Sur un électromètre monofilaire de grande sensibilité

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Sur un électromètre monofilaire de grande sensibilité

Te-Tchao Ouang, E. Montel, P. Pannetier

To cite this version:

627.

SUR UN

ÉLECTROMÈTRE

MONOFILAIRE DE GRANDE

SENSIBILITÉ

Par M. OUANG

TE-TCHAO,

Mme E. MONTEL et Mlle P. PANNETIER.

Sommaire. 2014 On a

_réalisé

un électromètre monofilaire perfectionné muni d’un fil à la Wollaston

de I 03BC de diamètre,

qui

permet de déceler une _charge de l’ordre de 3. I0-15

Cb,

soit un _{peu moins}

de 20 000 électrons. On décrit la _technique de préparation de tels fils ainsi que les perfectionnements mécaniques de l’appareil. Enfin, on _{compare les divers types} d’électromètres et l’on _{indique quelques} conseils concernant leur utilisation.

LE _JOURNAL DE PHYSIQUE ET LE RADIUM.

1

TOME

_14,

NOVEMBRE

_1953,

1. On sait

_qu’un

électromètre idéal

_exige,

en

_plus

de sa haute sensibilité à la

_,charge

et au

_potentiel,

une

_période

courte, un zéro

stable,

insensible aux vibrations

mécaniques,

aux fluctuations du

_voltage.

et de la

_{température;}

enfin,

_l’appareil

doit,

autant

que

possible,

être

robuste,

de construction et de maniement

_simples,

et ne _pas

_présenter

de

_trop

grand.es

difficultés de

_réglage.

Parmi les divers

_types

couramment utilisés dans les

laboratoires,

nous n’en connaissons pas

qui remplisse

à la fois toutes les

conditions énumérées ci-dessus. Il

_appartient

aux

chercheurs de choisir dans

_chaque

cas le modèle le

mieux

_adapté

à l’ensemble des conditions de leurs travaux.

Au cours de nombréuses

_expériences

effectuées à

l’aide des électromètres les

_plus

sensibles,

l’un de

nous a _{pu comparer} les

_avantages

et les inconvénients de ces

divers

_appareils.

On à utilisé neuf

_types

d’électromètres

_appartenant

aux

_quatre

_groùpes

suivants :

io Electromètre à

_{quadrants : types}

Dolezalek,

Beaudoin,

Compton

et

Lindemann;

’

20 Electromètre à

binants :

type

Hoffmann;

30 Electromètres

_{monofilaires : types}

Wulf,

Pôhl

et

Edelmann;

40 Lampes

électromètres.

Bien

que

l’électromètre Dolezalek soit très robuste et de

_réglage

_simple,

il est loin d’être _{suffisant pour}

les mesures de très faibles courants. L’électromètre

Beaudoin,

de

sensibilité

_analogue,

_{présente quelques}

.

perfectionnements,

notamment un

petit

électro-aimant

_{qui permet}

une mise au sol facile et un

quadrant

mobile

_qui

_permet

de

_corriger

la

dissy-métrie

_mécanique.

Contrairement à

_{l’opinion généralement répandue,}

la sensibilité à la

_charge

du

_{type Compton}

n’est _pas

considérable :

_d’après

notre

_expérience,

avec une

suspension

de 3 _u, elle est _{très peu}

_supérieure

à 10-4 u. e.

s./mm;

_quant

à la

sensibilité

à la

tension,

de l’ordre de 5

_m/V,

elle

_peut

dans les meilleures

conditions,

atteindre .une dizaine de mètres par volt

et même au

delà,

mais la’ mise au

_point

est alors

très délicate et le socle doit être extrêmement stable

pour que le zéro soit fidèle :

par

exemple,

une tablette

murale en chêne

massif,

même très

_{soigneusement}

installée,

_peut

se déformer suffisamment sous

l’in-fluence

_(Tune

variation des conditions

extérieures,

pour provoquer un

déplacement

du zéro.

Les

_principaux

_avantages

du Lindemann

_sonsistent

dans la

_possibilité

d’utilisation en

_{position quelconque}

et la faible

durée

de la

_période;

_par contre, la

sensi-bilité est souvent

_{insuffisante;}

de

_plus

la

_suspension,

constituée _par un fil de

_quartz

de

_{6 p}

recouvert de °

métal

_pulvérisé,

_perd

_parfois

assez vite à

_l’usage

son revêtement

_conducteur,

d’où nécessité de

répa-rations

_plus

ou moins

_fréquentes.

L’électromètre le

_plus

sensible est le modèle Hoffmann

_qui

_permet,

en

_principe,

de déceler une

charge

d’environ I000

électrons,

soit 5. 10-7 u. e. s.

.par

division;

mais ce

degré

de sensibilité

_implique

des

_précautions

très délicates et

longues

dans le

réglage :

par

exemple,

la nécessité’

d’opérer

sous

pres-sion réduite et

_{d’équilibrer}

deux

séries de

_piles

étalons par des

systèmes

de commande. relativement

compliqués;

en

_pratique

nous avons _pu,

dans

des

mesures

_soignées

effectuées sur les électrons de

conversion internè du radioactinium

_(1),

mesurer un

courant de 200

_{électrons /s..}

L’inconvénient dés

_lampes

électromètres est le lent

_déplacement

continu du

_spot,

_superposé

à de

petites

fluctuations

inévitables

_(bruit

de

_fond).

Grâce au

_progrès

de la

_technique

des

_lampes

et au

perfectionnement

des circuits de

_{compensation,}

on arrive

_cependant

à réduire

_beaucoup

cet

incon-vénient,

mais il reste très difficile d’obtenir une

grande

stabilité pour

des

résistances

supérieures

à 5. 1 oll n. Néanmoins les

_lampes

électromètres rendent de

_grands

services en raison de leur haute

sensibilité,

comparable

à celle du

_Hoffmann,

et de la facilité de leur

mise

en

place.

Les électromètres monofilaires _{tels que} ceux de

Wulf

et de Pohl ou _d’Edelmann

_présentent

des

qualités

intermédiaires entre celles des divers

modèles

_{précédents : robustesse, ’}

_période

_courte,

stabilité de

zéro,

simplicité

du

_réglage

sont autant de

_qualités

_précieuses

_{pour la} mesure des faibles

charges;-

cependant,

nous avons eu l’occasion de

constater _{que dans} ces

_appareils,

certains défauts de

(1) OUANG Te-Tchao, J. SURUGUE et M’l’ M. PÉREY.

C. R. Acad. _{Sic., I944, 218, go.}

628

fonctionnement

subsistent,

qu’il

peut

être utile’ de

corriger

tout en améliorant

_également

la

sensibilité;

celle-ci,

déjà

assez

élevée,

de l’ordre de

5 .10-14 Cb,

n’est

_cependant

_pas

_comparable

à celle de l’électro-mètre Hoffmann.

2. En tenant

_compte

_{des remarques}

_{précédentes,}

nous avons construit un modèle monofilaire

_qui

permet

d’obtenir une amélioration assez notable sur

les

_{précédents,}

notamment dans la sensibilité. Les

modifications

effectuées

sont

les suivantes :

I° Le volume d’air

_adopté

_pour la _cage est

inter-médiaire entre celui du modèle

Wulf

dans

_lequel

un

_trop

_grand

nombre d’ions

_risque

de

_perturber

la

stabilité du

zéro,

et celui du Pohl dont la réduction

excessive, entraîne un accroissement

nuisible

de la

capacité ;

capacité;

2° Dans tous ces

_appareils

à

couteaux,

le

dépla-cement _{du fil n’est linéaire que dans la}

_partie

_centrale,

c’est

_pourquoi

on les utilise de

_préférence

en méthode de zéro : ceci nous a conduits à

introduire,

comme

dans le modèle

Hoffmann,

un anneau

d’influence

_qui

permet

une

_compensation

facile et bien

définie ;

3° Dans certains des

_appareils

_existants,

les

_lignes

de

force,

à cause de la

_présence

de

l’objectif

du

viseur,

sont

_{dissymétriques}

_par

_rapport

au

_plan

des

couteaux et le fil se trouve

_parfois

entraîné hors de’

ce

_plan.

Pour remédier à cet inconvénient

_{qui oblige}

à

_corriger

de

_temps

à autre la mise au

_point,

nous avons

_{aj outé,}

_{symétriquement}

au

_viseur,

un tube

métallique

fixé dans la

_{partie postérieure}

de la _cage

et

_qui

rétablit la

_symétrie

des

_lignes

de

_force;

40

En ce

_qui

concerne la tension

_mécanique

du

fil,

dont

_dépend

étroitement la

sensibilité,

il nous a

paru

indispensable

de réaliser une finesse de

_réglage

bien

_supérieure

à celle des modèles courants, et

d’ajouter

un

_système

de

_{blocage plus}

maniable

qui

assure la fixité de ce

_{réglage :}

_en

_{conséquence,}

nous avons introduit une vis de _pas

beaucoup

_plus

petit

munie d’un tambour

_gradué

et d’un

_vernier,

qui

permettent

des

_{déplacements}

de

_{I/I Oe}

à

_{I /I ooe}

de millimètre suivant la

_graduation

du tambour;

ce

_système

est solidaire de la

_paroi

inférieure,

d’où

une

_{grande simplicité}

de

_démontage

_{pour les}

véri-fications

éventuelles;

5° Une autre condition essentielle de sensibilité maximum est _{que le fil} de

_suspension

ait une masse

aussi faible _que

_possible;

mais

_l’étirage

de fils à la

Wollaston

de très faible diamètre est très délicat

en raison du défaut

_{d’homogénéité,}

d’où

_risque

de

rupture

qui

en rend la

_manipulation

très

minu-tieuse : c’est ce

_{qui explique}

_{que l’on n’ait pas}

réussi,

pendant

longtemps,

à utiliser des diamètres inférieurs à

1,5

lu. Or l’industrie

produit

maintenant des fils de i _p enrobés dans une

_{gaine d’argent}

de

_{50 p ;}

il nous a _{paru intéressant} d’en

_profiter

_pour

améliorer la sensibilité de notre

_appareil..

3. Pour

_pouvoir

utiliser un fil de ce

diamètre,

nous avons mis au

_point

la

_technique

de

prépa-ration suivante : .

On

_prend

un fil de

_longueur

un _peu

_supérieure

à celle des

couteaux,

c’est-à-dire

_{d’environ 7}

cm, que l’on _{soude par} une de ses extrémités au bout de la

tige supérieure

de

_{l’équipage;}

on

_replie

l’autre

extré-mité sur une

_longueur

de 2 à 3 mm, on le soude à

lui-même et l’on enrobe le

_petit

crochet ainsi formé d’une

_pellicule

de

_piscéine

_qui

_permet

d’introduire le

fil dans une solution

_nitrique

_{à 5o pour I00} sans

que cette

_partie

soit

_attaquée;

la soudure alourdit le

_{fil juste}

assez _{pour que,}

_l’argent

une fois

dissous,

il reste verticalement dans le

_liquide

sans

_risquer,

par

flottement,

de se coller à lui-même ou à la

_paroi.

La difficulté

_principale

de

_{l’opération}

consiste à

régler

la

_quantité

de soudure et la forme de la

goutte

de

_piscéine

de manière à éviter la

_rupture

_du

fil,

extrêmement

_fragile,

soit dans le

bain,

soit au

moment où on l’en retire. Le

_rinçage

dans l’eau

distillée et le recuit dans une très

_petite

flamme se

font à la manière habituelle

_(2).

4. L’ensemble des

_{perfectionnements qui}

viennent d’être

_indiqués

_permet

d’obtenir un

_progrès

notable

dans

la sensibilité. Dans le

_graphique

ci-dessous,

on donne la sensibilité à la

_charge

en fonction de la

tension

_mécanique

du

fil,

pour

diverses

_positions

des couteaux.

En

_ordonnées,

on a

_porté

la

_charge

qui

fait dévier

l’image

du

fil

d’une

division

de l’échelle

,arbitraire

d’un micromètre

_comportant

200 divisions. Une division du micromètre

_projectée.

sur une

_règle

à i m de distance couvre 2,8 mm, ce

qui

corres-pondrait

dans l’observation habituelle à l’aide d’un (2) OUANG Te-Tchao. Fils fins en silice et à la Wollaston,

Techniques générales du Laboratoire de Physique (Surugue).

629

miroir,

à une sensibilité maximum de l’ordre

de 3. I0-15

_{Cb /mm.}

_{Pratiquement,}

une

_charge

de

cet ordre est encore décelable _{par observation}

directe. ,

*5.

Ainsi,

un électromètre de

_type

monofilaire

équipé

d’un fil de i _p convient

particulièrement

aux mesures de très faibles courants tels

que

les courants

photoélectriques

ou radioactifs. Par

_exemple,

une

montre à

_aiguilles

lumineuses

_posée

sur la

_partie

supérieure

d’une chambre d’ionisation

donne,

à

tra-vers une mince feuille

d’aluminium,

une

vitesse

de déviation du fil de l’ordre de 2

divisions/s.

Un autre

exemple

montre la faible inertie

_de

_{l’équipage :}

un conducteur traversé par le courant du secteur

induit,

par

influence,

à une distance de 20 cm, sur

la

_tige

isolée

_dépourvue

de

_protection

_{électrostatique,}

une

_charge

variable à la

fréquence

du

courant,

qui

fait vibrer le fil de l’électromètre autour de sa

posi-tion

_{d’équilibre. L’amplitude}

de l’oscillation

_dépend

de la distance du fil

inducteur

à la

_tige

influencée,

et de l’intensité

du

courant. Le fait _que les bords

de la bande sont

_plus

nets _{que le} milieu _{montre que} l’oscillation est bien

sinusoïdale.

Il semble donc que

cet électromètre

_puisse

être utilisé comme un

oscil-lographe

de basse

_fréquence.

6. Il nous semble

intéressant

d’indiquer

aux

chercheurs non familiarisés avec les électromètres

sensibles

_quelques

conseils

_techniques

afin de leur éviter d’inutiles tâtonnements.

1° Si le

_spot

n’est _pas

stable,

il faut tout d’abord

vérifier _que les diverses

_parties

du

_montage

sont à des

_potentiels

bien

_définis,

en

_particulier,

_{que la}

mise à la masse est très

_soignée.

Même

_quand

ces

conditions

sont

_remplies

en _apparence, il

_peut

subsister une certaine instabilité. Cela se

_produit,

par

exemple,

dans les mesures de

_{rayonnements X}

par l’électromètre Lindemann : un examen

_plus

attentif montre en ce cas _{que la} fenêtre de verre a

pris

une certaine

_charge

_par suite de l’ionisation

intense de l’air au

voisinage

immédiat. Il suffit alors

de

_pulvériser

une mince couche

_métallique

transpa-rente _{pour rétablir le} zéro.

90 La dérive du

_spot

est un inconvénient

_auquel

on se heurte

_{fréquemment;}

elle

_provient

dans la

plupart

des cas d’un défaut d’isolement de

l’élec-trode dû à l’humidité de

l’isolant,

surtout

_lorsque

l’appareil

n’a _pas

_servi

_depuis

un certain

_temps.

L’expérience

montre

_{qu’en nettoyant}

celui-ci

légè-rement à l’éther avec un morceau d’étoffe

_souple,

ce

phénomène

_gênant

se trouve

_{supprimé au , bout}

d’un

_temps

nécessaire à la

_{complète disparition}

des

charges

de surface

_{développées}

_{par le frottement.} Dans le cas des

_lampes

_{électromètres,}

d’autres causes

interviennent : défaut de

_{compensation,}

_épuisement

des

_piles,

effet

_{microphonique,}

etc. ;

on ne

_peut

donc

pas donner de

procédé

général,

car

_chaque

montage

pose un

_problème

_particulier.

30 Dans les électromètres Lindemann et

_Compton,

il arrive souvent _{que la} déviation du

_spot

ne

corres-ponde

pas à la tension ou à la

_charge

_appliquée.

On constate en

_pareil

cas _{que le fil de torsion} a

_perdu

en

_{grande partie}

la couche de métal

_{pulvérisé qui}

le

rend

_conducteur;

il est alors

_{indispensable}

de

renou-veler la

_{pulvérisation.}

-

4°

Dans l’électromètre,

Hoffmann,

il arrive

_qu’au

moment où l’on isole

l’électrode,

on observe une

brusque

déviation du

_spot.

Cela résulte d’un défaut

de simultanéité dans

_{l’application}

des tensions aux

binants,

dû au fait que la surface

du

mercure n’est pas suffisamment propre.

Remarquons

que dans le

nouveau

modèle,

le mercure est contenu dans des

ampoules

de verre fermées

_qui

en assurent là

prao-tection.

50 Dans le Wulf ou le

Pohl,

il

_peut

arriver,

lorsqu’on

rapproche

trop

les couteaux, que le fil aille se

coller sur l’un

d’eux;

afin d’éviter sa

_rupture,

on doit

éviter de le toucher directement. Il faut alors

_éloigner

d’abord l’autre couteau et le relier à la masse;

puis,

relier à l’électrode centrale lé couteau

_auquel

adhère le

_fil;,

enfin,

on

_approche

très lentement un bâton

chargé :

sous l’effet des

_charges

influencées,

le fil se détache _par

_répulsion.