Projets

- + caméra CCD phosphore^écran microcanaux^{Galette de} Ar*

e-Fig. 4.10 – Galette de microcanaux avec sortie sur ´ecran au phosphore et

acquisition par matrice CCD.

4.5.4 Projets

Le but principal de cette exp´erience ´etant d’observer la modulation spa-tiale du faisceau atomique, l’analyse du profil transverse du faisceau est es-sentielle. La m´ethode que nous utilisons actuellemet, `a savoir d´eplacer un trou dans le faisceau a deux principaux inconv´enients :

– on n’obtient le profil que sur une ligne horizontale. Le profil complet ne peut se faire qu’en d´epla¸cant verticalement le d´etecteur entre deux lignes, ce qui est mal pratique sur le d´etecteur d´eport´e, et impossible sur le d´etecteur de la tourelle (on peut d´eplacer verticalement tout l’interf´erom`etre dans le sens oppos´e, mais cette m´ethode est discutable). – le temps d’acquisition est tr`es long : au moins une minute par ligne,

souvent plus.

Galettes de microcanaux

Une solution pour obtenir directement le profil transverse du faisceau atomique consiste `a utiliser une galette de microcanaux. Le principe de base de ce d´etecteur est le mˆeme que celui du multiplicateur d’´electrons : l’´energie interne du m´etastable incident arrache un ´electron qui est acc´el´er´e par un champ ´electrique, refrappe la surface en produisant plusieurs ´electrons, on a aussi une amplification en cascade. Ici, au lieu que cette amplification ait lieu entre des dynodes distinctes, elle a lieu continuement le long de tubes tr`es ´etroits (microcanaux, diam`etre 12 µm) – voir figure 4.10.

De l’autre cˆot´e de la galette, on obtient une gerbe d’´electrons l`a o`u l’atome

phosphore, o`u ils donnent un point lumineux : on peut observer directement le profil transverse du faisceau. L’image est ensuite collect´ee sur une matrice CCD.

Pour la culture g´en´erale, comment fabrique-t-on ces galettes : on part d’une «tresse» de plusieurs dizaines milliers de fibres optiques (semblable aux syst`emes utilis´es dans les endoscopes). On en coupe des tranches l´eg`erement en oblique, puis on dissout chimiquement le cœur des fibres, on obtient des petits tubes creux. Finalement, on d´epose `a l’int´erieur des tubes le mat´eriau amplificateur d’´electrons.

On peut mettre plusieurs ´etages de galettes empil´es les uns sur les autres, on obtient ainsi un gain plus important, au d´etriment de la r´esolution spatiale. Nous avons fait l’acquisition d’un ensemble `a deux ´etages amplificateurs et un ´ecran au phosphore, d´emontable (Hamamatsu F2221-21P). On peut ainsi choisir entre :

´etages gain r´esolution

1 10⁴ 50 µm

2 10⁶ 100 µm

La surface sensible a un diam`etre de 10 mm ; la tension de polarisation `a utiliser est d’environ 1 kV par galette, et 4 kV pour l’´ecran au phosphore.

La r´esolution est tr`es insuffisante pour mettre en ´evidence les modulations submicroniques que nous esp´erons atteindre, mais ceci peut permettre de faire la d´emonstration du principe en visualisant une figure d’interf´erences submillim´etrique. L’avantage principal que nous en attendons est d’obtenir plusieurs images compl`etes par seconde, au lieu d’une ligne d’image toutes les minutes, ce qui doit permettre d’optimiser les diff´erents r´eglages beaucoup plus rapidement, ainsi que d’identifier plus facilement quel est l’effet sur la figure d’interf´erences de tel ou tel param`etre.

La m´ethode la plus pratique et sˆure de capter l’image sur l’´ecran au

phosphore est d’installer cet ´ecran juste derri`ere un hublot, et d’avoir une cam´era `a l’ext´erieur de l’enceinte. On peut ainsi r´egler facilement le cadrage et la mise au point et tester diff´erentes cam´eras. C’est cette solution que nous retenons dans un premier temps.

Cependant, nous avons ´etudi´e ce qu’impliquerait l’installation du capteur CCD directement sous vide, accroch´e au bras tournant, `a cˆot´e du PM, pour le rendre escamotable. Le choix du d´etecteur utilis´e se fait en tournant la tourelle :

angle tourelle d´etecteur

0◦ PM tourelle

15◦ Galette microcanaux

Nous avons r´ealis´e des tests de compatibilit´e avec le vide d’une cam´era

bon march´e5 (type cam´era de surveillance, 200 F) : la vitre de protection

(1 cm2) du capteur n’a pas explos´e, il n’y a pas eu de d´egazage intempstif

mesurable, et la temp´erature de la cam´era n’est que de 4◦C plus ´elev´ee

qu’en fonctionnement «`a l’air». Pour limiter l’´echauffement, on utilise (dans les deux cas) la tension d’alimentation minimale donnant une image stable soit environ 6 V au lieu des 9 V indiqu´es.

Les modules CCD de qualit´e «scientifique» pouvant atteindre des prix de plusieurs milliers de francs, de telles exp´eriences semblent plus risqu´ees. On peut dans ce cas envisager d’installer le pr´ecieux appareil dans un boitier pressuris´e avec un hublot `a l’int´erieur de l’enceinte, une sorte de scaphandre. Mais Hamamatsu nous a affirm´e que leurs capteurs CCD supportaient le vide :

Subject: TENUE AU VIDE DES CCD HAMAMATSU Monsieur,

Faisant suite `a notre r´ecente conversation t´el´ephonique,

je vous informe que nos CCD peuvent supporter des vides de 10E-6 Torr.

L’utilit´e d’un capteur de haute qualit´e est de toute fa¸con discutable : la r´esolution intrins`eque de l’image sur l’´ecran de phosphore est inf´erieure `a 200 × 200 pixels, ce qui est `a la port´ee de n’importe quel capteur. Un avantage plus important est de pouvoir obtenir des poses longues, si le flux atomique est faible et l’image sombre. Cependant la plupart des capteurs (mˆeme ceux des petites cam´eras de surveillance) ont cette capacit´e, pour peu que l’on arrive `a se procurer la documentation technique du circuit. Il n’y a que dans

le cas d’une image extrˆement faible, o`u des poses tr`es longues sont n´ecessaires

et o`u le bruit interne du capteur peut ˆetre trop important. Dans ce cas, un

capteur refroidi de haute qualit´e est indispensable.

L’inconv´enient majeur de placer la cam´era sur la tourelle sous vide est que l’on doit r´egler la mise au point `a l’avance, avec le risque d’obtenir une image floue. Or motoriser la distance `a l’objectif ne paraˆıt pas une op´eration des plus simples.

Il est important de couper la haute tension des galettes de microcanaux, ou d’empˆecher l’arriv´ee des m´etastables quand l’observation n’est pas n´eces-saire, pour limiter leur vieillissement. La dur´ee de vie de ces capteurs est

5il est important de pouvoir d´esactiver le contrˆole automatique de l’exposition - proc´e-dure `a rechercher soit dans la documentation technique du circuit CCD, soit sur des sites de bricolages ´electroniques sur Internet.

en effet assez limit´ee. Celle-ci est d´etermin´ee par le nombre total d’´electrons

´emis et est de l’ordre de 0, 1 C/cm2 [53]. Ceci correspond `a 1012 e−/canal, soit

un million d’atomes par canal avec deux ´etages de galettes au gain maximal.

Avec le flux de m´etastable du faisceau direct (25000 atomes/s sur (50 µm)2

en juin 2000), on a environ 800 atomes/s par canal, soit une dur´ee de vie du deuxi`eme ´etage d’environ 20 minutes ! Avec un seul ´etage, on obtient 35 heures, ce qui n’est pas ´enorme non plus. On voit qu’il convient de limiter le gain et le temps d’utilisation de ce capteur au strict minimum.

Lithographie

La microlithographie contrˆol´ee est un de nos buts, mais cette technique peut aussi servir de moyen d’analyse. Son utilisation est contraignante :

– dur´ee d’un cycle introduction, exposition, retrait, d´eveloppement, ob-servation au microscope, surtout sans syst`eme introducteur d’´echan-tillons puisque cela implique une remise `a l’air de l’ensemble de l’exp´e-rience

– tr`es fort contraste : pour voir les d´etails de l’image, pulsieurs prises de temps de poses T, 2 T, 4 T,. . . sont sans doute n´ecessaires

mais la r´esolution (40 nm, [42]) est vraiment excellente.

La pr´esence au LPMTM de deux microscopes ´electroniques `a balayage (MEB) `a moins de 100 m de notre exp´erience est aussi un atout de taille.

D´etection optique

La d´etection optique des atomes peut se faire de deux mani`eres :

– en abosorption : en mesurant l’att´enuation par les atomes d’un faisceau laser

– par fluorescence : en mesurant la lumi`ere diffus´ee par les atomes

Ces deux mesures sont compl´ementaires : l’att´enuation est dˆue `a la diffusion.

En mesurant la fluorescence, on ne r´ecolte qu’une petite partie du signal qui se r´epartit dans toutes les directions. Cependant la d´etection se fait sur fond noir, alors qu’en absorption, il faut ´eliminer le fond continu, et ne pas confondre le signal avec les fluctuations de l’intensit´e du laser.

La caract´eristique sp´ecifique de la d´etection optique des atomes est la

sen-sibilit´e `a leur vitesse dˆue `a l’effet Doppler (voir section 2.3.4, page 35). Ceci

a l’avantage de permettre en balayant la longueur d’onde du laser d’analyser la distribution des vitesses atomiques selon l’axe du faisceau laser. La r´eso-lution en vitesse d´epend de la largeur naturelle de la raie utilis´ee. Pour les raies infrarouges de l’argon m´etastable on obtient une r´esolution en vitesse de 5 m/s.

Cette analyse des vitesses atomiques semble indispensable d`es que l’on se met `a essayer de refroidir les atomes, que ce soit transversalement ou longitudinalement.

La mesure du flux atomique pendant une gravure sans perturber le fais-ceau est une autre application possible de la d´etection optique. Ceci est int´e-ressant pour contrˆoler la dose appliqu´ee mˆeme en cas de variations du d´ebit de la source. Le plus simple consiste `a utiliser l’un des lasers d´ej`a pr´esents, comme le polariseur `a 812 nm, ou bien le laser `a 795 nm charg´e d’´eliminer les

m´etastables3P0, et de mesurer soit leur att´enuation, soit la lumi`ere diffus´ee.

Le laser `a 812 nm est pr´ef´erable car chaque atome diffuse plusieurs photons,

et que les atomes diffusants (les 3P2) sont cinq fois plus nombreux que pour

l’autre laser.