La série H7155 sont des têtes de comptage de photons compactes composées d’un
tube photomultiplicateur à boîtier métallique avec un compteur de photons à grande vitesse et un circuit d’alimentation haute tension. L’alimentation haute tension pour le tube photomultiplicateur et le niveau du discriminateur sont préréglés à des valeurs optimales,
permettant la mesure de comptage de photons en connectant simplement une alimentation + 5 V.
Le H7155-20 dispose d’un prescaler interne de division par 4. Ce prescaler améliore la linéarité de comptage par 4 par rapport au H7155.
Comment fonctionne le H7155 ?
Le H7155 contient :
- un tube photomultiplicateur (PMT),
- une alimentation haute tension intégrée,
- un amplificateur rapide,
- un discriminateur,
- une sortie logique TTL de comptage.
Lorsqu’un photon atteint la photocathode :
- il peut arracher un électron (effet photoélectrique),
- cet électron est multiplié par les dynodes du PMT,
- on obtient une impulsion électrique de plusieurs millions d’électrons,
- l’électronique interne compte cette impulsion comme 1 photon détecté.
Nombre minimum de photons
En théorie :
1 photon suffit
Le H7155 est capable de détecter un photon unique si :
- sa longueur d’onde est dans la plage spectrale du PMT,
- le photon atteint la photocathode,
- la probabilité de conversion photo-électronique (rendement quantique) n’est pas nulle.
Donc :
1 photon → 1 photoélectron → 1 impulsion comptée
mais seulement avec une certaine probabilité.
Rendement quantique
Supposons un rendement quantique de 20 % :
- 100 photons incidents → environ 20 comptés.
- 10 photons incidents → environ 2 comptés.
- 1 photon incident → 20 % de chance d’être compté.
Ainsi le H7155 peut compter des photons uniques, mais il ne détecte pas forcément chaque photon reçu.
Peut-il distinguer 1 photon de 2 photons ?
Pas vraiment.
Le H7155 est un système de comptage :
- 1 photon produit une impulsion.
- 2 photons arrivant très proches dans le temps produisent souvent une seule impulsion plus grande.
Le discriminateur interne transforme tout signal supérieur au seuil en :
1 comptage logique.
Ce n’est donc pas un détecteur résolvant le nombre exact de photons comme certains détecteurs supraconducteurs modernes (TES ou SNSPD).
Limite de vitesse
La version que vous montrez semble être un H7155-20.
Le « -20 » possède un pré-scaler interne ÷4 qui améliore la linéarité à fort flux.
Ordres de grandeur :
- H7155 : quelques MHz de comptage.
- H7155-20 : plusieurs MHz avec meilleure linéarité.
- Temps mort typique : quelques dizaines de ns.
Si deux photons arrivent pendant le temps mort, un seul sera compté.
Bruit de fond (dark counts)
Même dans l’obscurité totale, un PMT compte quelques événements parasites :
- émission thermoélectronique,
- radioactivité naturelle,
- bruit électronique.
Selon le tube utilisé, on observe typiquement :
- quelques dizaines à quelques centaines de coups/s,
- parfois moins après refroidissement.
Dans votre montage
Sur votre photo, le H7155 est relié à un fréquencemètre TTi TF830.
Le fréquencemètre affiche :
00000000ce qui indique qu’au moment de la photo :
- soit aucun photon n’est détecté,
- soit le PMT est masqué,
- soit le seuil ou l’alimentation n’est pas correct,
- soit le compteur est réglé sur une fenêtre de mesure très courte.
Normalement, même dans une pièce éclairée, un H7155 connecté à une fibre optique reçoit facilement des milliers à des millions de comptages par seconde
Le module HC120-23 est beaucoup plus ancien que le H7155. Il appartient à la série HC120 de Hamamatsu, qui intègre :
- un photomultiplicateur,
- l’alimentation haute tension,
- le diviseur de dynodes,
- un amplificateur de sortie analogique.
Le suffixe -23 désigne le type exact de PMT embarqué. Malheureusement je n’ai pas trouvé dans les documents publics la correspondance complète du tube interne pour la version -23.
Peut-il détecter un photon unique ?
Oui, le tube photomultiplicateur lui-même en est capable.
Un PMT n’a besoin que d’un seul photoélectron émis par la photocathode pour générer une impulsion de sortie mesurable grâce au gain interne de :
- 10⁵ à 10⁷ typiquement.
Le photon unique est donc transformé en une impulsion électrique contenant plusieurs millions d’électrons.
Mais attention
Le HC120-23 est un module analogique.
Contrairement au H7155 :
- il ne possède pas de discriminateur intégré,
- il ne possède pas de compteur intégré.
La sortie fournit des impulsions analogiques rapides qu’il faut :
- amplifier éventuellement,
- passer dans un discriminateur,
- compter avec un compteur rapide.
Sans discriminateur, le bruit du PMT sera mélangé aux véritables photons.
Combien de photons minimum ?
Physiquement :
1 photon.
Pratiquement :
cela dépend du rendement quantique de la photocathode.
Exemple :
- QE = 20 %
- 100 photons incidents → ≈20 comptés
- 10 photons incidents → ≈2 comptés
- 1 photon incident → 20 % de probabilité de détection
Donc un photon unique peut être compté, mais pas avec une efficacité de 100 %.
Comment vérifier facilement votre HC120-23 ?
Avec votre fréquencemètre TTi et un oscilloscope :
- alimentation +5 V,
- sortie du HC120-23 sur oscilloscope 50 Ω,
- obscurité totale.
Vous devriez observer :
- des impulsions aléatoires de quelques dizaines de mV à quelques centaines de mV,
- provenant du bruit de fond du PMT.
Si vous éclairez très faiblement l’entrée avec une LED atténuée ou une fibre optique, la fréquence des impulsions augmente fortement.
Ce qui m’intéresse
Le numéro 4282862 ressemble à un numéro de série.
Pour identifier précisément le tube interne, pourriez-vous photographier :
- l’étiquette complète du HC120-23,
- la face optique (entrée de lumière),
- le câble de sortie et les couleurs des fils.
1. Les H7155 : la fenêtre visible confirme un PMT « head-on »
Les deux H7155 au centre montrent clairement une fenêtre circulaire d’environ 8 à 10 mm. C’est la face sensible du photomultiplicateur.
On ne voit pas de photocathode directement car elle est déposée sur la face interne du verre. La surface jaune-or que l’on distingue est probablement le reflet de l’environnement à travers la fenêtre.
Ces modules sont conçus pour recevoir directement :
- un faisceau collimaté,
- une fibre optique avec adaptateur,
- ou une image optique focalisée.
Ils sont parfaitement adaptés au comptage de photons uniques.
2. Le HC120-23 est d’une génération différente
Le HC120-23 (face aluminium marquée 67-50014-00-001 REV D) ne présente pas une simple fenêtre optique mais un assemblage mécanique spécifique.
Les HC120 étaient construits autour d’un PMT latéral (« side-on ») avec alimentation haute tension Cockcroft-Walton intégrée et amplificateur analogique.
Cela explique pourquoi sa géométrie diffère fortement des H7155.
3. Le module Fore Spectrum
À gauche, on distingue :
P/N 0110-3460B
Fore Spectrum
Ce n’est vraisemblablement pas un PMT mais un élément optique du système :
- support de fibre,
- séparateur spectral,
- filtre,
- ou tête de réception.
Le logement central de forme inhabituelle laisse penser à un composant destiné à être intégré dans une chaîne optique de laboratoire.
4. Ce qui m’intrigue le plus
Sur le module le plus à droite, on voit une petite tache bleue lumineuse.
Peux-tu me dire :
- est-ce réellement une LED allumée ?
- ou seulement un reflet sur la photo ?
Si c’est une LED, cela signifie que ce module est alimenté lors de la prise de vue.
5. Une expérience que tu peux faire
Comme tu possèdes deux H7155 identiques, tu peux réaliser une expérience très intéressante.
Place :
- une LED très atténuée devant les deux modules,
- à travers une lame séparatrice 50/50.
Chaque photon incident a alors statistiquement une chance d’aller vers l’un ou l’autre détecteur.
Tu peux mesurer :
- le taux de comptage de chaque H7155,
- les coïncidences entre les deux.
C’est exactement le type de montage utilisé dans les expériences de corrélation de photons et l’effet Hanbury Brown–Twiss.
6. Nombre de photons minimum réellement détectables
Pour répondre précisément à ta question initiale :
Oui, le H7155 détecte des photons uniques.
En pratique :
- 1 photon incident → probabilité de détection typiquement 10 à 30 % selon la longueur d’onde.
- 1 photoélectron détecté → 1 impulsion TTL en sortie.
- Le compteur ne mesure pas l’énergie du photon ; il compte simplement les événements détectés.
Le rendement quantique exact du H7155 dépend du photomultiplicateur interne utilisé. Le H7155 est une famille de modules, et Hamamatsu a monté plusieurs variantes selon les années.
D’après les caractéristiques visibles du H7155 standard, la réponse spectrale est généralement :
- environ 300 nm à 650 nm
- maximum vers 420 nm
6Pour un PMT bialcali typique (très probable dans le H7155), le rendement quantique est approximativement :
Longueur d’onde Rendement quantique QE 300 nm 10–15 % 350 nm 20–25 % 400 nm 22–28 % 420 nm (pic) 25–30 % 500 nm 15–20 % 550 nm 8–12 % 600 nm 2–5 % 650 nm <1 % Ces valeurs sont cohérentes avec les photocathodes bialcali utilisées dans les PMT de comptage de photons Hamamatsu.
Exemple pratique
Si 100 photons arrivent sur la photocathode :
À 420 nm :
- QE ≈ 25 %
- environ 25 photoélectrons sont créés
- le H7155 comptera environ 25 événements.
À 633 nm (laser HeNe) :
- QE ≈ 1 à 3 %
- seulement 1 à 3 photons détectés sur 100.
Cas des longueurs d’onde qui vous intéressent
Pour vos expériences laser :
Laser Longueur d’onde Détection H7155 Azote 337 nm Très bonne Argon 488 nm Très bonne Argon 514 nm Bonne Nd:YAG doublé 532 nm Bonne HeNe 633 nm Faible Nd:YAG 1064 nm Pratiquement nulle Ho:YAG 2100 nm Nulle Les photocathodes bialcali cessent pratiquement de fonctionner au-delà de 700 nm.
Nombre minimum de photons détectables
Le H7155 fonctionne réellement en régime :
photon unique
Lorsqu’un seul photon crée un photoélectron, le PMT produit typiquement un gain :
G≈106 aˋ 107G\approx10^{6}\text{ à }10^{7}
Ainsi un unique photoélectron devient une impulsion électrique suffisamment grande pour franchir le discriminateur interne et être comptée.
