ETUDE D'EMPILEMENTS DE PLUS DE DSDX FILMS MINCES :

émergent).

( I I I - 11). ( l e s u b s t r a t nous imposant l'admittance x + iy = n - iK„ de l'onde au point

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I l e s t a i s é de v é r i f i e r q u ' i l r f y a bien aucune absorption d'énergie dans l e film t r a n s p a r e n t .

7) ETUDE D'EMPILEMENTS DE PLUS DE DSDX FILMS MINCES :

Afin d ' o b t e n i r une absorption maximale dans une photocathode mince nous pouvons ê t r e amenés à u t i l i s e r des empilements de plus de deux films minces. Dans ce cas l e s méthodes de c a l c u l desparagraphes 5 e t 6 peuvent ê t r e u t i l i s é e s , c o n j o i n t e m e n t à l a méthode du paragraphe k,pour permettre de déterminer l ' a b s o r p t i o n .

Bien que d ' a u t r e s configurations soient a i s é e s à c a l c u l e r , l a r é a l i s a t i o n d'une photocathode optimale,nous imposera de nous l i m i t e r a des systèmes constitués par un seul film absorbant e t ur. ou plusieurs films t r a n s p a r e n t s .

Toutefois, dans l a p r a t i q u e , pour des raisons technologiques nous u t i l i s e r o n s dans l a majorité des cas des sytèmes c o n s t i t u é s par.au plus,deux films minces.

MESURE DE L'EFFICACITE QUANTIQUE SOUS PRESSION AMBIANTE DE PHOTOCATHODES EN IODURE DE CESIUM.

I)-INTRODUCTION:

L'application des calculs qui précédent a des photocethodes fonctionnant dans le vide ne nous réserve aucune surprise. Toutefois, lorsqu'il s'agit d'utiliser ces mêmes photocathodes dans un gaz à pression ambiante, de nombreux problèmes surgissent. En effet, il faut pouvoir obtenir une bonne émission photo-électrique tout en pré-servant la photocathode d'une quelconque agression chimique. Ce point est particulièrement difficile a résoudre en raison de l'activité chiœique des substances photosensibles. La solution la plus simple est d'utiliser une substance photosensible ayant une relative passi-vité chimique. Notre choix a porté sur l'iodure de césium (CsD.CefQt

substance qui est malheureusement hygrcscopique a déjà été utilisée dans la réalisation de tubes photo-multiplicateurs (P.M.) sensibles à l'ultra-violet lointain U 200 nm) (37"). Les pricipsux problèmes d'utilisation que nous avons rencontrés sont liés a la sensibilité spectrale du Csl qui est très éloignée du spectre visible (et cela en corrélation avec son activité chimique réduite). Toutefcis, il s'agit dans cette première approche.plus de comprendre le phénomène d'émission photo-électronique dans une atmosphère gazeuse que de réa-liser un compteur. Il est certain que la connaissance de ce mécanis-me nous permécanis-mettra, non seulemécanis-ment d'utiliser le Csl de façon optimale, mais surtout de transposer les résultats acquis à d'autres substan-ces. Nous allons présenter successivement:

-la nature de photocathodes étudiées;

-l'appareillage et les méthodes expérimentales-, -les résultats acquis ainsi que leur dicussion.

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I D - L E S PHOTO CATHODES:

Schématiquement nous pouvons considérer qu'il existe deux types de photo cathodes :

-les photo cathodes semi-transparentes où les photo-électrons sont libérés sur la face opposée à celle de pénétration de la lumière;

-les photo cathodes frontales où l'absorption et l'émis-sion se font du même côté.

Ces dernières, en raison de leur relative facilité de réalisation et d'étude, ont particulièrement retenu notre attention. En effet, les photo cathodes frontales représentent le cas physiquement le plus simple. Et,leur technique de réalisation par thermo-évapora-tion sous vide est la moins problématique. Comme nous le verrons par la suite, l'usage de ce type de photocathode se heurte à quel-ques problèmes expérimentaux, mais dans le cadre de notre appareil-lage ceux-ci ont été facilement résolus. Fabriquées par thermo-évaporaticn sous vide sur des plaques de \erre ou de métal, les photo cathodes se sont révélées avoir une grande robustesse méca-nique. Par souci de simplification, les mesures ont été effectuées sous incidence normale.

D - L E S PKOTOCATHODES MASSIQUES:

Afin de pouvoir estimer l'allure de l'efficacité quantique, dans un gaz, d'un dépôt de Csl, nous avons utilisé pour nos pre-miers essais des photocathodes "massiques". C'est à dire des photo-cathodes qui se comportent, vis-à-vis de la lumière incidente,

comme un milieu semi-infini. Ces photocathodes sont réalisées

à J- â l u ê u U n u é p ô t u£ v»Sx u û û t x é p a ï a S ê u r ë 5 t g r a n d e d e V â û t la

longueur de demi-absorption de la lumière. A partir des constantes optiques du Csl (38), nous avons pu déterminer les épaisseurs de dépôts correspondant à des absorptions constantes et cela pour diverses longueurs d'onde. Les résultats obtenus sont représentés par la figure 18 (Ces calculs sont valides, car dans le cas présent les proprités optiques d'un monocristal et d'un dépôt obtenu par thermo-évaporation sous vide diffèrent très peu )- Comme le sug-gère la figure 18, nous utiliserons des épaisseurs de Csl d'au moins 200nm pour réaliser les photocathodes massiques. Ces dépôts seront effectués sur un substrat conducteur. Nous pouvons donc considérer que, pour ces photocathodes , la quasi totalité de la lumière qui pénètre la couche sensible y est absorbée. Par consé-quent, la totalité de l'énergie lumineuse qui n'est pas réfléchie, contribue à la conversion photo-électrique. La figure 19 représente en fonction de la longueur d'onde du rayonnement incident, le taux d'énergie lumineuse absorbée par rapport à l'énergie incidente.

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Figure 18icovrbes d'iso- f i g u r e 19 : coefficient d'absorption absorption du Csl. d'une couche massique.

2)-LES PHOTOCATHQDES INTERFERENTIELLES:

Afin d'augmenter l'efficacité quantique d'une photocathode il est souhaitable d'avoir une épaisseur minimale tout en conser-vant une importante absorption d'énergie lumineuse. En effet, les photo-électrons produits ont une probabilité d'être extraits d'autant plus grande que l'épaisseur du dépôt photosensible est faible. Il est possible de concilier une faible épaisseur et une grande absorption d'énergie en utilisant des photocathodes de type interférentiel . Nous pouvons en effet obtenir avec des couches de quelques nanometres d'épaisseur des absorptions lumineuses, pour certaines fréquences, aussi importantes que celles obtenues avec des couches massiques. Toutefois , en raison même du type de fonc-tionnement de ces photocathodes , nous ne pouvons obtenir une absorp-tion lumineuse convenable que dans une bande d'énergie relative-ment étroite. Mais cette contrainte n'est pas aussi limitative qu'elle parait. En effet la transparence des hublots (quartz) ou des gaz (méthane et éthane) ainsi que le' seuil de sensibilité du corps photosensible (Csl) sont déjà des facteurglimitatifs de la largeur de la bande de sensibilité. Nous avons étudié en détails

(partie A) les possibilités théoriques de l'utilisation des films minces en tant que photocathodes interférentielles.Et, les tra-vaux relatés ici ont pour but l'application de ces calculs. Des considérations relatives au libre parcours moyen des photo-électrons Off^Q) nous ont amenés à étudier des photocathodes dont l'épaisseur

du film photosensible était de l'ordre de 10 nm. Les photocathodes utilisées étaient constituées par une lame 1/4 d'onde composée d'un fj.lm mince de Csl sur un film mince de fluorure de magnésium

(MgF ) l'ensemble reposant sur un substrat d'aluminium. Ce type

de photo cathode dont le principe de fonctionnement est de faire 'interférer un photon avec lui même" a déjà été utilisé dans le

vide ( m ) ; mais nous ignorions leur comportement dans une atmosphère Nous avons calculé les absorptions maximales pouvant être obtenues avec un film de Csl d'épaisseur donnée et cela pour diverses lon-gueurs d'onde; les résultats obtenus sont représentés par la figure 20. Afin d'illustrer les propriétés d'une photocathode multi-couche, la figure 21 nous permet de comparer l'absorption en énergie lumineuse obtenue dans une couche externe de 15 nm de Csl en utilisant une photocathode massique ou une photocathode du type décrit précédemment.

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Ficvre 20 : absorptions maximales?igure 21 : absorptions de couches c'un film de Csl. massique et i n te f é z e n t i e l l e .

Ill)-DESCRIPTION DE L'APPAREILLAGE:

Afin de mesurer l'efficacité quantique d'une photocathode il est nécessaire de disposer d'une "source de lumière monochro-matique". En outre,il faut pouvoir utiliser deux chaînes de mesure:

l'une pour évaluer le flux de lumière incidente, l'autre pour déter-miner le nombre de photo-électrons libérés.

A y . • .~.. ^ — . . . _ > . . ..w..»i~n^ ^ . . : u i . u j \ .

La source de lumière est constituée par une lam::e au ceutériuir.

HAKAMATSU L 879-01 qui grâce à une fenêtre en fluorure de magné-sium nous permet d'obtenir un signal jusqu'à environ 120 r.m. Cette lampe est disposée à l'entrée d'un monochromateur II.V. dont l'ori-ginalité est de fonctionner sous atmosphère contrôlée d'hélium. Ce monochrcmateur utilisant un réseau JÛEIN-YVOu 1200 traits/mm et ces hublots de fluorure de magnésium, nous fourrât, sous

circu-:tion permanente de gaz, un signal utilisable partir ce 130 nm.

Sa résolution spectrale est voisine de 0,5 r.m. Afir. de ne pas détériorer les tubes photo-multiplicateurs par diffusion d'hélium la sortie du mcr.ochrcmateur est reliée s ~cr.= c-zi''"-'

"-.-»-•"•»-er.:s" dans laquelle est maintenue une circulation d'argon.

j-iil, u i U.T.cîI

jure. 22 illustre schématiquement le dispositif utilisé

F.\ y ure 2 2 : vue schcr.a tique rie l'cnscrble experimental

2)-LE DISPOSITIF DE MESURE DES PHOTOCATHODES:

Afin de minimiser les risques d'erreur, nous avons utilisé un dispositif permettant de mesurer successivement le flux lumi-neux incident sur la photocathode et le nombre de photo-électrons émis par celle-ci. Une vue d'ensemble ce l'appareillage est don-née par la figure 23. Pour mesurer l'émission photo-électrcnique de la photocathode on utilise un petit compteur à fil placé sur celle-ci. Et, afin d'estimer le flux lumineux incident, on esca-mote la photocathode et en inscie ainsi le P.M. (sensibilisé dans l'U.V. lointain) qui se trouve à l'arrière du dispositif. Nous obtenons de le sorte deux avantages expérimentaux : la lumière inci-dente est mesurée de façon directe et il n'y a aucune intervention extérieure sur l'enceinte entre les deux types de mesures. Nous éliminons ainsi tous les problèmes de reproductionité liés I la transparence des gaz ou aux qualités ces systèmes réfléchissants.

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a)-L'enceinte:

Ceile-ci a été réalisée en "armodur" (?VC), métallisé et opa-cifié sur sa face extérieure. Dans nos conditions d'emploi cette substance nous a donné un dégazage raisonnable. Le hublot d'entrée est un cristal de fluorure de magnésium. L'ensemble s'adapte sur l'enceinte porte-instruments. L'enceinte de mesure constitue une unité étanche qui n'est ouverte qu'en bcîte à gar.ts (sous atmo-sphère anhvdre).

Le compteur,dont la figure 24 ncus donne schérr-atique^ent

l'allure, est constitué d'un corps cylindrique de 1C nui, de diamètre cans l'axe duquel est tendu un fil de 2D urn ce diamètre. Deux mières s'ouvrent parallèlement à 1'axe pour définir le pinceau lu-mineux qui insolera la photocathode ou le P.M.. La phctocethcde

coulisse contre le cor.pteur le long ce rainures prévues à cet effet.

La distance entre le fil et la pho-tocathode est constante et par conséquent, le champ électrique d'extraction des photo-électrons figure 74 .-coupe schématique du ^{e s}t parfaitement déterminé.

compteur.

c)-Le tube photo-multiplicateur:

Il s'agit d'un tube QUANTACON 8850 fabriqué par RCA et dont la fenêtre d'entrée a été recouverte,par evaporation sous vide, de 1 urn de para-terphényl . Ce dépôt nous assure une sensibilité quasi constante dans toute la bande spectrale utilisée 0*3 ) . Le culot d'alimentation du tube photo-multiplicateur ne nous a permis de travailler qu'en mesure de courant anodique.

3)-L'ELECTRONIQUE ASSOCIEE:

Un schéma synoptique de l'ensemble utilisé est donné par la figure 25. Le courant débité par le P.M. est mesuré par un pico-amoeremetre. U..«.

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Figure 25:tableau synoptique.

En ce qui concerne l'amplification du signal fournit par le corr.^teur nous avons utilisé un pré-amplificateur à transistors à effet de chamo représenté figure 25 combiné avec un amplifica-teur linéaire NIK 7C52. L'ensemble Figure 26 :préar.plificateur nous a permis d'atteindre un gain total à transistors à effet de

champ. d'environ 50 Y/pC avec un bruit de lOmV.