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Submitted on 1 Jan 1960
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Réalisation d’une chambre à brouillard de Wilson
autocommandée, à pression variable, d’un type nouveau.
II
Toshiko Yuasa, Guy Corbe, Fernand Reide
To cite this version:
I. Introduction. -- En
vue d’étudier certains
phénomènes
concernant lesparticules
chargées
de faible parcours,particulièrement
lesphénomènes
liés aux atomes de recul lors de ladésintégration
des a ou desP,
nous avons construit une chambre à brouillard de Wilson autocommandée[1]
qui
peut
fonctionner dans un intervalle depression
compris
entre 1cmHg
et 76cmHg.
Cette chambre est
spécialement
conçue poursatisfaire aux conditions suivantes nécessitées par
le fonctionnement à une très basse
pression
et en« autocommande o ; ;
compensation rapide
de laforce exercée vers le haut sur le
piston-membrane
due à la bassepression
dans lachambre,
instanta-néité de déclenchement de la détente et
rapidilé
de la détente du
piston.
Lapremière
et la troisième condition sont satisfaites par l’action d’un ressortde
compensation
trèspuissant
(voir
fig.
1-b de(1)).
Laseconde, grâce
à une soupapeélectromagnétique
très
rapide
utilisée pour la sortie de l’aircomprimé
qui
maintient lepiston-membrane.
Il y a une autre condition à satisfaire pour
qu’une
telle
chambre à
bassepression
et autocommandéepuisse
fonctionner ;
le programme dans letemps,
«
timing
», des diversesopérations
d’uncycle
dedétente,
doit être en effetprécise.
C’est
pourquoi
nous avons utilisé unsystème
de commande entièrement
électronique
en évitantl’usage
des micro-contacteurs commandés par un moteur. Ceprocédé
permet
en mêmetemps
unegrande souplesse de réglage.
Nous
,avons employé
commebase,
lesystème
de«
timing »
de F. L. Allen et al.[2],
modifié poursatisfaire à nos conditions
particulières.
Cette chambre est la
première qui
fonctionne en autocommande à de très bassespressions
et cette réalisation nous aprouvé
que lapossibilité
d’une autocommanderapide.
C’estpourquoi
il noussemble utile de la décrire en
donnant,
à titred’in-dication,
les résultatsnumériques
des mesures desdiverses
caractéristiques
de cette chambre.II.
Système
électronique
de commande. - Lesystème
électronique
remplit
les fonctions sui-vantes :10 choix d’une
particule
traversant la chambre au moyen d’un détecteurapproprié ;
20 déclenchement de la détente et du
système
de «timing »
des diversesopérations :
ouverture dela soupage, coupure du
champ
électrostatique
debalayage,
allumage
duflash,
numérationméca-nique,
enroulement dufilm,
fermeture de lasou-pape et retour à Fêtât initial du
système.
Nous décrirons seulement la
partie
qui
concernela
commande,
c’est-à-dire déclenchement de ladétente et
système
de «timing
», étant donné quele
système
du flash(rapide
etlent) [3]
et laca-méra
[4]
ont étédéjà
décrits par ailleurs.Nous
reproduisons
dans lafigure
1 le schéma dusystème
de commande.1)
DÉCLENCHEMENT DE LA DÉTENTE(Bloc
no1-a,
fig.
1).
On
peut
déclencher la détente soit parunfldétec-teur
(placé
à l’intérieur ou à l’extérieur de lachambre),
soit par unsignal
extérieur :impulsion
de
générateur
périodique, impulsion
synchronisée
avec le faisceau d’un accélérateur
(Entrée
4 dans le mêmebloc)
etc.FIG. 1. - (Bloc n° 1-a). Coïncidence et anticoïncidence.
124
s
tique
principale
permettant
l’ouverture trèsrapide
de la soupape. Lesopéra-rations suivantes : déclenchement de
l’allumage
duflash, balayage
desions,
numération de ladétente,
avancement du film et retour à l’état ini-tial del’ensemble,
sont commandées par une sériede monovibrateurs dont les constantes de
temps
réglables
déterminent les intervalles detemps
séparant
lesopérations
successives(bloc
n°2,
fig. 1).
Ces duréespeuvent
être pour certaines de l’ordre d’une minute. Il a été utilisé pour cesmono-vibrateurs,
des tubes E90 CC et une alimentationbien stabilisée.
Le fonctionnement de ce
système
de «timing »
est très
régulier
et il nouspermet
d’allumer leflash
rapide
( N
10-4s)
au momentoptimum
de ladétente,
dont nous allons discuter en détail dansle
prochain chapitre.
’En
effet,
la détermination de l’instantoptimum
de déclenchement du flash doit être d’autant
plus
précise
que lapression
dans la chambre estplus
basse. Ce
réglage
est facilité parl’emploi
du flash« lent »
(3).
1I I.
Caractéristiques
du f onctionnement de la chambre aux bassespressions.
--Étant
donné qu le fonctionnement à
pression
normale est très bienconnu, nous décrirons
uniquement
lescaractéris-tiques
du fonctionnement dans les cas des bassespressions.
1)
TEMPS DE DÉTENTE. - La vitesse de détenteest très
importante
pour une chambreautocom-mandée,
étant donné que latrajectoire
de laparti-cule commandant la détente ne doit pas être diffa-sée au moment
optimum
de détente.WILSON
[5]
indique
que cetemps
estcomposé
du
temps
de détenteproprement
ditqui
estnéces-saire
depuis
l’entrée de laparticule
dans ledétec-teur
jusqu’à
ce que la condensation de la vapeur aitlieu,
Te, et dutemps
nécessairedepuis
lorsjusqu’à
l’instant de laphotographie,
1"p,c’est-à-dire,
le
temps
nécessaire pour legrossissement
desgout-temps
détente
compose donc de troisétapes :
temps
écoulédepuis
le passage de lapar-ticule
qui
déclenche la détentejusqu’au
début de l’ouverture de la soupape, Tl,temps
écoulédepuis
cet instantjusqu’au
moment où ledegré
de détenteest
juste
suffisant pour la condensation de la vapeur "t’2, ettemps
degrossissement
desgoutte-lettes
jusqu’à
une dimensionvisible,
Tp,et
La
trajectoire
de laparticule
commandant la détente doit rester nette et suffisamment finependant
cetemps
.Or,
comme la diffusion desions est
grande
dans uneatmosphère
à bassepression,
il faut diminuer leplus possible
cetemps
Te . Te minimum réaliséjusqu’à
présent
est de l’ordrede 4 ms avec une chambre à membrane et à une
pression
supérieure
à 1atmosphérique
(6).
Cesauteurs ont
photographié
lestrajectoires
70 msaprès
ladétente ;
c’ est-à -dire "t" = 74 ms.R. S. Shutt et al.
[7]
ont calculé letemps
de détente d’une chambre contrôlée par l’aircom-primé
endistinguant
letemps
nécessaire à ladécroissance
complète
de la forceproduite
par la bobineélectromagnétique
de la soupaped’échap-pement,
t’,
et letemps
nécessaire pour faireéchap-per l’air
comprimé jusqu’à
ce que ledegré
dedé-tente
atteigne
une valeuroptimale,
t.Nous avons calculé t’ et t pour nos conditions
expérimentales.
Nous avons obtenurespective-ment : t’ = 55
ms, et t = 14 ms. Ce
temps t’
n’est pas exactement
égal
autemps
T1, mais il seraproche
de T1. t estégal
à T2. Parconséquent,
nous avons Te =Tl + ’t2 = 69 ms. Pour ce
calcul de
t’,
nous n’avons tenucompte
que de labobine
principale.
Si nous introduisons l’effetcompensateur
de la bobinesecondaire,
onpeut
diminuer t’ par un facteur très élevé.
Nous avons mesuré directement "r1 et T2 à l’aide
des cellules
photoélectriques
et d’unoscillographe,
pour les conditions suivantes :P;
= 40mmHg,
V2/Vl == 1,8
avec lepiston-membrane
de feuille126
comparaison
avec les valeurs calculées dans letableau 1.
Lorsque
le courant dans la bobineprin-cipale
dépasse ’une
certainevaleur,
la bobinese-condaire n’est
plus
efficace. Nous montrons les valeurs obtenues avec du courant minimum dansla bobine
principale.
TABLEAU 1
Nous avons mesuré le coefficient d’accélération
du
piston qui
est environ 105cm/s/s.
Le
temps
degrossissement
desgouttelettes
dépend
de divers facteurs[8].
A titre d’indication nous montrons la formuleapprochée
suivante pournos conditions
expérimentales : p;
= 40mmHg,
où ao = rayon instantané de la
gouttelette
autemps
dt*.Cette formule est aussi
applicable
pour unedétente
isothermique
que pour une détenteadia-batique.
En admettant que503BC
ao1503BC (les
mesuresréelles) ;
on obtientCe
temps
t* n’est autre chose que Tp.Le
temps
degrossissement
degouttelettes
Tp,a été mesuré directement par variation du
retar-dement du flash. On mesure le retard du flash
minimum
nécessaire
parrapport
au moment du déclenchement d’uncycle
dedétente,
cequi
donne Te + Tp. En connaissant Tl
+ ’t’2
=Te, on
peut
en déduire Tp. La valeur de Tpmia. pour unepression
initiale de 40mmHg
est environ 5 ms.Mais,
avec 5 ms, lesgouttelettes
sont encore très fines et on ne voit pas lestrajectoires
des rayons 8. Tp minimum ne varie pasbeaucoup
avec lapression
initiale,
mais varie sensiblement avec la vitessede chute du
piston
et ledegré
de détente. Entre pi = 40mmHg
et 100mmHg,
tPmin. ’" 5
m/s.
La vie d’une
trajectoire
nette des rayons ce avecp; = 40
mmHg
serait environ 30 N 40ms, c’est-à-dire 5 ms ’tp 40 ms, ce
qui
confirme la validité de la formule.2)
DEGRÉ DE DÉTENTE. -- On saitque le
degré
.
de
détente,
V2/ V1,
d’une chambre à volume défini est lié aurapport
destempératures
absolues ini-tiale etfinale,
01/02,
si
la détente estadiabatique,
par la formule suivante :
Or,
lorsque
lapression
initialediminue,
la déteinten’est
plus
tout à faitadiabatique.
Ce fait se dé-montre par lephénomène
suivant : lerapport
de lapression
de vapeur à la fin de détente P2 vapà celle de saturation pour la
température finale,
po, doit être environ4,2
pour que la condensation de la vapeur soit favorable pour ledéveloppement
degouttelettes
lorsqu’il s’agit
de la vapeur d’eau[5].
Nous avons mesuréV2/Vl
optimum
pourchaque pression
initiale avec les conditions sui-vantesOch
= 17cm,hch
= 4 cm, vapeur =H20,
atmosphère
= air. Nous avons calculé lerapport
FIG. 2. - Relation entre !
1 1 et
3)
TEMPS D’EFFICACITÉ. 2013 Letemps
d’effica-cité,
dr,
est letemps
pendant lequel
lasursatu-ration reste suffisante pour que des
gouttelettes
se condensent autour des ions. Te + Tp doit se
situer dans l’intervalle
(’t’e," ’te
+dT).
Pendant 4, les ions formés se diffusent sous
forme d’ions. La densité des ions diffusés à une
’
distance x du centre de
l’image,
p(x),
dans letemps
Te est donnée par la formule suivante :où
No :
Nombre total d’ionsproduits
dans unetrajectoire
par cm,D : coefficient de diffusion des ions dans
l’at-mosphère
de lachambre,
x : distance du centre de formation des ions
X,
demi-largeur
detrajectoire
qui
contient 90%
desions,
est donnée alors par la formuleapprochée
suivante :
Nous avons mesuré la
demi-largeur apparente
destrajectoires
nettes,X
apparente,
obtenue avec les détentes autocommandées pour unepression
ini-tiale de 40
mmHg qui
est environ0,2
mm. Or sil’on utilise D =
0,68
cm2/s
(déduit
pour l’airde 20
mmHg
et à OoC ensupposant
que D X pres-sion = constante == 2 360 X 10-2CM2/S
Xtemps
d’efficacité di 300 ms N 400 msecpour pi = 40
mmHg,
1"2/Vl = 1,8.
Cette valeurest nettement
plus grande
que celle de la chambreà basse
pression
dutype
Joliot dont lepiston
estmétallique [8],
maisplus proche
de celle de Mills[10].
Létemps
d’efficacité, d1’,
est en consé-quenceplus long
que Te+
Tp.En
conclusion,
onpeut
taire fonctionner lachambre en autocommande avec ---- Te
+
Tp = 25à 30 msec avac pi = 40
mmHg
sanstrop
de diffusionde la
trajectoire
commandant la détente[11].
4)
EFFICACITF DE LA CHAMBRE. 2013 Onpeut
définir l’efficacité de la chambreautocommandée,
e de la
façon
suivante : elle est leproduit
de l’effi-cacité du détecteur desparticules
qui
déclenchela
détente,
F-1, par le rendement de la chambre entrajectoire
nette,
C2.S2
dépend
de diversparamètres
qui
influent surles conditions
optimum
pour obtenir lestrajec-toires nettes des
particules
déclenchant la détente dans l’intervalle detemps
Ti + T2 et Tl+
T2+
di,
et de la durée du flash.A titre
d’indication,
nous citons dans le tableau2,
les valeurs obtenues pour e2 dans le cas de la mesure des rayons oc du po traversant la chambre
à pi = 45
mmHg (air
+H20).
Le détecteur est un
compteur
à scintillations (1) Voir International Critical, Tables VI, page 115(Megrawhill).
128
d’anthracène de 0 = 10 mm h =
3
mm relié ausélecteur à
unique
canal. Encomparaison,
nous avons montré lastatistique
faite pour une série de détentes manuelles.E2 n’est pas 100
%
et ceci est dû à la diffusionrapide
destrajectoires
à bassepression,
mais ilest nettement
plus grand
que dans le cas de détentesmanuelles.
5)
TEMPS DE RÉSOLUTION. -- Letemps
deréso-lution est défini par la différence
d’âge
destrajec-toires nettes de
largeur
minimum et maximum pour desparticules
de même genre. Il est donné par la formule suivante si letemps
To ainsi obtenu estplus
court que letemps
d’efficacité ;
si non,on
prend
le dernier comme zodont
Dans notre cas, nous obtenons que : To # 68 ms pour pi = 50
mmHg # 48 ms pour pi = 40 mmHg.
6)
TEMPS DE RESTAURATION. --- Letemps
derestauration
dépend
de lapression
et le genre dugaz dans la chambre. Il est environ 40 secondes
pour les basses
pressions précitées
avecl’atmos-phère
de gaz(air
+
H20).
7)
BRUIT DE FONn. - Le bruit de fonddépend,
comme dans le cas d’autres
détecteurs,
del’inten-sité de la source ; mais aussi du
temps
d’efficacité,
de la durée du flash et de l’efficacité de la chambr3.Cependant,
l’examen des clichés de la chambre àbrouillards
permet
dedistinguer
lestrajectoires
intéressantes de certains bruits de fond. IV. Conclusion. - Nous
avons pu réaliser une chambre à bronillard à
pression
variableautocom-mandée
qui
peut
fonctionner à unepression
fi-nale - 10
mmHg,
dont letemps
de détente est- 20 msec
(à
partir
de l’entrée de laparticule
dansle
détecteur)
ayant
un coefficient d’accélération dechute de
piston
de 105cm/s/s,
et letemps
mini-mum de
grossissement
de ,
gouttelettes
de5 msec.
Qu’il
nous soitpermis
de saluerrespectueu,se.
ment la mémoire du Pr F. Joliot pour l’intérêtqu’il
a bien vouluporter
à ce travail et pour sesconseils
qui
nous ont été trèsprécieux.
Nous remercions
également
le Pr J.Teillac,
Directeur du Laboratoire dePhysique
nucléaired’Orsay,
qui
a bien voulu nouspermettre
de conti-nuer ce travail dans le laboratoire.Nous remercions M. M.
Langevin ;
les discussionsque nous avons eues avec lui ont été très
fruc-tueuses.
Manuscrit reçu le 7 mars 1960.
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