Les dispositifs à comptage de photons

Groupe ISIS, Département d'astrophysique extragalactique et de cosmologie, Observatoire de Meudon, 5 place Jules Janssen, 92195 Meudon, France

Résumé

Cet article recense les divers dispositifs à comptage de photons, utilisés en astronomie dans la partie visible du spectre. Leur principe repose sur une intensification en énergie des photons incidents, grâce à une conversion photon-électron par effet photoélectrique. Les différences technologiques entre les systèmes existant apparaissent selon l'utilisation des photoélectrons (multiplication et/ou accélération) et la cible utilisée (phosphore, photodétecteurs, anodes résistives ou conductrices...). Les dispositifs ayant donné lieu à des observations en astronomie sont présentés, ainsi que leurs performances techniques. Trois modes de lecture (parallèle, série, instantanée) distinguent, indépendamment de leurs caractéristiques techniques, les différents dispositifs. La lecture parallèle procure une excellente dynamique, mais pour un nombre de pixels très limité (< 500). La lecture série permet de faire du recentrage, mais limite la dynamique, au contraire de la lecture instantanée. Les effets de temps mort, qui déterminent la dynamique d'un système sont détaillés. Enfin, compte tenu de l'évolution actuelle des CCD à très faible bruit, il apparaît que le domaine d'utilisation du comptage de photons est limité aux très faibles rapports signal sur bruit, et dans la partie bleue du spectre visible. Néanmoins, toutes les applications nécessitant une lecture rapide et à faible bruit font partie de ce domaine d'utilisation.

Abstract

This paper is a review of the various photon counting systems, used in astronomy, at optical wavelengths. Their principle of operation lies on the intensification of the input photon energy, using photoemissive effect to convert photon into electron. Technological differences between available devices are introduced according to the processes applied to these photoelectrons (multiplication and/or acceleration), and their impact targets (phosphors, photodetectors, resistive or conductive anodes...). Two detection processes are involved : threshold discrimination above noise for most types of devices, and analog measurement for systems using resistive and wedge-and-strip anodes. The amplification gain is dependent upon both types and lies in the range 10^4 - 10^7. Devices currently used for astronomical observations are presented, and their performance characteristics. These devices are : photomultipliers, which are monopixel detectors, using multiplication with dynodes ; images intensifiers cameras, most frequently read with CCDs ; analog devices with resistive or wedge-and-strip anodes, behind microchannel plates (MCP) ; Digicons, using direct electronic bombardment ; the MAMA detector, with coincidence anodes behind MCP ; and then the PAPA detector using masks encoding readout. Regardless of the hardware distinctions already mentionned, a comparison of these devices is attempted on the basis of the various readout modes (parallel, serial and random). Parallel readout provide large dynamic range, but with a limited number of pixels (< 500). Serial readout can provide centroiding, but leads to poor dynamic range, as opposed to random readout. Dead time effects, which define the dynamic range are presented with some details. Finally, because of the improvement of low level readout noise devices (CCDs), the field of application of the photon counting techniques confines to the blue and the UV part of the spectrum, at low signal to noise ratios. Nevertheless, this technique remains the only available tool whenever quick look or temporal resolutions with low noise are seeked.