Spectroscopie X résolue en temps

Le système de détection ultra-rapide utilisé ici a été entièrement caractérisé par C. Bonté [7, 8]. Sa très bonne résolution temporelle a déjà permis de mesurer une durée d’émission X inférieur à la picoseconde [9]. Il est représenté sur la figure 2.9. Il s’agit d’un prototype de Caméra à Balayage de Fente (CBF), développé par la société AXIS et le laboratoire INRS-EMT (Varennes, Canada), associé à un cristal tronconique KAP. Le signal détecté est donc résolu en spectre et en temps.

Le cristal KAP est celui décrit précédemment. Sa géométrie, de type tronconique per- met d’obtenir dans le plan focal une trace verticale, focalisée. L’ensemble du rayonnement X collecté par le cristal est focalisé sur la fente d’entrée de la CBF. Le fonctionnement détaillé de la CBF est représenté sur la figure 2.10.

Dans un premier temps, le rayonnement X est converti en électrons par une photoca- thode en KI. Une fente de 1 mm est placée à 2.5 mm de la photocathode, à un potentiel nul. La photocathode est mise sous une tension de VP K ∼ − 15 kV . Le champ électrique ainsi créé accélère les électrons convertis par la photocathode. Un système d’imagerie spa- tiale, constitué de lentilles électrostatiques, permet d’ajuster la focalisation des électrons sur un écran de phosphore situé en sortie de la CBF. Le faisceau d’électron est dispersé en temps au moyen de plaques de déflexion, auxquelles sont appliquées des rampes de tension représentées sur la figure 2.10 : les électrons sont soumis à un champ électrique, perpendi-

AL ligne focale source X cristal conique caméra CBF !" caméra CCD Système de détection ultra-rapide axe spectral

Figure 2.9 – Schéma du spectromètre résolu en temps, composé d’un cris- tal tronconique KAP, d’une caméra à balayage de fente, d’un Amplificateur de Luminescence (AL) et d’une caméra CCD.

Source X te m pore l Plaques de déflection Photocathode (tension VPK) Lentilles d’imagerie (mises sous tensions)

Ecran de phosphore Electrode d’extraction Laser Ligne à retard

déclenche optique des tensions de balayage

Figure 2.10 – Schéma de fonctionnement de la caméra à balayage de fente avec déclenche par commutateurs optiques.

culaire à l’axe de la CBF et qui évolue rapidement avec le temps, induisant une dispersion temporelle. Un pavé de phosphore convertit le faisceau d’électrons focalisé spatialement et dispersé temporellement, en photons visibles détectables par une caméra CCD. Pour

augmenter l’intensité du signal détecté et ainsi améliorer la dynamique de détection de l’ensemble du système, un amplificateur de luminescence est placé entre le phosphore de la CBF et la caméra CCD.

La résolution temporelle accessible en mode monocoup est inférieure à la ps [14]. Le signal sur bruit obtenu est limité à 10 : 1. En mode accumulé, il est possible d’augmenter considérablement la dynamique de détection. Dans ce cas la gigue temporelle de déclenche des rampes de tensions doit être constamment optimisée pour conserver une bonne réso- lution temporelle. Après optimisation, il est possible d’obtenir une résolution temporelle sub-ps en utilisant un système de déclenche optique [8]. Les réglages et l’optimisation de la caméra streak avec déclenche optique sont assez sensibles. Il est donc nécessaire de caractériser régulièrement la résolution temporelle et la vitesse de balayage de la CBF (surtout la résolution temporelle, la vitesse de balayage ne varie pas trop).

Montage pour la caractérisation temporelle

L’ensemble des réglages de la CBF nécessite un montage expérimental adapté qui est présenté sur la figure 2.11.

Cible 2! 3! CBF !"#$%"&$'()%"&$*+#,-"' Laser pour créer la source X Laser pour caractériser temporellement la CBF Laser de déclenche de la CBF Ligne à retard RG DO

Figure 2.11 – Schéma du dispositif expérimental pour la mesure de la résolution temporelle et de la vitesse de balayage.

Un faisceau laser est prélevé du faisceau principal pour être envoyé sur des commuta- teurs optiques, consistant en des résistances photo-sensibles. Nous avons optimisé ce sys- tème de déclenche en plaçant sur le faisceau, avant les commutateurs opto-électroniques, une série d’absorbants saturables (RG), de diaphragmes ou de densité optiques DO. L’en- semble de ces éléments optiques permettent de modifier l’énergie et de nettoyer l’impulsion laser de déclenche de ses pré-impulsions et de son piédestal. Dans un premier temps, la combinaison de ces éléments est déterminée en optimisant le profil des rampes de la caméra à balayage de fente avec un oscilloscope.

Dans un second temps, nous optimisons directement la résolution temporelle en en- voyant en entrée de la CBF, un faisceau 3ω obtenu par doublement puis triplement de

fréquence d’une impulsion laser de 30 fs (cf. figure 2.11). La durée estimée du faisceau 3ω est de ∼ 100 fs [15]. Il nous est possible de vérifier quotidiennement la résolution temporelle et la vitesse de balayage de la CBF.

Après optimisation du signal de déclenche de la caméra streak, celui ci est synchronisé avec le faisceau laser principal. La rampe de tension doit en effet être déclenché afin que les électrons créés par l’impulsion principale soient balayés au bon moment et avec la vitesse de balayage vbal la plus grande possible. La synchronisation se fait d’abord avec des retards électroniques puis est affinée avec la ligne à retard.

Sur la figure 2.12, une trace balayée en sortie de détecteur est représentée. L’axe horizontal correspond au balayage en temps et l’axe vertical à l’axe spatial le long de la photoctahode. Axe temporel Axe spatial Trace balayée

Figure 2.12 – Image, obtenue par la caméra à balayage de fente, du faisceau 3ω envoyé directement sur la fente d’entrée de la caméra CBF.

Cette trace se déplace le long de l’axe temporel quand on modifie le délai entre le faisceau pompe et le faisceau de déclenche. C’est ainsi que nous mesurons la vitesse de balayage, en relevant la position de la trace pour différents délais temporels entre l’impul- sion de déclenche et l’impulsion 3ω. La largeur à mi-hauteur de cette trace nous permet aussi de mesurer la résolution temporelle de la CBF. Cette résolution est dominée par la gigue temporelle obtenue entre l’impulsion de déclenche et le signal détecté. Cette dernière est très sensible à la stabilité en énergie du laser et à son contraste temporel. Ainsi, la résolution temporelle a varié de 1.7 à 2.3 ps rms pendant les mesures effectuées avec la CBF (cf. chapitre 3). La valeur de la vitesse de balayage était comprise entre 12.5 et 14.5 ps/mm. Ces réglages sont en dessous des performances optimales de cette CBF mais sont largement suffisants pour caractériser les sources X à l’étude dans ce manuscrit.