ensuite traduire en terme de positions comme pr´ec´edemment mentionn´e.

Traditionnellement, pour connaˆıtre la r´esolution d’un d´etecteur, on fait l’image d’un objet donn´e de taille connue sur le d´etecteur et on mesure l’incertitude sur les tailles de l’objet sur l’image obtenue. Cette m´ethode s’av`ere concluante tant que la r´esolution est relativement homog`ene sur la surface du d´etecteur. La figure 2.13 montre l’image d’une croix que nous avons obtenu en installant sous vide au dessus des MCP, une plaque m´etallique perc´ee d’une

croix. La largeur de la croix est de 2 mm. Un flux homog`ene d’atomes relach´e sur la croix nous a permis de r´ealiser l’image de celle-ci sur notre d´etecteur. Afin de s’affranchir des inhomog´en´eit´es locales de la d´etectivit´e, l’image a ´et´e normalis´ee au moyen d’une carte de la d´etectectivit´e pr´ealablement obtenue dans les mˆemes conditions exp´erimentales mais sans la croix. Cette ´etude nous a permis de mettre en ´evidence des inhomog´en´eit´es locales de la r´esolution spatiale du d´etecteur. On peut en effet remarquer sur la figure 2.13 que la largeur des deux axes de la croix n’est pas constante sur toute la longueur des axes. D’autre part, malgr´e la normalisation effectu´ee, des inhomog´en´eit´es de la d´etectivit´e sont toujours apparentes, semblant indiquer que le fait de placer une croix au dessus du d´etecteur perturbe l’efficacit´e du processus de d´etection. Cette derni`ere observation reste pour l’heure assez mal comprise. Cette m´ethode s’av`ere donc pour l’instant relativement inefficace pour mesurer la r´esolution du d´etecteur.

Fig.2.13 –Image d’une croix, perc´ee `a l’int´erieur d’une plaque m´etallique. L’image obtenue a

´et´e normalis´ee de mani`ere `a s’affranchir des inhomog´en´eit´es spatiales de d´etection. La largeur de la croix sur l’image est inhomog`ene sur la surface du d´etecteur, indiquant des inhomog´e-n´eit´es de la r´esolution spatiale du d´etecteur. Malgr´e la proc´edure de normalisation, l’efficacit´e de d´etection reste inhomog`ene, indiquant une perturbation nette du processus de d´etection due

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a la mise en place de la plaque m´etallique perc´ee. Il n’a pas ´et´e possible d’exploiter cette image pour obtenir une mesure de la r´esolution spatiale du d´etecteur.

Une m´ethode alternative consiste `a tracer la distribution des tempsδS<sub>xy</sub> = (t<sub>x1</sub> +t<sub>x2</sub>)− (t<sub>y1</sub>+t<sub>y2</sub>). Si notre mesure des temps est infiniment pr´ecise, on s’attend `a ce que cette dis-tributions soit infiniment piqu´ee autour d’une constante, dans la mesure o`u l’on s’attend th´eoriquement `a ce quet_x1 +t_x2 =l_d^x/v_det t_y1+t_y2 =l^y_d/v_d. Ce n’est malheureusement pas le cas et en pratique la largeur RMS de cette distribution est de l’ordre de 0.6 ns, ce qui cor-respond `a une r´esolution spatiale de l’ordre de 300µm. Cette valeur correspond `a une mesure

2.3 Un syst`eme de d´etection original 57

r´ealis´ee avec le CTNM4 ²² et les galettes Burle. Ce qu’il est int´eressant de regarder mainte-nant, c’est l’allure de cette distribution localement : on se restreint donc `a une zone donn´ee du d´etecteur (de l’ordre de 10×10 pixels spatiaux). On peut alors extraire localement la largeur RMS de cette distribution. Ceci permet d’obtenir une carte de la r´esolution locale du d´etecteur que l’on a trac´e sur la figure 2.14. On peut remarquer sur cette derni`ere de grandes disparit´es locales de la r´esolution. Cette derni`ere peut varier de 150µm RMS `a plus de 400 µm RMS. En comparant cette figure `a la carte de la d´etectivit´e pr´ec´edemment pr´esent´ee (Fig.

2.12 (a)), on peut remarquer que les zones de bas gain ont tendance `a avoir une r´esolution plus faible. Ceci peut ˆetre reli´e `a la forme de la distribution des hauteurs des impulsions que nous avons discut´e pr´ec´edemment. Quand le gain de la galette n’est pas satur´e, la hauteur des impulsions fluctue sur une gamme relativement large et ceci peut entraˆıner un perte de pr´ecision dans la mesure des temps d’arriv´ee des impulsions sur les lignes `a retard. Ceci a pour cons´equence d’´elargir la distribition desδS_xy.

Fig. 2.14 – Carte de la r´esolution locale du d´etecteur obtenue en mesurant localement la largeur de la distribution des tempsδS_xy (Ces valeurs ont ´et´e traduites en terme de distances exprim´ees enµm). On a indiqu´e la forme de cette distribution pour deux zones du d´etecteur.

On peut observer de grandes disparit´es dans la r´esolution locale du d´etecteur. En comparant ce r´esultat `a la figure 2.12(a), on peut remarquer que les zones de faible d´etectivit´e ont une r´esolution plus faible. Ce r´esultat a ´et´e obtenu pour les galettes Burle et le CTNM4.

Quand on moyenne sur tous les pixels spatiaux du MCP les diff´erentes distributionsδS_xy, on obtient une estimation de la valeur moyenne de la r´esolution sur le d´etecteur. La largeur RMS de la distribution obtenue est d’environ 300µm. Cette valeur peut sembler tr`es grande devant la taille des nuages atomiques ´etudi´es. Le fait d’observer ces nuages apr`es de longs

22Les valeurs obtenues avec le TDC de la soci´et´e IsiTech sont en fait du mˆeme ordre de grandeur malgr´e une taille de pixel temporel plus petite (275 ps contre 400 ps). Cela correspond `a l’une des limitations de ce TDC. La raison de cette performance m´ediocre est vraisemblament reli´ee `a des probl`emes de r´eglage de l’´electronique du TDC. Nous n’avons pas pu pour l’instant am´eliorer cette performance.

temps de vol permet de ne pas trop souffrir de cette limitation. Nous reviendrons sur ce point au paragraphe 2.4.

Cette distribution a ´et´e trac´ee de la mˆeme fa¸con pour la nouvelle galette Hamamatsuet l’on a pu voir qu’une meilleure homog´en´eit´e du d´etecteur entraˆınait une meilleure homog´en´eit´e de la r´esolution sur la galette. Sur cette derni`ere la r´esolution varie de 200µm `a 280µm pour une valeur moyenne autour de 220µm. Mentionnons aussi ici, que la mesure de la r´esolution peut ˆetre tr`es affect´ee par un bruit ´electronique. Comme pr´ec´edemment mentionn´e, un champ

´electro-magn´etique r´esiduel peut entraˆıner une modulation des impulsions d´etect´ees sur les lignes `a retard, ce qui a tendance `a ´elargir localement les distributionsδS_xy. Cet effet a pu ˆetre observ´e r´ecemment avec les galettesHamamatsu. Les cellules d’h´elium que nous utilisons pour l’asservissement de nos lasers g´en´erent un champ ´electro-magn´etique de fr´equence 27 MHz dont nous avons pu retrouver la trace sur la carte de la r´esolution de la galette (Fig. 2.15). Cet effet est plus fort avec TDC de la soci´et´e IsiTech. Le fait de placer l’´electronique de comptage

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a l’int´erieur d’une cage de Faraday devrait permettre de limiter sensiblement ces effets.

Fig.2.15 –Carte de la r´esolution locale des galettes Hamamatsu obtenue `a l’aide du TDC de la soci´et´e IsiTech. Les inhomog´en´eit´es locales de la r´esolution peuvent ˆetre attribu´e `a un bruit

´electronique r´esiduel : un champ ´electromagn´etique de fr´equence 27 MHz perturbe la mesure des temps d’arriv´ee des impulsions sur les lignes `a retard. On observe une modulation de la r´esolution locale du d´etecteur. La p´eriode spatiale de cette modulation correspond bien `a la fr´equence de 27 MHz du champ ´electromagn´etique.

Cette ´etude du d´etecteur pose un certain nombre de questions auxquelles nous n’avons pas encore r´eussi `a r´epondre. La possibilit´e d’avoir deux syst`emes de d´etection ind´ependants devraient permettre une meilleure compr´ehension du d´etecteur et d’en comprendre mieux le comportement dans diff´erentes situations. Il n’empˆeche que cette ´etude a permis une premi`ere