III.2. Résultats expérimentaux.
Les courbes expérimentales sont numérisées par l'oscilloscope IN7000. Les données sont stockées sous un fichier au format ASCII que nous traitons sous Excel à l'aide de macros développées en Visual Basic (intégré à Excel). Nous avons ainsi obtenu des réponses impulsionnelles expérimentales que nous avons normées comme pour les courbes simulées.
Toutes les comparaisons de courbes ont été réalisées en recalant les courbes à leur mi-hauteur.
En effet, nous n'avons pas de dispositif pour détecter le début de la réponse, nous ne connaissons donc pas le retard d'une courbe par rapport à l'autre s'il y en a un. Le lecteur trouvera également en annexe F toutes les courbes expérimentales qui n'ont pas été présentées dans cette partie ainsi que deux tableaux (tableaux 12 et 13) regroupant toutes les valeurs des paramètres temporels pour chaque type de diode, chaque énergie et diverses tensions.
III.2.1. Incertitude expérimentale.
L'acquisition des données avec un oscilloscope entraîne une certaine incertitude sur le calcul des caractéristiques temporelles. Admettons qu'il se produise une erreur de lecture d'un point de l'écran. Pour le calcul des paramètres temporels (tm, td ou lmh), l'oscilloscope
utilise deux points de l'écran. Il peut alors se produire une erreur de deux points de l'écran.
Considérons maintenant le pas sur l'axe des abscisses (temps). Soit un pas de 2 ns/div. Pour un écran de 10 divisions, nous avons une plage de 20 ns et entre deux points, un intervalle de 40 ps (512 points par courbe). D'où pour deux couples de points, l'intervalle est de 80 ps.
Nous résumons dans le tableau suivant les erreurs commises pour différents pas : pas (ns/div)
2 5 10
erreur (ps) 80 200 400
Tableau 6 : Résumé des erreurs commises pour différents pas.
Nous en déduisons donc que l'erreur peut devenir importante si le pas est grand et la valeur mesurée petite. Nous ne prendrons pas alors en compte les temps de montée obtenus avec des pas importants. Un autre paramètre affecte la valeur du temps de montée : il faut tenir compte du pied et de la largeur de l'impulsion du proton qui est de l'ordre de la centaine de picosecondes.
III.2.2. Reproductibilité.
Pour chaque type de photodiode, nous avons testé au moins deux photodiodes différentes pour comparer leurs caractéristiques : numéros 507 et 558 pour le type 25TM250, numéros 580 et 581 pour le type 100TM250 et numéros 564 et 640 pour le type 200TM250.
Nous avons représenté sur la figure 16 ci-dessous les réponses des diodes 100TM250 à deux faibles tensions.
1 0.8
-1
o 0.6-(0
o 0.4
-•a>a
0.2 0
-A \\ \
diode 580
— diode 580 diode 581
— diode 581
\ V
A , ^ - - —
5 10 15 20 25 30 35 Temps (ns)
Figure 16 : R.I. de diodes 100TM250 à 7MeV.
Nous remarquons que les réponses des 100TM250 sont reproductibles à 7 MeV. C'est aussi le cas aux autres énergies et pour les autres types de diodes comme le prouvent les figures 49 à 55 [annexe F]. Ainsi par la suite, nous considérerons une seule diode par type.
III.2.3. Linéarité.
Sur la figure 17 suivante représentant la tension crête aux bornes de la résistance en fonction de la charge recueillie pour différentes énergies, nous pouvons déterminer la limite de linéarité de la photodiode 25TM250. Aux faibles tensions et pour toutes les énergies, les droites de même pente confirment la proportionnalité entre la tension et la charge. Aux tensions supérieures, il apparaît une limite à la proportionnalité ou linéarité. Aux énergies 5, 7 et 10 MeV, cette limite est d'environ 100 V et à 2 MeV, elle est plus faible d'environ 80 V soit 20 V.
1000
mn
10 '
*
9
1 , Ht
-1
•'
•
-• 2 MeV 5 MeV . 7 MeV 10 MeV
10 Q(nC) 100 1000
Figure 17 : Linéarité d'une diode 25TM250.
La limite à 5, 7 et 10 MeV s'explique en considérant la figure 42 représentant la vitesse des porteurs. Nous voyons que celle-ci n'est plus à la saturation lorsque E < Ec2 = 15000 V/cm pour l'électron et 20000 V/cm pour le trou. Or E = V/d avec V la tension aux bornes de la diode. Soit V\ la tension limite de linéarité, Vt = -500 V pour les trous et -375 V pour les électrons. Puisque Vpolarisation = Vdiode - Vrésistance (figure 4 ) avec VpoIarisation = -600 V, la tension limite de linéarité aux bornes de la résistance est de 100 V pour les trous et de 225 V pour les électrons. Nous observons donc bien une première limite de linéarité à 100 V puis une seconde moins évidente à 225 V. Ces remarques sont valables pour les trois types de diodes parce que la tension de polarisation et la vitesse des porteurs sont indépendantes de la surface de la zone d'entrée de la diode (figures 56 et 57 [annexe F]). Pour avoir une marge de sécurité au niveau de la linéarité, nous nous limiterons à des tensions de 50 V pour réaliser les moyennes sur les différents paramètres temporels.
Ce calcul ne s'applique pas à 2 MeV. En effet, il faudrait tenir compte de la présence des protons qui sont absorbés et qui influencent le champ électrique local donc la vitesse des porteurs.
III.2.4. Caractéristiques de l'impulsion.
Dépendance en tension.
Nous devons mentionner tout d'abord qu'à 2 MeV, nous dépassons à peine les 100 V crête alors qu'aux autres énergies (5, 7 et 10 MeV), nous atteignons sans problème des tensions de plus de 400 V crête. Ce phénomène n'est pas dû à un manque de protons incidents à 2 MeV car d'après la figure 17, la charge totale à 2 MeV n'est pas limitée.
D'après les résultats précédents, à partir d'une certaine tension il n'y a plus de linéarité.
Au delà de cette limite, nous voyons sur la figure 17 précédente que la courbe devient sous linéaire. Cela signifie que la charge augmente plus rapidement que la tension ou qu'à charge donnée, la tension diminue. Puisque le rapport entre la charge et la tension correspond à la surface sous la courbe temporelle (Q = V x S), cela se traduit par une augmentation de la surface, ainsi que nous le constatons sur la figure 18 :
1 -o> 0.8
| 0.6 -a>
CO
g 0 . 4
-Q.
* 0.2 0
-— 23.5 V
— 42.5 V 182 V 383 V 587 V
V
- ^— I- • •
• .
20 40 60
Temps (ns)
80 100
Figure 18 : R.I. d'une diode 100TM250pour différentes tensions à 7MeV.
L'augmentation de la surface avec la tension résulte en fait d'une modification de la réponse impulsionnelle due à la variation de certains paramètres (vitesse des porteurs ...). En particulier, nous notons une augmentation du temps de descente et de la largeur à mi-hauteur qui commence bien aux environs de 100 V comme le laissait envisager la figure 17 ci-dessus.
Par contre le temps de montée diminue comme le montre la figure 19 ci-dessous. Cette diminution peut s'expliquer par un phénomène de saturation qui interrompt la montée normale du signal.
— 10 ]
s
Temps
0.1
--»
i *
•
1
»•*—»
a—
A
i J j
A < • LMH 581 , Tm 581 ,. Td 581
1 0 V crête (V) 1 0° 1000
/P ' Paramètres en R.I. d'une diode 100TM250 à 7MeV.
Ces remarques sont valables également pour les autres types de diodes et les autres énergies (figures 58 à 77 [annexe F] )
Dépendance en énergie.
Sur la figure 20 suivante, nous avons représenté pour la photodiode 100TM250, les réponses expérimentales pour différentes énergies (en se plaçant dans la partie linéaire).
10 15 Temps (ns)
25
Figure 20 : R.I. d'une diode 100TM250pour différentes énergies.
Nous notons la nette différence en forme de la courbe à 2 MeV par rapport aux autres courbes à 5, 7 et 10 MeV : elle semble plus large et le temps de montée est plus long (la montée est atténuée brusquement à partir de la mi-hauteur). Les paramètres présentés dans le tableau ci-dessous s'en ressentent : la largeur à mi-hauteur est plus grande de 1,7 ns ainsi que le temps de montée de 1,2 ns en moyenne. Par contre, le temps de descente reste sensiblement le même (300 ps de différence alors que l'erreur maximale avec un pas de 2 ns/division est de 80 ps). Compte tenu des incertitudes de mesure, nous pouvons aussi dire que les paramètres à 5 , 7 et 10 MeV sont quasiment identiques.
Energie (MeV)