2.4.1 Détection de la uorescence au niveau du monochroma-
teur
La détection de la uorescence UV se fait perpendiculairement au faisceau incident à travers des ltres interférentiels ou un monochromateur qui permettent de sélection- ner la longueur d'émission. Pour séléctionner les longueurs d'ondes, deux dispositifs ont été utilisés. Tout d'abord, nous avons utilisés des ltres interférentiels, dont les carac- téristiques sont rappelées sur le tableau 2.5, qui permettent d'enregistrer la uorescence sur une bande de moins de 20 nm de largeur spectrale. Ensuite, pour augmenter la ré- solution spectrale, nous avons utilisé un monochromateur qui permet l'enregistrement de la uorescence UV L avec cette fois-ci une largeur spectrale de 1 nm. Ce dernier est un McPherson Model 218 en con guration optique Czerny − T urner ( gure 2.8). La gamme de longueur d'onde accessible est fonction du nombre de traits sur le réseau qui est ici de 1200 traits/mm. Le tableau 2.6 rappelle toutes les caractéristiques du monochromateur.
2.4.2 Détection de la uorescence au niveau du photomultipli-
cateur
Un photomultiplicateur assure la collecte des photons issus de la uorescence est basée sur le principe de l'eet photo-électrique qui résulte d'une collision inélastique entre un photon incident et un électron des couches profondes de l'atome. Un photon de uorescence UV L vient arracher un électron sur la photocathode en Iodure de Césium.
Figure 2.8 Schéma de principe du monochromateur McPherson 218 en con guration Czerny-Turner.
Longueur Focale 300 mm
Angle fentes Entrée/Sortie 44
Ouverture. f/5.3
Réseau 1200 traits/mm
Gamme des longueurs d'onde 105-1000 nm
Incertitude en longueur d'onde ±0.1 nm Reproductibilité en longueur d'onde ±5 pm
Résolution à 313.1 nm 60 pm
Dispersion 2.6 nm/mm
2.4. SYSTÈME DE DÉTECTION DE LA LUMINESCENCE FLUORESCENTE 59
Figure 2.9 Rendement quantique du photomultiplicateur en fonction de la longueur d'onde.
Le faible courant électrique ainsi généré est ampli é par une série de dynodes utilisant le phénomène d'émission secondaire pour augmenter le gain à chaque étage. En n au niveau de l'anode, le signal est su samment fort pour pouvoir être détecté (≈ 20 mV ). Toutefois, pour ampli er ces signaux anodiques délivrés un ampli cateur, Ortec modèle VT120, est placé derrière le photomultiplicateur. Il est adapté aux signaux linéaires très rapides, avec un temps de monté de 1 ns et une sortie de 5 V. Conçu pour une seule entrée il a un gain de 200 positif et sa bande passante se situe entre 10 à 350 MHz. Ainsi, le signal recueilli par l'analyseur multicanaux possède une amplitude de l'ordre de 400 mV.
Le détecteur UVL utilisé pour collecter les photons est un photomultiplicateur, Extremly Solar Blind 510G − 09 − 13 EMR Schlumberger, dont les caractéristiques sont données dans le tableau 2.7. Compte tenu de la gamme de longueurs d'onde typ- ique de la uorescence intervenant dans nos expériences, on constate, gure 2.9, que le rendement quantique du photomultiplicateur est compris entre 10 et 20 %. Il est donc important d'avoir un gain optimum lors de la détection de la uorescence UV L. Le
Nombre de dynodes 13
Nature dynode CuBe
Longueur maximum 69,1 mm
Poids 19 g
Nature fenêtre entrée (semi-transparente) Fluorure de magnésium
Diamètre cathode 6.,4 mm
Surface cathode 32 mm2
Nature cathode Tellure de césium
Temps de monté de l'anode 2 ns
Temps de transit électron 25 ns
Tension maximum supportée 3 kV
Température minimum / maximum -55°C / 100°C
Gamme des longueurs d'onde 115-350 nm
Sensibilité maximum 254 nm
Table 2.7 Caractéristiques du Photomultiplicateur EMR
gain d'ampli cation est corrélé avec la tension aux bornes du photomultiplicateur. Le gain est voisin de G = 109 pour une tension juste inférieure à la tension limite de 3
kV. Le choix de la tension a toujours été la valeur de 2950 V qui correspond bien au compromis entre gain maximum et tension limite. De plus, pour fonctionner correcte- ment le photomultiplicateur doit être placé sous un vide secondaire à 10−6T orr. C'est
pourquoi, aussi bien le photomultiplicateur que les ltres sont placés sous vide à l'aide d'une pompe turbomoléculaire secondaire reliée à la pompe primaire du premier banc de vide.
2.4.2.1 Méthode de la détection lumineuse par photoélectron unique Lorsque le ux de photons UVL est faible, on peut isoler les diérents photoélec- trons produits par le photomultiplicateur et les détecter séparément. L'enregistrement de la luminescence repose sur le principe du photoélectron unique, P.E.U., qui relie à chaque photon une impulsion électrique unique. La probabilité de détection des pho- tons sur la photocathode du photomultiplicateur suit une statistique de Poisson. La probabilité de recevoir n photons pendant un intervalle de temps ∆t est :
P (n, ¯n) = ¯n
n
2.4. SYSTÈME DE DÉTECTION DE LA LUMINESCENCE FLUORESCENTE 61 avec ¯ n = N .Ω ∆t ˆ 0 P (t).dt (2.4)
où ¯n est le nombre moyen de photons incidents reçu pendant ∆t (typiquement 5 ns). N est le nombre moyen de photons de uorescence émis par l'état excité et Ω est un facteur qui rend compte de l'angle solide de collecte et de la transmission des milieux traversés par les photons incidents. En n P (t).dt est la probabilité pour qu'un photon soit émis dans l'intervalle (t, t + dt) [Mil79].
Si plusieurs photons sont à l'origine d'une seule impulsion anodique, la résolution temporelle est perdue. Lorsque la photocathode d'un photomultiplicateur est faiblement illuminée, elle peut émettre des photoélectrons isolés qui peuvent être détectés séparé- ment. Dans le processus de détection, chaque photon a une probabilitéη de donner lieu à un électron, de sorte que le comptage des électrons suit aussi une loi de Poisson. L'équation 2.3 devient :
P (n, ¯n) = (η¯n)
n
n! exp(−η¯n) (2.5)
Sur l'ensemble des histogrammes enregistrés, représentatifs de l'évolution tem- porelle de la uorescence, le nombre moyen de photons détectés par ash laser est voisin de l'unité. Compte tenu du rendement quantique du photomultiplicateur, au maximum égal à 8 %, on peut estimer à 82 % le nombre des événements qui échappent à la détection, à 16 % le nombre des événements qui sont détectés à partir d'un pho- toélectron et à seulement 2 % le nombre des événements qui sont détectés par paquet de plus d'un photoélectron.
Le signal ampli é est envoyer alors vers un analyseur multi-échelle en passant par un discriminateur à fraction constante et une ligne de retard xée à 19.5 ns. Ce discriminateur délivre une impulsion négative mise en forme pour chaque impulsion anodique du photomultiplicateur. Un second discriminateur met en forme les impulsions venant de la photodiode qui détecte chaque impulsion laser.
2.4.2.2 Avantage de cette méthode
Cette méthode du P.E.U. permet la détection de ux photoniques extrêmement faibles. L'indication sur l'intensité lumineuse est donnée par un simple comptage des impulsions anodiques. Ainsi la durée de l'événement lumineux peut-être négligée par rapport aux uctuations sur le temps de transit des électrons dans le photomultipli-
Résolution temporelle 5 ns, 40 ns, 80 ns, 160 ns,...10 ms
Incertitude Bande Passante 1 ns +20 ppm
Enregistrement par canaux 0 à 32767
Nombre de canaux par enregistrement 1°k à 16°k (pas de 1°k)
Taux de Comptage maximum 200 MHz
Table 2.8 Caractéristiques de l'analyseur SR430
cateur. De ce fait on peut repérer avec précision l'instant d'arrivée d'un photon sur la photocathode et reconstituer la forme de l'impulsion lumineuse à partir du comptage d'un grand nombre d'événements. Un échantillonnage de l'impulsion lumineuse est ainsi fait et l'impulsion lumineuse est enregistrée sous la forme d'un histogramme.
2.4.2.3 Inconvénients
Le bruit de fond du photomultiplicateur est une limite à la sensibilité de la détec- tion photonique. Il existe une probabilité de détection de signal parasite issue dans le photomultiplicateur en l'absence de toute émission photonique. L'origine de ces impul- sions parasites peut provenir ou bien d'électrons émis spontanément par la photocathode ou bien des dynodes des diérents étages de l'ampli cation. Ces premières impulsions parasites peuvent perturber la détection puisqu'elles ont des amplitudes comparables à celles obtenus lors de réels eet photoélectrique [Sal84]. Dans notre cas, le bruit de fond n'excède pas 1 impulsion toutes les 100 secondes.