Limites d’utilisation

Les limitations qu’impose une galette `a micro-canaux sont surtout li´ees `a son temps mort. D’autres probl`emes existent, comme la d´etermination pr´ecise de son gain total, l’homog´en´eit´e spatiale de ce gain sur la surface du d´etecteur, les interactions entre canaux voisins, et enfin la variation de toutes les caract´eristiques avec le vieillissement de l’appareil. Mais le temps mort est celui qui nous limite le plus, et ce de plusieurs mani`eres que nous allons d´etailler.

Le temps mort est une cons´equence de ce que la galette n’a pas une r´eponse ´elec- trique instantan´ee. Elle est sollicit´ee car on lui demande de fournir un courant (les impulsions d’´electrons cons´ecutives aux avalanches). Id´ealement, pour que toutes les particules soient d´etect´ees identiquement, la galette devrait revenir `a l’´equilibre entre chaque d´etection. Si ce n’est pas le cas, il se produit une saturation : le gain n’est plus constant, et `a la limite il n’y a plus de d´etection du tout. Le m´ecanisme qui conduit `a cette non-lin´earit´e du d´etecteur agit comme suit. Les parois de la galette ´emettent des ´electrons. Cela cr´ee un d´eficit de charges qu’il faut combler par un courant. L’alimenta- tion qui polarise le d´etecteur y pourvoit. Or, le courant ne peut recharger les parois plus vite que ne le permet la constante de temps intrins`eque `a sa r´esistance et sa capacit´e. Tout d´epend donc de la constante de temps du circuit RC ´equivalent aux galettes.

Le probl`eme est que les galettes sont n´ecessairement tr`es r´esistives ; le mat´eriau utilis´e est un verre trait´e26, et il est creus´e de nombreux trous (repr´esentant environ 60 % de son volume). Cette r´esistance n’est d’ailleurs pas forc´ement un d´esavantage : c’est aussi le moyen d’´eviter que la haute tension de polarisation n’induise un trop fort

26

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R

C

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Fig. 1.19 – Temps mort du d´etecteur : origine et lien avec le flux.

Figure de gauche. Le temps mort du d´etecteur vient de ce que la r´esistance et la capacit´e du d´etecteur imposent un temps minimal pour recharger un canal qui vient de multiplier un ´electron.

Figure de droite. `A flux total donn´e, le flux par pixel est d’autant plus important que les particules tombent sur une zone de petite taille.

courant de fuite. La haute tension `a imposer est de l’ordre de quelques kV ; la r´esistance de l’ordre de la centaine de MΩ limite ainsi le courant de fuite `a la dizaine de µA. Avec une capacit´e de l’ordre de la dizaine de pF, cette r´esistance donne au final un temps de l’ordre de la ms (voir la figure 1.19 pour le sch´ema ´electrique ´equivalent, ici pens´e globalement au niveau de la galette dans son ensemble).

Il faut donc a priori que deux particules incidentes successives soient s´epar´ees par un temps grand devant ce temps-ci pour que la paroi soit recharg´ee. Si deux ´ev´enements sont plus rapproch´es que τ = RC ≈ 1 ms, le second surviendra alors que la galette ne sera pas encore recharg´ee tout `a fait. Le gain pour la d´etection de la seconde particule sera inf´erieur. A la limite, le second ´ev´enement ne sera pas d´etect´e. Comme le gain d´epend exponentiellement de la tension appliqu´ee, l’effet est vite tr`es important.

L’existence d’un temps mort a plusieurs cons´equences. Tout d’abord, on ne peut d´etecter deux particules trop rapproch´ees dans le temps. Ne concluons pas trop vite : en r´ealit´e ceci ne nous limite pas directement. On a raisonn´e pour l’instant comme si le d´etecteur ´etait d’une seule pi`ece, et tout impliqu´e dans chaque d´etection. C’est faux. L’unit´e pertinente pour raisonner est le micro-canal : en effet, deux micro-canaux tr`es ´

eloign´es l’un de l’autre sont ind´ependants, et donc le second n’est pas influenc´e par la d´etection du premier. Donc mˆeme si le temps mort d’une galette est de l’ordre de la milliseconde, voire de la seconde, cela n’empˆeche pas de mesurer des diff´erences de temps jusqu’`a quelques dizaines de nanosecondes. Il suffit que les deux particules n’arrivent pas sur le mˆeme micro-canal. Pour mieux penser cet aspect des choses, il conviendrait donc de raisonner en termes de d´etection par canal.

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a d´etecter deux particules, mais un flux continu de particules. S’il y a un temps minimal `

a respecter entre deux particules, cela correspond aussi `a un flux maximal d´etectable. Nous avons trouv´e que ce flux est de l’ordre de 106 s−1. Nous avons vu qu’il vaut mieux raisonner `a l’´echelle du micro-canal. Ramenons-le donc `a un flux par canal. Le MCP fait 14, 5 mm de diam`etre, et les trous couvrent 60 % de sa surface, chacun faisant 12 µm de diam`etre, ce qui fait environ 106 canaux. Ce flux maximum correspond donc `a environ 1 s−1 par canal, donc `a 1 s de temps mort pour un canal de la galette. Pour les flux sup´erieurs `a celui-ci, la d´etection devient non-lin´eaire : pass´ees les premi`eres particules, le gain s’´ecroule.

La figure 1.19 illustre le probl`eme concret pos´e : le flux maximum admissible pour rester dans la zone lin´eaire d´epend du profil spatial du flux observ´e. Si toutes les par- ticules arrivent sur une zone restreinte du d´etecteur, comme c’est le cas pour un nuage tr`es froid, le nombre de canaux couverts est plus faible et le flux par canal d’autant plus important. Donc pour un flux inhomog`ene, plus la zone sollicit´ee sur les galettes est faible, plus le d´etecteur sature vite `a flux total donn´e.

Ce probl`eme de saturation du flux est reli´e `a celui du choix de la chaˆıne de d´etection : comptage ou d´etection analogique. La chaˆıne de comptage est en effet utilis´ee avec une plus forte haute tension que l’autre car on veut saturer le gain de la galette. Chaque particule incidente produit donc une plus grande impulsion, et consomme donc plus d’´electrons. Le flux sature donc plus vite. Pratiquement, on n’a utilis´e la chaˆıne de comptage sur cette galette que pour des flux d’ions. Le flux d’ions produit par un nuage tr`es froid est suffisamment faible (et suffisamment homog`ene) pour permettre l’utilisation du comptage. Lorsqu’il est trop important, comme dans la phase de pi`ege magn´eto-optique, on a utilis´e la d´etection en mode analogique. Ce fut aussi le cas pour tous les temps de vol d’atomes.

1.3.4.5 Conclusion

Notre syst`eme de d´etection est assez original dans la mesure o`u il n’utilise pas du tout l’optique, contrairement `a ce qui se fait sur presque toutes les autres montages dans le domaine des atomes froids. C’est ´evidemment tr`es li´e `a la particularit´e de l’atome ´etudi´e, l’h´elium, car il est m´etastable. Pour autant, pourquoi avoir choisi ce mode de d´etection plutˆot qu’un autre ? La question se pose d’autant plus que les changements sur le montage qui sont apparus pendant ma th`ese ont ´et´e le fait d’un choix technologique qui renforce encore ce parti pris. C’est pour installer un d´etecteur sensible en position que nous avons arrˆet´e l’exp´erience si longtemps, et ce nouveau d´etecteur est encore `a base de galettes `a micro-canaux.

Le choix des galettes `a micro-canaux n’est pas ´evident. Il y a d’abord tous les probl`emes d’ordre technologique. Ces d´etecteurs ne sont pas couramment utilis´es pour ce type d’usage. Il faut donc les ´etudier, les calibrer, prendre toutes les pr´ecautions d’analyse, car nous n’avons pas derri`ere nous l’exp´erience accumul´ee de dizaines de groupes, comme c’est le cas pour les cam´eras CCD. Mais le gros probl`eme d’un d´etecteur `

a base de galettes `a micro-canaux est aussi qu’il r´ealise la d´etection au contact des particules. Contrairement `a tous les syst`emes de d´etection optique, il faut donc mettre la galette sous vide. C’est en soi un probl`eme, car ce sont des objets tr`es fragiles `a la temp´erature (alliance de verre et de m´etal) mais d’une tr`es grande surface (de tr`es nombreux trous) et que l’on a donc besoin d’´etuver. Cela prend aussi de la place. Si les brides rentrantes sont espac´ees de 3, 15 cm sur notre montage, c’est pour permettre de

placer une galette `a micro-canaux juste sous le pi`ege, entre les bobines. L’utilisation de galettes `a micro-canaux oblige aussi `a utiliser des enceintes en m´etal. Si les parois ne sont pas conductrices, elles ne peuvent ´evacuer les charges qui ne peuvent manquer de s’accumuler du fait de la haute tension utilis´ee pour polariser les galettes. Pas d’enceinte en verre, donc. Et si les parois sont conductrices, immanquablement elles sont le si`ege de courants de Foucault. Ce qui est un probl`eme `a la coupure des champs magn´etiques. Il y a aussi des raisons physiques de ne pas les utiliser. Les galettes sont immobiles. Elles ne peuvent donc d´etecter les atomes qu’apr`es un temps de vol fixe. Ceci proscrit d’embl´ee l’´etude de la dynamique d’expansion des nuages. En particulier, on ne peut d´eterminer la temp´erature du nuage `a partir de sa vitesse d’expansion. Ou plutˆot si : mais sur un seul point, lorsqu’on arrive sur le d´etecteur. On ne peut pas non plus suivre le rapport d’anisotropie s’inversant au cours de l’expansion d’un condensat. On ne voit le r´esultat qu’apr`es un temps de vol fixe.

Et pourtant nous avons choisi de continuer dans la voie des d´etecteurs `a micro- canaux. Il faut dire aussi que les limitations que l’on vient de donner ne sont pas ind´epassables. Ainsi, les lois qui gouvernent l’expansion des nuages sont maintenant connues. Il nous suffit donc d’avoir acc`es `a un seul point temporel pour d´eterminer la temp´erature. Vraisemblablement ce syst`eme de d´etection ne permettra certes pas d’approfondir l’´etude de l’expansion des nuages. Mais il permet bien d’autres choses. La r´ef´erence [61] montre l’utilit´e du signal d’ions. En particulier pour d´etecter le seuil de condensation. C’est son utilisation qui a aussi permis la mesure des constantes de collision d´ecrite dans les r´ef´erences [63] et plus encore [60]. On l’a vu aussi, ce syst`eme permet de faire du comptage d’atomes. Jusqu’`a tr`es r´ecemment, cela ne nous avait servi qu’`a avoir une bonne sensibilit´e. Mais avec la mesure propos´ee dans cette th`ese, `

a savoir la corr´elation en intensit´e, cela devient fondamental. Ce genre de d´etecteur est un outil naturel pour ce genre de mesures, mˆeme si l’exp´erience montre qu’on peut faire autrement (voir 2.1.4.3). Plus encore, mˆeme si cette voie n’a pas encore ´et´e tout `a fait explor´ee pour l’instant, il permet d’envisager de faire une d´etection tridimensionnelle (voir chapitre 3). Cela pourrait permettre de mettre en ´evidence des effets qui pour l’instant n’ont pas encore ´et´e vus.

Ce syst`eme a donc en d´efinitive de r´eels avantages. Il ne tient qu’`a nous d’en tirer parti. En l’´etat actuel il offre d´ej`a une certaine souplesse. Selon le flux observ´e et la sensibilit´e voulue, on peut d´etecter de fa¸con analogique ou num´erique. Selon le type de mesure `a r´ealiser, on peut d´etecter les ions ou les atomes. Et, nous allons le voir dans ce qui suit, le syst`eme offre encore des possibilit´es d’´evolution.