A.3 Détection 3D d’atomes uniques
A.3.4 Détectivité
A l’aide de nos mesures de fluctuations détaillées au paragraphe2.4, nous avons pu obtenir une borne inférieure de l’efficacité quantique de notre détecteur que l’on avait alors estimée à 12%. Ceci semble coïncider avec les mesures faites à Amsterdam où ce détecteur avait été le maillon essentiel pour démontrer l’effet HBT avec des fermions (§ 1.2.1). Historiquement sur ce montage expérimental, deux systèmes de détection ont été mis en place : l’un est une galette avec une anode (sans reconstruction à trois dimensions) et l’autre est un système optique. En se basant sur une estimation optique du nombre d’atomes, une calibration de l’efficacité de leur galette à micro-canaux a pu être faite. De fil en aiguille, l’efficacité quantique de notre détecteur a pu être également estimée à 11% par comparaison avec leur MCP. Cette mesure a néanmoins été réalisée avec une ancienne génération de galettes à micro-canaux qui avait des caractéristiques légèrement différente et nous pouvons donc nous attendre à une efficacité différente de quelques pourcents.
Mesure de Tc Une autre mesure indépendante a été effectuée en observant l’apparition d’une partie condensée lors du refroidissement évaporatif : le nuage atomique est chargé dans le piège optique et nous arrêtons la rampe d’évaporation à différents temps. La tem- pérature du seuil de condensation est alors donnée par la densité du nuage thermique :
nλ3T(Tc) =ζ 3 2 (A.2)
A.3 Détection 3D d’atomes uniques 153 où λT(T0) =h/
√
2πmkBT0est la longueur d’onde thermique de de Broglie. En mesurant
la température du nuage et le nombre d’atomes détectés, nous avons accès à la détectivité de notre système de détection. La valeur trouvée de η = 13% est cohérente avec les précédentes.
Grille En définitive, il est apparu que cette faible détectivité rendait les résultats bruts (c’est-à-dire avant corrections) de réduction de fluctuations moins attractifs et les pers- pectives d’expériences plus poussées plus incertaines. Une part de cette valeur tient du fait que la surface ouverte (le rapport de la surface des canaux sur la surface totale des MCPs) n’est que de 60%. Ainsi 40% des atomes d’hélium métastable ne tombent pas dans un canal et ne déclenchent pas d’avalanche. Une proposition a retenu notre atten- tion [Deconihout 2002] : un champ électrique pourrait courber la trajectoire des électrons extraits par ces atomes et les ramener dans un canal proche. Un champ électrique suffi- samment fort pour faire cela peut être créé à partir d’une grille métallique en lui appli- quant un potentielcraisonnable (quelques centaines de volt).
Detector characteristics
161
This estimation has been done on the “Burle1” detector and is a measurement of the
global detection efficiency. It is important to note that this measurement only gives
an order of magnitude. In fact we know that the MCP detection efficiency decreases
with time. Therefore it is possible that the detection efficiency of the Amsterdam MCP
at the moment of the comparison with ours wasn’t the same as the one measured few
years before with the camera. In addition, the fact that mechanical stress makes the
gain map change, can affect a global measurement of the detection efficiency. A more
reliable measurement would have been the direct calibration of our MCP with their
imaging system. Unfortunately, when we started our collaboration, they had to remove
the imaging system in order to install our detector.
The implementation of an absorption imaging system on the Palaiseau setup is
planned. It would provide a second diagnostic tool and it would allow us to calibrate
the MCP gain and eventually to monitor changes as a function of time.
A way to improve the detection efficiency
In section 5.1.2 we pointed out that the higher the detection efficiency, the easier the
measurement of the number difference squeezing is. Therefore we decided to try to
increase the detection efficiency by installing a grid above the MCP. Good results
obtained with this method have been reported with ions in [137] and have also been
observed with metastable Neon atoms in the group of G. Birkl (private communication).
The idea is illustrated in figure A.11. Since the open area ratio (i.e. the ratio between
e-
Grid MCP Vgrid Vfront Vbacke-
e-
channelFigure A.11: Scheme used to increase the detection efficiency of the MCP. A grid is installed in front of the MCP. The voltage applied to the grid is negative with respect to the voltage applied on the front face of the MCP (Vgrid < Vf ront < Vback). A particle falling in a region between two channels
can extract an electron from the surface of the MCP. The electron is pushed inside the closest channel by the electric field create between the grid and the front face of the MCP and eventually start an avalanche process. In this way the particle is detected.
the surface covered with channels and the total MCP surface) is only 60%, one can ask
what happens to the atoms that instead of hitting the channel wall, hit a zone between
two channels. An electron can be extracted, as a result of the collision, but, since it is
not amplified, the atom cannot be detected. In order to amplify these electrons one can
create an electric field above the MCP to push the electrons inside the closest channel.
They will have a non zero probability to start an electron avalanche inside the channel
and therefore there is a non zero probability for the particle to be detected. Such an
electric field can be generated by putting a grid above the front face of the MCP. The
grid must be negatively charged with respect to the front face of the MCP in order to
tel-00441654, version 1 - 16 Dec 2009
Grille
MCP
canal
V
grilleV
hautV
bas mardi 26 octobre 2010Figure A.8 Schéma de principe du fonctionnement de la grille. Les électrons arrachés sur la face avant de la galette sont attirés dans le canal le plus proche à l’aide d’un potentiel électrique. Pour des distances de quelques millimètres, les potentiels élec- triques nécessaires sont tout à fait dans la gamme accessible avec des alimentations standards.
En pratique, nous avons positionné cette grille métallique à une distance de 5−8 mm. L’écart entre les fils et leur épaisseur valaient respectivement 200 µm et 4 µm ce qui donne une transmission de 85%. Le gain qu’offre ce système peut être testé en mesurant le nombre d’atomes piégés par un MOT en fonction de la tension de la grille Vgrille−Vhaut
(Fig.A.9). Nous faisons cela pour deux potentiels appliqués à la face arrièreddes galettes de 1.6 kV (bleu) et 1.9 kV (rouge) qui correspondent à deux régimes différents. A 1.6 kV, le MCP travaillent encore dans un régime à faible amplification. Il entre, par contre, dans un régime saturé à 1.9 kV pour lequel les impulsions électriques sur les lignes à retard ont pratiquement toutes la même amplitude. Ce dernier régime est véritablement celui dans lequel nous plaçons lors de nos prises de données car la galette opère alors dans un mode de comptage.
La figureA.9présente les résultats qui s’avèrent finalement très décevants. Le point de fonctionnement qui nous intéresse est indiqué par les points rouges pour une tension de grille négative. Ces derniers montrent une légère augmentation du nombre d’atomes de 5% qui ne contrebalance pas la transmission de 85%. Par ailleurs, nous nous attendions trouver un maximum d’efficacité entre une zone à faible tension où les électrons sont à peine déviés et une zone à forte tension où ils rebondissent sur place. Or on remarque ici
c. L’effet désiré est obtenu pour un potentiel Vgrilleinférieur au potentiel Vhaut.
154 Annexe A - Montage expérimental 1.7 1.6 1.5 1.4 1.3 1.2 1.1 1.0 0.9 0.8 0.7 N om bre d' at om es dé te ct és (u. a .) -500 -400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 500
Tension appliquée à la grille (V)
Figure A.9 Comportement de la détectivité avec la grille. Les valeurs de nombre d’atomes sont normalisés au nombre d’atomes pour une tension entre la grille et la face avant des galettes nulle. Nous avons tracé l’efficacité du fonctionnement de la grille pour deux valeurs de tension du MCP différentes. Pour un fonctionnement en mode comptage, nous ne voyons pas l’augmentation attendue nombre d’atomes.
un plateau. D’un autre côté, si l’on regarde les points pour une tension sur les galettes de 1.6 kV, nous voyons que plus la différence de potentiels augmente (toujours pour un potentiel sur la grille négatif), plus on détecte d’atomes. Ceci se comprend qualitative- ment en supposant que le champ électrique à l’intérieur des canaux est la somme des champs électriques créés par les tensions appliquées à la grille et au MCP. Augmenter la tension sur la grille revient au même qu’augmenter la tension des galettes. Comme le gain est très non linéaire avec la tension appliquée au MCP (une petite variation de la tension à 1.6 kV a énormément plus d’effet sur le nombre d’atomes détectés qu’à 1.9 kV), l’argument ci-dessus semble donner une explication du comportement reporté pour une tension négative.
Lorsque l’on regarde la partie où la tension de la grille est positive, les résultats ne nous apparaissent pas non plus décrire ce que l’on s’attendait à avoir. La chute du nombre d’atomes pourrait s’expliquer par le fait qu’une partie des premiers électrons extraits à l’entrée des canaux sont attirés par la grille et ne déclenchent pas d’avalanche. Mais cet effet devrait alors être de plus en plus important au fur et à mesure que l’on augmente la tension de la grille ce qui ne semble pas être le cas. Finalement, nous en concluons que le dispositif mis en place ne réalise pas ce que l’on aurait aimé. Pire encore, lors de ces mesures, nous avons malheureusement mis une tension trop élevée sur la grille et un arc électrique a déposé un film métallique sur le passage au vide sous le détecteur. Les quatre bouts des lignes à retard se sont ainsi retrouvés connectés entre eux ce qui a résulté d’un bruit gigantesque noyant totalement nos signaux atomiques. Ce problème n’a pu être résolu qu’en remplaçant le passage électrique.
A.3 Détection 3D d’atomes uniques 155