LE SIMAC : UTILISATION AVEC UNE PLAQUE PHOTOGRAPHIQUE OU UNE CAMÉRA ÉLECTRONIQUE

(1)

HAL Id: jpa-00213219

https://hal.archives-ouvertes.fr/jpa-00213219

Submitted on 1 Jan 1967

HAL is a multi-disciplinary open access archive for the deposit and dissemination of sci- entific research documents, whether they are published or not. The documents may come from teaching and research institutions in France or abroad, or from public or private research centers.

L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est destinée au dépôt et à la diffusion de documents scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, émanant des établissements d’enseignement et de recherche français ou étrangers, des laboratoires publics ou privés.

LE SIMAC : UTILISATION AVEC UNE PLAQUE PHOTOGRAPHIQUE OU UNE CAMÉRA

ÉLECTRONIQUE

R. Chabbal, Ph . Bied-Charreton, R. Pelletier

To cite this version:

R. Chabbal, Ph . Bied-Charreton, R. Pelletier. LE SIMAC : UTILISATION AVEC UNE PLAQUE PHOTOGRAPHIQUE OU UNE CAMÉRA ÉLECTRONIQUE. Journal de Physique Colloques, 1967, 28 (C2), pp.C2-209-C2-214. �10.1051/jphyscol:1967238�. �jpa-00213219�

(2)

JOURNAL DE PHYSIQUE Colloque C 2, supplément au no 3-4, Tome 28, mars-avril 1967, page C 2

-

209

LE SIMAC

:

UTILISATION AVEC UNE PLAQUE PHOTOGRAPHIQUE OU UNE CAMÉRA ÉLECTRONIQUE

R. CHABBAL, Ph. BIED-CHARRETON et R. PELLETIER Laboratoire Aimé Cotton, CNRS, 92-Bellevue, France

Résumé. - Le SIMAC est une des méthodes qui permet de réduire le temps d'étude d'un spectre par utilisation d'un multirécepteur constitué par l'association d'un spectromètre Fabry-Pérot et d'un spectrographe à réseau, il permet le balayage simultané d'un très grand nombre d'ordres de ce Fabry-Pérot. Deux instruments ont été réalisés sur ce principe. Associé à une plaque photographique, le SIMAC possède une luminosité égale ou supérieure à celle des plus grands spectrographes à réseau avec une rapidité maximum plus grande et un encombrement plus réduit. Associé à une caméra électronique, il permet de tirer partie des qualités de linéarité et de rendement quantique élevé de ce récepteur, sans trop limiter l'intervalle spectral explorable.

Abstract. - The SIMAC allows one to reduce the time of a spectroscopic experiment by using a multireceiver. The different orders of a Fabry-Perot spectrometer are dispersed by a grating spec- trograph with a sliding multireceiver. If this receiver is a photographic plate, the luminosity is comparable to that of the largest grating spectrographs, with a higher rapidity and a smaller size.

Using an electronic camera, it takes advantage of the high quantum efficiency and good linearity of this receiver without reducing the spectral range studied.

1. Introduction. - INTÉRÊT ^DES MULTIRÉCEPTEURS DANS LE VISIBLE. Les spectromètres, s'ils permettent l'emploi d'un récepteur linéaire et de rendement quantique élevé, ont en général le défaut de n'étudier le spectre qu'élément par élément, ce qui conduit à des expériences d'une extrême longueur dès que la résolu- tion est élevée ou la brillance des sources faible ; les méthodes multiplex permettent bien l'étude simultanée de tous les éléments spectraux mais, basées sur l'emploi d'un récepteur unique, elles cessent d'être vraiment avantageuses dès que le bruit de ce récepteur est négli- geable par rapport au bruit dû aux photons ; dans ce cas c'est-à-dire dans tout le domaine visible et ultra- violet, la seule méthode efficace consiste à utiliser simultanément plusieurs récepteurs, en nombre égal au nombre d'éléments spectraux que l'on désire simul- tanément étudier. C'est ce que réalise une méthode multicanal telle que le Fafnir [l] ; mais accroître le nombre des récepteurs classiques, tels que des photo- multiplicateurs, est une opération coûteuse à tout point de vue, ce qui limite à 10 ou 20 le gain réalisable.

Si l'on désire aller plus loin il faut s'adresser à des récepteurs spécialement conçus, tels que la caméra électronique, l'orthicon et, bien entendu, la plaque photographique ; seul le premier de ces multirécep- teurs possède, en principe, les qualités de linéarité et de rendement quantique équivalentes à celles d'un photomultiplicateur.

L'étude simultanée des M éléments spectraux juxta- posés à l'aide d'un multirécepteur n'est pleinement réalisable que par un spectrographe à fente, qui retransmet vers le plan récepteur tout le flux incident mais dans des directions qui dépendent de la longueur d'onde, donc qui convertit le faisceau incident en M faisceaux émergents de même étendue et aboutissant aux différents éléments du multirécepteur. Avec les instruments à grands flux, tels que le Fabry-Pérot suivi d'un spectrographe à réseau il n'y a pas de solution parfaite, car 1/N seulement des éléments spectraux sont transmis pour une valeur donnée de la différence de marche (l'énergie correspondant aux autres élé- ments étant renvoyée vers la source). Pour étudier tous les éléments il faut donc donner à l'interféromètre plusieurs différences de marche, soit simultanément en fournissant le faisceau compris entre deux anneaux, soit successivement en faisant varier l'épaisseur optique et en déplaçant le multirécepteur dans son plan pour associer les différents éléments spectraux aux différents points de ce multirécepteur. Dans le premier cas, on est amené pratiquement à formx un ensemble d'anneaux de Fabry-Perot dans le plan focal d'entrée du spectrographe à réseau ; mais ou bien on place dans ce plan une fente et la plus grande partie du flux apportée par le Fabry-Perot est alors arrêtée par cette fente ; ou bien on photographie l'ensemble des anneaux mais le cliché est d'interprétation difficile et on retombe

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphyscol:1967238

(3)

C 2

-

²¹⁰ ^R.CHABBAL, PH. BIED-CHARRETON ET R. PELLETIER sur le risque d'avoir plus d'un élément spectral par

élément spatial du multirécepteur, c'est-à-dire d'utiliser un récepteur à la détection simultanée de plusieurs éléments spectraux.

Dans le deuxième cas, on a affaire à un processus semi-séquentiel : c'est le SIMAC déjà décrit [2] dont on va maintenant rappeler le principe et étudier les performances.

II. Principe du SIMAC. - On place en série un spectromètre Fabry-Pérot de modèle classique (SI) puis un spectrographe à réseau (S,) dont l'objectif de chambre éclaire un multirécepteur, disons une plaque photographique, qui peut se déplacer dans son plan perpendiculairement à la direction de dispersion du réseau (Fig. 1). Les pupilles des deux appareils sont

Sr

conjuguées deux à deux (de préférence le Fabry-Perot conjugué du diaphragme d'entrée du spectrographe et le trou de sortie du spectromètre Fabry-Perot conju- gué du réseau). Supposons le SIMAC éclairé par un spectre continu uniforme ; le spectrographe S2 reçoit du spectromètre SI le spectre cannelé du Fabry-Perot et forme sur le multirécepteur une série d'images alignées du diaphragme d'entrée de SI correspondant aux différents pics de ce spectre cannelé (Mo,, Mo,

+

1, etc

...

de la Fig. 2).

DE LA PLAQUE

D~SPERS~ON DU RESEAU

--

L'exploration du spectre consiste alors à effectuer simultanément les deux opérations suivantes :

a) Faire varier l'épaisseur optique du Fabry-Perot depuis d = n. e jusqu'à d' = n

.

e

+

Â,/2 (2, : longueur d'onde maximale du spectre étudié) ; la fonction d'appareil du Fabry-Pérot se déplace alors de A o le long de l'axe des o et les différents pics explorent tout le spectre.

b) Déplacer le multirécepteur dans son plan perpendiculairement à la direction du réseau ; les différentes images d'entrée décrivent alors des segments de droite quasi parallèles ayant leur origine aux différentes images Mo,, Mo,

+

1, etc

...

Selon les cas le diaphragme d'entrée du spectrographe et les images spectrales correspondantes peu- vent être :

- un trou circulaire (cas de la Fig. 21,

- une fente très courte dont les images sont alignées perpendiculairement aux segments,

- une fente très courte dont les images sont alignées le long des segments. Dans le premier et le deuxième cas le déplacement du multirécepteur doit être égal à N.g (N : coefficient de finesse, g : limite de résolution de la plaque photographique) ; dans le troisième cas ce déplacement doit être multiplié par un facteur égal au rapport hauteurflargeur de la fente utilisée à l'entrée du spectrographe.

Dans l'utilisation pratique on commence toujours par illuminer rapidement l'appareil par un spectre de lumière blanche qui donne l'origine des segments de balayage. Ensuite l'appareil est éclairé par la source à utiliser, le spectre se présentant sous la forme d'une série de points (ou segments) correspondant aux diffé- rentes raies du spectre et alignés le long des segments de dispersion. L'exploration est, dans la pratique, poursuivie jusqu'à ce que environ un ordre et demi du Fabry-Perot ait été exploré, de façon à obtenir deux fois certaines raies du spectre, ce qui étalonne la dispersion le long des segments. A la fin de l'enregistrement l'appareil est à nouveau éclairé en lumière blanche, ce qui donne la fin des segments d'exploration. Enfin un spectre du fer permet de situer les spectres cannelés de lumière blanche qui viennent d'être décrits et l'éta- lonnage en longueur d'onde du spectre recherché est complètement obtenu.

III. SIMAC utilisant une plaque photographique.

Description et résultats. - Cet instrument a déjà été décrit. L'équipement Fabry-Perot est tout à fait conventionnel ; les conjugaisons sont celles d'un Hypéac, c'est-à-dire que le Fabry-Perot est conjugué du diaphragme d'entrée du spectrographe tandis que le diaphragme de sortie du Fabry-Pérot est conjugué du réseau [3]. Le spectrographe est équipé d'un colli-

(4)

LE SIMAC : UTILISATION AVEC UNE PLAQUE PHOTOGRAPHIQUE C 2 - 2 1 1 mateur parabolique et d'un réseau 128 x 256 mm, plomb et du terbium (Fig. 5) ; la résolution obtenue d'angle de Blaze 630. La chambre photographique est de l'ordre de 1 000 000, le nombre d'ordres du actuelle comporte un objectif catadioptrique ouvert Fabry-Perot simultanément étudié est d'environ de à f/2 ; elle donne des images correctes dans un champ 2 000, les temps de pose sont de l'ordre de quelques de 12O (dimension utile du film 8 x 60 mm) (Fig. 3). minutes. Il n'a pas encore été possible de tester de

FIG. 3. - SIMAC photographique, on reconnaît le Fabry-Pérot (en haut, au centre)

et le spectrographe (REOSC) ; dans cet appareil c'est le porte-film qui se déplace par rapport au spectre.

L'appareil est utilisé depuis plus de deux ans, essen- façon définitive les qualités de linéarité et de rendement tiellement à des recherches de déplacements isotopi- quantique de la caméra.

ques, le pouvoir de résolution est de l'ordre de 1 000 000,

le nombre d'ordres du Fabry-Perot étudiés simulta- V. Etude de la luminosité photographique. - La nément est d'environ 2 O00 ; les temps de pose sont discussion qui va suivre s'appuie sur les résultats d'une de l'ordre de une heure pour l'étude d'une cathode étude qui paraîtra prochainement et dont les conclu- creuse à faible courant. sions sont essentiellement les suivantes :

IV. SIMAC utilisant une caméra électronique. Des- cription et résultats. - La caméra électronique a été construite dans le laboratoire de A. Lallemand sous la direction de M. Duchesne [4]. La couche photo- électrique a pour diamètre 18 mm. L'Optique électro- nique utilisée permet, dans l'état actuel de son réglage, de résoudre 30 double-traits par mm. Le spectrographe utilise deux réseaux croisés, l'objectif de chambre à 40 cm de longueur focale (Fig. 4). L'ensemble fera ultérieurement l'objet d'une description plus précise.

De nombreux essais ont déjà été effectués et ont permis, en particulier, d'obtenir des structures hyperfines du

- Pour un spectrographe donné (caractérisé par le réseau, la fente d'entrée et le collimateur utilisés), le rapport p 2 / t (p rapport signallbruit et t temps de pose) est une constante, à source et récepteur donnés.

Ce rapport p 2 / t est proportionnel au flux amené sur chaque image spectrale ; il dépend de l'instrument par l'intermédiaire du produit T. = UT, U étant l'éten- due de faisceau aboutissant à cette image spectrale et T le rapport du nombre de photons en moyenne à l'image spectrale par seconde, par stéradian et par unité de surface au nombre de photons émis par la source par seconde, par stéradian et par unité de

(5)

C 2 - 2 1 2 R. CHABBAL, PH. BIED-CHARRETON ET R. PELLETIER

FIG. 4. - SIMAC photoélectrique A. Fabry-Perot

.

B. Disperseur principal. Caméra électronique :

C. Disperseur croisé. F. Couche photoélectrique.

D. Diasporamètre (assure le déplacement de l'image). G. Optique électronique.

E. Obiectif. H. Magasin de plaques.

FIG. 5. - SIMAC photoélectrique.

Comparaison de deux enregistrements simultanés d'une structure hyperfine de la raie du terbium.

(6)

LE SIMAC : UTILISATION AVEC UNE PLAQUE PHOTOGRAPHIQUE C 2 - 213

surface. La quantité C. = U . z sera appelée la lumi- nosité photographique.

- A condition d'accepter de réduire le rapport signaIlbruit on peut diminuer le temps de pose en raccourcissant la longueur focale de l'objectif de chambre ; cependant, il n'est pas possible à cause du grain de la plaque (G) de trop réduire cette longueur focale (F 2 Fmi, = GRIAD) ce qui impose une borne inférieure au temps de pose. n o est donc aussi amené à caractériser un spectrographe par son ouverture maximum SL, = SIF2, étant entendu qu'il est recom- mandé d'utiliser ce même spectrographe avec des chambres photographiques de plus grande longueur focale si on s'intéresse plus à accroître le rapport signal/bruit qu'à diminuer le temps de pose.

LUMINOSITÉ PHOTOGRAPHIQUE DU SIMAC. Pour le SIMAC le coefficient z vaut zo/NR où z0 est la trans- parence de l'instrument et NR la finesse réflectrice.

L'étendue horizontale U est en général délimitée par le spectrographe et vaut U = 2 M Nq sini/R ( N finesse effective et q rapport de la bande passante du spectro- graphe à l'intervalle entre ordre du Fabry-Pérot;

q ⁼1 si le spectrographe est intégral). Nous envisa- gerons le cas simple où l'étendue verticale est aussi limitée par le spectrographe à réseau (c'est en général le cas lorsqu'on travaille à très haute résolution) :

U, =

P.

H. Nous avons alors

2 S sin i N z C = z o q j j - - - . - = q-of'

R NR ^{Z R}

en appelant f' la luminosité photographique du spectrographe à réseau qui serait utilisé seul pour fournir la résolution R et zR la transparence qu'aurait alors ce

r

spectrographe. On voit que peut être inférieur à 1

i

(dans le cas intégral et si z , est inférieur à 7,) ; ce rapport est en fait en général pratiquement quelque peu supérieur à 1 (de l'ordre de 10) dans le cas qui nous intéresse de la spectrographie d'émission à très haute résolution : parce que d'une part q peut être choisi au moins égal à 5, que d'autre part la résolution désirée (de l'ordre de 1000 000) est extrêmement proche de la résolution théorique maximum que l'on peut obtenir des réseaux actuels et que dans ces condi- tions le coefficient zR est très faible.

RAPIDITÉ MAXIMUM. On vient de voir que le SIMAC a une luminosité qui n'est guère supérieure à celle du spectrographe auquel il est associé. Il y a en revanche un gain notable sur l'ouverture maximum que l'on peut donner à l'objectif de chambre. En effet, sa lon- gueur focale peut être qN fois plus courte que celle de

l'objectif qui devrait équiper le même spectrographe à réseau devant fournir tout seul la résolution R. Le gain en ouverture est alors (qiQ2 et en rapidité q2 N.

Ce gain peut être énorme pour les spectres peu denses ; il sera alors limité par les performances des construc- teurs en matière d'objectifs à grande ouverture et à grand champ. Mais il faut d'autre part, insister sur le fait que si ce gain est totalement exploité, le rapport signaIlbruit sera notablement inférieur à celui qu'aurait fourni le spectrographe à réseau utilisé seul, puisque la luminosité, donc le produit pz. llt, sont à peu près égaux dans les deux cas.

Le SIMAC peut aussi être comparé au spectrographe Fabry-Pérot conventionnel. Une discussion détaillée sera publiée ailleurs et amène à une légère supériorité du spectrographe conventionnel en ce qui concerne la luminosité ; un léger avantage du SIMAC pour la rapidité maximum.

VI. Luminosité du SIMAC utilisée avec une caméra électronique. - Le gain en rendement quantique, donc en luminosité obtenu en passant du récepteur photographique à la caméra électronique dépend de nombreux facteurs et en particulier du domaine spectral à étudier. On peut estimer qu'il est compris entre 20 et 100. Un des graves inconvénients de la caméra électronique est cependant la faible dimension de l a couche photoélectrique (diamètre 18 mm) qui, en spectrographie classique, ne permet d'étudier qu'un petit nombre d'éléments spectraux, limité à 500 dans le sens de la dispersion principale, limité pratiquement à quelques unités dans la direction perpendiculaire (ceci de façon non fondamentale, par la faible qualité des réseaux à petit nombre de traits qui seraient néces- saires pour travailler dans le visible avec un grand angle de blaze et un ordre d'interférence très élevé). En fait, à résolution élevée, il est pratiquement impossible, avec un spectrographe conventionnel à dispersion croisée, d'étudier plus d'une quinzaine d'A à la fois.

En revanche, le principe même du SIMAC lui permet de multiplier par un facteur de l'ordre de 25 le nombre d'éléments spectraux étudiables (celui-ci devient de l'ordre de 75 000, ce qui couvre un domaine spectral de l'ordre de 1 500 cm-' à la résolution IO6).

En fait l'intirêt principal que l'on peut attendre d e la caméra électronique est que ce récepteur est linéaire (jusqu'à une densité de 1,2), et de façon générale pré- sente les mêmes avantages que le photomultiplicateur.

C'est donc à un spectromètre Fabry-Perot que doit être comparé le SIMAC. Le gain sur le temps de l'expé- rience est alors égal au nombre d'ordres du Fabry- Perot simultanément étudiables, c'est-à-dire environ 2 000 dans les cas pratiquement étudiés. Pratiquement

(7)

C 2 - 214 R. CHABBAL, PH. BIED-CHARRETON ET R. PELLETIER le nombre de structures réellement intéressantes est

largement inférieur au nombre d'intervalles en ordres du Fabry-Pérot.

Les premiers essais semblent montrer que la qualité des enregistrements, obtenus en microphotométrant les clichés pris à la caméra électronique, est notablement inférieure à celle que fournit un photomultiplicateur, quant au rapport signallbruit, ceci n'enlevant rien aux avantages précédemment décrits.

Conclusion. - Basé sur l'utilisation simultanée des différents ordres du Fabry-Perot, le SIMAC est une variété du spectrographe Fabry-Perot classique. Asso- cié à une plaque photographique il constitue un instrument dont le gain de luminosité est modeste mais qui fournit de très hautes résolutions et une bonne lumi-

nosité avec un encombrement très réduit. Couplé avec une caméra électronique ses possibilités s'an- noncent intéressantes. Il permet mieux que tout zïutre instrument de tirer partie de ce récepteur dont il est souhaitable de voir les très hautes performances appli- quées à la spectroscopie.

Bibliographie

[l] PLATZ (P.) et HIRSCHBERG (J.), C. R. Acad. Sci., Paris 1965, 261, pp. 1207-1210.

[2] CHABBAL (R.) et PELLETIER (R.), Jap. J. Appl. Physics, 1965, 4, Sup 1.

[3] CHABBAL (R.) et JACQUINOT (P.), Revue d'optique, 1961, 40, 4, pp. 157-170.

[4] LALLEMAND (A.), DUCHESNE (M.) et WLERICH (G.), Adv. Electron. and Electron Phys., 1960, XII, p. 6.