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Un détecteur à comptage de photons pour les expériences pompe et sonde-sonde résolues en temps au Synchrotron SOLEIL

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En général, lors d'une expérience pompe-sonde résolue en temps, l'échantillon est excité par une impulsion laser ultra-courte (la pompe), et les modifications de sa structure atomique ainsi induites sont étudiées grâce à la mesure, avec un détecteur à pixels 2-D et après un retard contrôlé précisément, d'une figure de diffraction issue d'un seul paquet de rayonnement synchrotron (la sonde). Ce type de dispositif est déjà en place sur la ligne de diffraction des rayons X CRISTAL. Le Groupe Détecteurs de SOLEIL, en collaboration avec l'équipe de CRISTAL, propose d'améliorer ce schéma classique en sondant la réponse de l'échantillon après deux retards distincts par rapport à l'excitation laser. Après un retard court, la première mesure, permet d'étudier la dynamique photo-induite. La seconde mesure est une mesure de référence, faite après la relaxation de l'échantillon et permettant ainsi de détecter et de compenser les biais expérimentaux (mouvements du faisceau, dégradation de l'échantillon, …). Pour ce faire, un détecteur prototype, conçu par l'AGH-UST (Cracovie, Pologne), a été testé intensivement sur les lignes de lumière MÉTROLOGIE et CRISTAL.

Ce prototype est un détecteur à pixels hybride, fonctionnant en mode de comptage de photons (Figure 1).  Le circuit de lecture se caractérise par une électronique frontale très rapide (85 ns de temps mort), un bruit très faible (123 e-) et un gain ajustable. La matrice de pixels se compose de 256 lignes de 128 pixels, et la taille du pixel est de 75 µm × 75 µm. Chaque pixel est, de plus, doté de deux discriminateurs indépendants et de deux compteurs  de14 bits. 

 

Figure 1 : Principe des détecteurs à pixels hybrides (à gauche) et schéma de l'électronique de lecture d'un pixel (à droite).

Lors des mesures sur les lignes de lumière, le mode de remplissage de la machine était le mode "hybride", avec un paquet d'électrons isolé au centre de l'un des quarts de l'anneau de stockage, les trois autres quarts étant uniformément remplis. Le paquet isolé est équidistant des zones uniformément remplies, et séparé de ces dernières par 147,64 ns.

Pendant ces tests, deux bits des compteurs de chaque pixels étaient lus à la fréquence de 11.8 kHz. Avec une ouverture de fenêtre temporelle de 120 ns, le détecteur est capable de mesurer précisément le paquet isolé, avec une uniformité de réponse temporelle de 50 ns (Figure 2). Bien qu’une baisse du taux de comptage soit mesurée, due à l'effet d'empilement à haut flux de photons (au delà de 108 photons par seconde et par mm2),  aucune différence significative n'apparaît dans la région du paquet isolé. Cette mesure confirme donc que ce détecteur prototype peut être utilisé lors d'expériences en temps résolu, à très haut flux de photons. 

 

Figure 2 : Flux de photons dans le mode de remplissage "hybride" de l'anneau de stockage, mesuré par le détecteur à pixels hybrides et calculé à partir du courant réel par paquet d'électrons (à gauche). figure mesurée à différentes intensités du faisceau de photons (à droite. l'intensité mesurée est corrigée du facteur d'atténuation, la diminution dans les régions de remplissage uniforme est due à l'effet d'empilement).

En outre, la faisabilité d'expériences pompe et sonde – sonde a pu être démontrée grâce à une série d’images prises dans la même acquisition avec deux retards différents (Figure 3). La première image est synchronisée avec le paquet isolé, et la seconde avec plusieurs paquets diamétralement opposés dans l'anneau de stockage. Le rapport entre les intensités moyennes de chaque image correspond précisément à la valeur attendue. 

 

Figure 3 : Images obtenues dans le mode pompe-sonde-sonde  avec la même ouverture temporelle avec un retard correspondant au paquet isolé (à gauche) et un retard correspondant aux paquets diamétralement opposés. 

Grâce à ces résultats très concluants, le Groupe Détecteurs de SOLEIL a donc entrepris le développement d'un détecteur de petite taille, spécialement dévolu aux expériences résolues en temps avec l’Université AGH de Cracovie.