Supplément 1.10: Détecteurs de rayonnement      (2/5)

Détecteurs quantiques    (1/4)

Les détecteurs thermiques mesurent la chaleur générée par l'absorption du rayonnement. Le rayonnement peut être considéré ici comme une onde électromagnétique ou comme des photons. Dans le cas des détecteurs quantiques, le processus de mesure ne peut être expliqué par le modèle de l'onde électromagnétique. L'échec de la physique classique s'était déjà produit dans le cas du rayonnement thermique. La solution à ce dilemme remonte à Max Planck, qui a introduit avec succès en 1900 le modèle des photons pour expliquer le rayonnement thermique. Sur cette base, Albert Einstein a pu interpréter en 1905 le phénomène appelé effet photoélectrique, à savoir la sortie d'électrons de surfaces métalliques irradiées, qui n'avait pas non plus été compris jusqu'alors. Les détecteurs dont le fonctionnement repose sur l'effet photoélectrique sont donc des détecteurs quantiques. Il s'agit notamment des photodiodes à vide, qui ne sont plus utilisées, des photomultiplicateurs (ou multiplicateurs de photoélectrons), des photodiodes à semi-conducteurs, des phototransistors et des photodiodes à avalanche.

Photodiodes à vide

Ces détecteurs, également appelés cellules photoélectriques à vide, se composent d'une photocathode et d'une anode disposées dans un tube en verre sous vide. Les électrons libérés par le rayonnement de la photocathode sont accélérés vers l'anode par une tension externe d'environ 10 à 100 V et captés par l'anode. C'est ce qu'on appelle le courant photoélectrique. Il ne doit pas dépasser environ 10 µA, sinon la proportionnalité entre le courant photoélectrique et l'intensité du rayonnement, c'est-à-dire la linéarité du détecteur, peut être perdue.

La photodiode à vide modèle 935 de la société RCA, États-Unis, l'une des premières photodiodes disponibles sur le marché à partir de 1950. Le demi-cylindre métallique dans le tube est la photocathode. Le fil métallique disposé axialement au centre est l'anode, qui est reliée de manière conductrice au capuchon métallique sur le tube en verre. L'une des broches sur le socle est la connexion de la photocathode. Le tube en verre a un diamètre de 30 mm.

Même dans l'obscurité, un très faible courant d'environ 0,1 à 1 nA circule, appelé courant d'obscurité. Il est généré par des électrons dont l'énergie est nettement supérieure à l'énergie cinétique moyenne E≈kT et supérieure au travail d'extraction de la cathode, et qui passent ainsi de la cathode dans le vide ; k=1,38·10^-23 J/K est la constante de Boltzmann et T est la température absolue. Le travail d'extraction peut également être décrit comme l'énergie de liaison des électrons dans la cathode ; il doit être surmonté pour libérer les électrons dans le vide. Le courant d'obscurité d'origine thermique peut être considérablement réduit en refroidissant la photodiode lorsque de très faibles luminosités doivent être mesurées.

La fiche technique de la photodiode modèle RCA 935 ↓ ↑

Les images suivantes montrent les données de la photodiode avec les spécifications, les dimensions en pouces et les courants anodiques en fonction de la tension de service pour des valeurs d'éclairage comprises entre 0,02 et 1,0 lumen. Le lumen est une unité de mesure du flux lumineux total d'un luminaire ; ici, il sert à représenter la quantité de lumière qui tombe sur la photocathode. Les courbes montrent que le courant anodique augmente proportionnellement à la luminosité, la photodiode étant ainsi un récepteur linéaire.

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Fiche technique de la photodiode à vide modèle RCA 935 de 1950. La photodiode a été développée dans les années 1940.

Câblage d'une photodiode à vide.

La figure de droite représente le montage d'une photodiode. Une tension U, dont l'amplitude est réglable, assure l'accélération vers l'anode des électrons libérés par la cathode sous l'effet de la lumière (flèches vertes). Le courant photoélectrique I_photo circulant à travers la résistance R génère une tension de sortie négative U_a=-R·I_photo. La flèche de direction sur I_photo indique le sens du flux d'électrons ; il est inverse au sens technique du courant. À la place de la résistance, on peut également utiliser un ampèremètre avec une plage de mesure inférieure à 1 µA.

La tension U peut atteindre plusieurs volts et peut être augmentée jusqu'à 250 V maximum pour le RCA 935. Des tensions élevées entraînent des temps de transit très courts pour les électrons (c'est-à-dire le temps de vol des électrons de la cathode à l'anode) d'environ 3 ns. La transition entre la cathode et l'anode présente alors également une dispersion temporelle réduite, ce qui améliore les propriétés à hautes fréquences.

La mesure d'impulsions courtes de l'ordre de la nanoseconde reste toutefois difficile en raison des capacités parasites de la cathode et de l'anode, de l'ordre de $C_{para}\approx \mathrm{0<mo>,</mo>6}\text{pF}$. Elle nécessiterait une petite résistance $R\approx 50\Omega$, couramment utilisée en technique haute fréquence, pour atteindre des fréquences limites élevées $f_g=1/\left(2\pi R{C}_{para}\right)$. La tension du signal U_a reste alors toutefois très faible. Cet inconvénient est résolu grâce au photomultiplicateur présenté dans la section suivante.

Pour la mesure de signaux lumineux variant lentement, des résistances de l'ordre de R=1 à 10 kΩ sont adaptées afin d'obtenir des tensions de signal facilement mesurables. Un inconvénient qui survient lorsque R prend des valeurs élevées est que la tension du signal peut devenir trop importante. Si U_a se rapproche de la tension cathodique U, les photoélectrons ne disposent pas de la tension d'accélération nécessaire et leur passage vers l'anode est entravé. Cet effet peut être évité à l'aide d'un amplificateur supplémentaire, comme le montre le schéma ci-dessous.

Circuit d'une photodiode à vide avec amplificateur opérationnel.

La fonction de l'amplificateur opérationnel (OP) est de minimiser la différence de tension entre son entrée inverseuse (-) et son entrée non inverseuse (+). Il règle donc le potentiel à l'entrée inverseuse à zéro. Pour ce faire, il génère une tension de sortie U_a qui entraîne un courant traversant la résistance R de telle sorte que la somme des courants à l'entrée inverseuse soit nulle (loi de Kirchhoff). Le courant traversant R est donc égal à -I_photo, et la tension entre la cathode et l'anode, c'est-à-dire la tension d'accélération des photoélectrons, ne varie pas. En raison de l'utilisation de l'entrée inverseuse, la tension de sortie a un signe inverse par rapport au circuit plus simple présenté ci-dessus, qui ne comporte pas d'OP.