Mesure cinétique des températures

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Mesure cinétique des températures

M. Fournet

To cite this version:

25

MESURE

_CINÉTIQUE

DES TEMPÉRATURES

par M.

FOURNET,

Laboratoire de _Physique de Sud Aviation

Résumé. 2014 La méthode

proposée permet la mesure des températures élevées atteintes _{par des}

gaz dans des phénomènes transitoires _rapides, tels _que ceux _{que l’on rencontré dans} les tubes à choc utilisés en _{aérodynamique,} dans les études de _plasmas, etc...

Pour cela on détermine le _spectre des vitesses des molécules gazeuses en mesurant leur _temps de

transit dans le vide. L’enceinte où a lieu ce

_transit

est _séparée du gaz chaud par une membrane

dont la _{rupture brusque} libère un _jet de _particules, d’une _part, et _permet de définir convenablement

une _origine des _temps, d’autre _part. Les molécules atteignent en fin de parcours un détecteur. Le début du _signal de _réponse de ce détecteur ne _dépend que de la température.

Une première partie est un _{exposé théorique} de la méthode. Une seconde _partie décrit _quelques

expériences qui montrent la valeur des mesures effectuées : Mesure de la

_température

ambiante ;

Mesure de la _{température d’explosion} d’un _{mélange hydrogène-oxygène.}

Utilisation de l’appareil pour mesurer la _{température produite par la} décharge d’un condensa-teur dans une

_éprouvette

résistante ; les vitesses des particules éjectées sont _comprises entre 20 et 50 _km/s, ce _{qui correspondrait} à une _température de l’ordre de 106 _{degrés K.}

Abstract. 2014 The

proposed method allows the

measurement of

_{high gas temperature} in fast

transient phenomena, such as those encountered in shock tubes used in _{aerodynamics, plasma}

stu-dies, etc...

For _{this purpose,} we _get the gas molecules velocity spectrum, by measurement of their time of

flight in vacuum. The transit chamber is separated from the hot gas by a _diaphragm the sudden

burst of which, on one hand releases a _jet of _particles and on the other, enables the time

_origin

to be

correcly defined. The molecules reach a detector at the end of their _flight. The start of the

response signal of this detector _{depends only} on the _temperature.

2014 The first part is _a theoretical account of the method. The second part describes certain

expe-riments _showing the value of measurements made : Ambient _temperature measurement ;

Explo-sion _temperature of a _{hydrogen-oxygen} mixture.

Use of instrument to measure the temperature produced by a _{capacitor discharging} into a test

resistance ; the _{ejection speeds} of the _particles are between 20 and 50 km/sec, corresponding to

an _{approximate temperature} of 106 K.

PHYSIQUE

PHYSIQUE APPLIQUÉE . TOME 23, MARS 1962, PAGE

I. INTRODUCTION.

Parmi les mesures

physiques

_qui

soulèvent des

problèmes délicats,

il convient de faire une

place

spéciale

à certaines mesures de

_température

_{de gaz.}

Par

_exemple

dans le cas des

_phénomènes

transi-toires,

où une

_température

maximale est atteinte

pendant

un

_temps

très court. Plus

_{généralement}

dans le cas des

_{températures élevées,}

et a

_fortiori

dans les cas des

_{températures}

élevées et

_fugitives.

Ces cas se

_présentent

par exemple

_avec les tubas à chocs utilisés en

_{aérodynamique,}

dans les

études de

_plasmas

et de fusion

_contrôlée,

dans les études de filaments

_{explosifs... Lorsque}

les

expérimental-teurs ne _{renoncent pas} tout

_simplement

à la

mesure

des

_{températures,}

ils font en

général appel

à des méthodes

_optiques.

Le

_rayonnement

_thermique

du gaz, lié à sa

_{transparence,}

est faible,

même dans le

domaine des

_{températures}

nécessaires à la fusion

thermonucléaire,

et n’est _pas utilisable.

_L’analyse

du

_spectre

de raies ou de

_bandes,

_appuyée

sur

un certain nombre de théories

_plus

ou moins

_vérifiées,

ne fournit _pas des mesures des

_{températures}

tou-jours dignes

de foi.

Le but de cette note est

_d’indiquer

une méthode

théoriquement

légitime,

utilisable dans de

nom-breux cas,

déjà

utilisée avec

succès,

qui

est basée

sur la définition

cinétique

des

températures

et

permet

l’observation directe de la

_répartition

sta-tistique

des vitesses des

_particules.

II.

EXPOSÉ

THÉORIQUE

DE LA

MËTHOÛE UTILISÉE.

_{(Fig. 1,}

p. 26

A.)

L’enceinte A contient _{le gaz dont} on veut mesu-rer la

température.

Ce gaz est

_supposé

_{en équilibre}

maxwellien.

L’enceinte A est

_séparée

d’une

co-jtonne

C où l’on fait un vide

_poussé,

_par une mem-brane M

_susceptible

de s’ëffacer à un instant bien

déterminé,

et en un

_temps

infiniment bref.

L’ex-pansion

du gaz contenu en

_A,

est alors détectée en D ,au moyen d’une sonde

appropriée.

En

simplifiant

à

_{l’extrême,}

nous _supposerons tout

d’abord

_que

la

tôtalité du

_petit

volume A est libérée en meme

temps

à l’instant 0 et _que toutes les molécules

_qui,

26

à cet instant ont des vitesses

_dirigées

vers l’entrée

du

_détecteur,

sont effectivement

_capables

d’at-teindre ce dernier sans

collision ;

nous

_négligerons

Fie. 1.

Schéma de

_principe.

FIG. 1 b is.

provisoirement

les autres

_molécules,

_et,

connais-sant la

_répartition

des

_vitesses,

nous allons

déter-miner la

_répartition

des instants d’arrivée au

dé-tecteur,

c’est-à-dire en fin de

_compte

la

_réponse

du détecteur.

La

_répartition

des vitesses est définie par le nombre de molécules de vitesses

_comprises

entre v

FIG. 2. -

Représentation de la fonction normalisée _03BE(v)

00

0

g(v)

du = n = nombre total des

particules

dont le vecteur vitesse est bien

_dirigé,

v, est la vitesse la

_{plus probable,}

_{p p} ’ définie

par d g(v) ==

p

_0.

dv

Cette vitesse est liée à la

_température

absolue _par la relation :

(Elle

est différente de la vitesse

_quadratique

moyenne :

Soit L la distance

_séparant

le volume A du

détec-teur D. L’instant d’arrivée en D d’une

_particule

de vitesse v est : t =

llv.

Entre les

époques

t et

t ₊ dt

_(dt

>

₀₎

les

_particules

_qui

arrivent sont celles dont les vitesses sont

_comprises

entre v + dv

et v avec dv = -

(1/t2 )

dt

(dv

0).

Elles sont _en nombre :

En identifiant

_N(T)

dr et

_{N(t) dt,}

on obtient la

réponse normalisée

d’un détecteur

_qui

fonctionne-rait à la manière d’un

_{compteur :}

FIG. 3. 2013 Différents modes de détection.

1

1, Détection du flux de matière.

j’(T)

= 1/4 e-l/-r2

2, Densité instantanée au _voisinage de la jauge

3, Quantité de mouvement

4,

Énergie

cinétique.

5, Densité accumulée.

On constate au

simple

examen du

diagramme

de

la fonction

_j(T)

-l’intérêt

_théorique

et

_{expérimental}

de la méthode : c’est le retard assez net OA

mani-festé par la détection du

_phénomène.

On

_peut

alors examiner

_plus

en détail le mécanisme de

l’expan-sion,

et au lieu de

l’hypothèse simpliste

faite

pré-cédemment,

décomposer

le

_phénomène

en

_phases

successives :

10 Dès la

_rupture

de la

_membrane,

les

_premières

particules qui

peuvent

sortir,

sont celles

_qui

étaient

situées au

_voisinage

immédiat de la

_membrane,

dans une couche

_{d’épaisseur}

inférieure à

cinq

fois le libre parcours moyen pour fixer les idées. Selon

les cas cette couche

_peut

être à la

_température

de

l’ensemble _{du gaz} ou à une

_{température inférieure,}

si le

_temps

d’interaction avec la membrane n’a _pas été

_{négligeable.}

Dans le

_premier

_cas, la

_réponse

du détecteur à

l’arrivée de cette

_première

couche sera

caracté-ristique

de la

_température

du gaz.

20 Dans le deuxième _cas, les

_particules

de la couche de contact sortiront à faible

vitesse, puis

seront

_rattrapées

et

_dépassées

_par les

_particules

de la couche

_{plus profonde}

à la

_température

_que l’on cherche à mesurer. Ce sont ces dernières

_qui

provoqueront

le début de la

_réponse

de la

_jauge.

Comme le

_temps

d’écoulement de la

_première

couche est

_négligeable

_par

_rapport

au retard

_OA,

on aura bien encore une

_réponse

_{caractéristique}

de

la

_{température.}

3° L’écoulement ne continue pas ainsi

indéfi-niment : les molécules

_qui

sont sorties dès le début de

_{l’expansion}

avec des vitesses faibles ou mal

dirigées

(et

qui

sont en

majorité)

frappent

les

parois, perdent

leur

_énergie

_cinétique

et s’accu-mulent

_{progressivement}

entre

_{l’emplacement}

du

diaphragme

et le détecteur en limitant

considéra-blement le _{libre parcours des}

_particules

chaudes

sortant

_{postérieurement.}

Ces dernières sont donc arrêtées ou

_ralenties,

et

_atteignent

le détecteur

avec un

retard

considérable par

_rapport

au début

de la

_réponse.

De

_plus

les

_particules

sortant ainsi

avec un certain retard auront

_déjà

subi un

_premier

refroidissement à l’intérieur de l’enceinte

_A,

_par

suite de l’interaction avec la

_paroi

s’il

_s’agit

d’une

explosion,

et _par suite de la détente

_{macroscopique}

amorcée dès le début de

_{l’expansion.}

De sorte _que de

toute

_{façon le}

début de la

_réponse

de la

_jauge

ne

dépend

bien _que de la

_température

des

_premières

par-ticules chaudes

_qui

_sortent,

_{indépendamment}

de la durée du

_vidage.

Remarques.

- 10 Dans le cas où le

_départ

des

particules

« utiles » se ferait

pendant

un

_temps

non

négligeable,

T’,

la

_réponse

de la

_jauge

serait d’une forme voisine de : ,

ce

_qui

aurait pour effet d’adoucir le front de mon-tée et de retarder le

_maximum,

sans affecter

sen-siblement le retard OA

_{(fig. 2).}

La

_température

déduite directement dans ce cas _par

_comparaison

avec

_j(T)

_{pourrait cependant}

subir une erreur

sen-sible

_{(par défaut).}

Les

_expériences

effectuées ne

laissent supposer une telle erreur _que dans le cas de

_{l’hydrogène}

à la

_température

ambiante. Mais

encore dans ce _cas, il est

_possible

_que ce soit la

vitesse de

_rupture

de la membrane

_qui

soit en cause. 20 Il est clair _que

_chaque

_{fois que la}

_quantité

de

gaz lâché dans la colonne n’est pas

négligeable,

il n’est _pas

_possible

d’obtenir _{mieux que le} début de

la

_réponse.

En sorte

_qu’il

est

_légitime

de concevoir

l’expérimentation

de

_façon

à n’observer que ce début de

_réponse,

ce

_qui

_peut

être

_avantageux

au

point

de vue

_pratique.

30 Fonctionnement du détecteur. Nous avons

supposé

que le détecteur fonctionne d’une

façon

analogue

à un

_compteur

de

particules

_ou, ce

_qui

revient au

_même,

_qu’il

mesure le flux due matière

28

non. pas la densité

(1).

Il est

probable

que cette

hypothèse

n’est pas tout-à-fait

valable

dans la

plupart

des cas, notamment dans le cas de la

jauge

de

_Penning,

utilisée dans les

_expériences

_qui

vont être décrites. En

_effet,

une telle

_jauge

pro-voque une accumulation

_partielle

_{du gaz}

_qui

_y

pénètre,

à cause de sa

_géométrie,

en sorte _que la

quantité

détectée serait une fonction du

_temps,

d’allure intermédiaire entre

_j(r)

et f0 T

_j(t)

dt.

L’in-tégration

de la fonction normalisée

_j(T)

a _pour effet d’adoucir le front de

_montée,

mais dans la

pratique

l’accroissement de la densité entraîne un accroissement du

_gain

du

_détecteur,

de sorte

qu’il

n’est _pas

_possible

de savoir si cet effet est

bénéfique

ou non du

point

de vue de la raideur du front du

_signal.

Pour le

_savoir,

il faudrait faire des

expériences comparatives

avec deux

jauges

simi-laires,

dont l’une serait traversée _{facilement par} les

particules

et l’autre serait bouchée à l’extrémité aval.

On

_peut

aussi

_imaginer

d’autres

_détecteurs,

de

caractéristiques,

très différentes. La mesure

ins-tantanée de la

_pression,

c’est-à-dire de la

_quantité

de

mouvement

du flux de

_particules

se traduirait par une courbe de la forme :

Toutefois le

_paramètre

en

_question

semble diffi-cile à mesurer de

_façon

instantanée.

Également

l’énergie

cinétique

du

_flux,

mesurable

plus

facilement,

par des

procédés calorimétriques

ultra-rapides,

ferait

_apparaltre

la fonction :

dont le front très raide serait une

_{caractéristique}

intéressante.

III. DESCRIPTION DES

EXPÉRIENCES

Trois séries

_{d’expériences}

ont été

_effectuées,

deux en vue de vérifier la théorie

exposée ci-dessus,

la troisième série _pour déterminer effectivement des

températures

inconnues.

Expérienees

de vérification et

_{d’étalonnage}

LeS températures

connues sont la

_température

ambiante d’une

_part,

290

_OK,

et la

_température

d’explosion

d’un

_{mélange d’hydrogène}

et

d’oxy-gène,

de l’ordre de 3

_000,DK,

d’autre

_part.

L’appareillage

est assez semblable dans ces deux séries

_{d’expériences : (fige}

₄₎

une cavité d’environ 1 cm3 est

_placée

au sommet d’une colonne d’un mètre de hauteur. Dans cette cavité est introduit le _{gaz dont} on veut mesurer la

_{température.}

Elle est

_séparée,

par une feuille de

cellophane,

de la

colonne où

_règne

un vide de 10--’

mmHg.

A la

(1) Cette dernière suit une évolution de la forme :

A(1/’T:8) e-(1/t2).

base de la colonne se trouve une

jauge

de

Penning

qui

remplit

le rôle de détecteur de

_particules.

Son fonctionnement est très

_{simple :}

une

décharge

continue est établie dans _{le gaz} ambiant entre deux

électrodes,

l’efficacité _{du processus} d’ionisation est

augmentée

par un

_champ

magnétique

judicieuse-ment

_’placé,

ce

_qui

_permet

de mesurer des

pres-sions très basses

_(de

l’ordre de 10-5

_mmHg).

Le

signal

est obtenu

_par

la mesure du courant

_qui

passe dans le gaz entre les deux électrodes. La

tension -

de 1 200 V - est

_appliquée

à la

_jauge

par l’intermédiaire d’un condensateur de

0,25

uF,

lui-même

_chargé

à travers une résistance très

éle-vée,

de 20 MQ. Cette

_précaution

a _pour but de

limi-ter l’observation au seul début de la

_réponse

et d’éviter l’obscurcissement _{du cliché par les}

phéno-mènes

_{parasites qui}

se

_produiraient

_après

(accom-pagnés

de

_{plusieurs balayages inutiles).}

10 MESURE DE LA TEMPÉRATURE AMBIANTE.

-Le gaz -

oxygène

ou

_hydrogène

- est introduit

sous

pression

dans la cavité _par un tube

_capillaire.

La

_pression

d’éclatement de la feuille de

_cellophane,

environ 3

_kg/cm2,

est atteinte en

_quelques

secondes.

La membrane a _reçu avant sa mise en

_place

sur la

colonne,

un

_dépôt

_d’argent

_par

_peinture

sous forme

d’un

trait réunissant _{deux électrodes fixes. La} rup-ture de la _{membrane provoque,}

_ainsi,

l’ouverture

d’un circuit et le déclenchement de

l’oscillos-cope

(flg.

5

abcd).

Avec chacun des deux gaz

uti-lisés, on;a

obtenu deux clichés montrant une

repro-ductibilité très satisfaisante. Le

_{dépouillement}

est

assez délicat. Il est fait _{par deux méthodes}

diffé-rentes. Dans les deux cas on admet _que la courbe

enregistrée

est

_{représentative}

de la fonction

_j«)

déjà

étudiée

_{(fin. 3).}

a)

Après

la

_brusque

courbure

_qui

suit le

_départ

apparent

du

_phénomène

_(’t"

~

0,25),

la courbe

pré-sente une

partie

_presque

rectiligne,

la

_tangente

en

cette

_région

_coupe l’axe des

_temps

à l’instant t~

_0,34.

Si l’intervalle des

_temps

ainsi mesuré sur

l’oscillogramme

est At on en déduit :

m étant la masse de la

_{particule, k}

la constante de

Boltzmann et 1 la

_longueur

du

_trajet.

D’où en

défi-nitive : .

M étant la masse

_atomique

et At

_{étant,exprimé}

en

millisecondes.

b)

La

_{fonction j}

(r) présente

les valeurs sui-vantes :

Il est

_possible

de reconstituer cette

_progression

l’ins-29

tant

_{Ati correspondant}

à T =

0,25.

La

tempéra-ture est _{alors donnée par :}

Les résultats obtenus par cette deuxième

mé-thode de

_{dépouillement,}

_pour une

_températue

réelle de

_290,DK,

sont :

pour les deux clichés.

N.B. - Le

_{systématisme}

_qui

_apparait

_pour

l’hydrogène

est

_peut-être

dû en

partie

ou en totalité à la lenteur relative de la

_rupture

de la membrane.

20 MESURE DE LA TEMPÉRATURE D’EXPLOSION

DU

MÉLANGE HYDROGÉNE-OXYGÉNE. -

L’explo-sion étudiée est celle d’un

_{mélange d’hydrogène}

et

_d’oxygène

dont les

_proportions

sont définies

par

l’équation

de réaction :

Ce

_mélange

a été choisi car il ne laisse _pas

d’hy-drogène

en excès

_qui

donnerait une

_réponse

pré-maturée. Il ne

_peut

laisser _{que de}

_l’oxygène

en excès sous les formes :

O2 :

M =

32,

qui

arrive au détecteur avec un

grand

retard.

0 : M =

16,

qui

peut

entrainer une erreur

(par

excès)

inférieure ou

_égale

à 12

_%.

A 3 000 OK la concentration en

_oxygène

ato-mique

peut

atteindre

_quelques

centièmes.

La

_température

atteinte dans une flamme ainsi

alimentée,

à la

_{pression atmosphérique,}

est de

2 900 oK

_{(Réf. 1).}

A volume

_constant,

si l’on admet _que le

_degré

de dissociation est le

_même,

la différence entre

en-thalpie (pression

constante)

et

_énergie

interne

(vo-lume

_constant)

_est,

_pour la même

_{,température}

et pour une

_{molécule-gramme}

de

H20 :

m(C - c) (T

-

373)

.--- 5 kcal _ce

qui

entraîne une correction de 60° environ. D’où finalement une

température

de

_{l’explosion}

_comprise

entre 2 950

et 3 _{000 oK.}

Le

_{mélange, réglé}

au _moyen de deux débitmètres à

_perte

de

_charge,

entre dans la cavité et en sort

par deux

petits orifices,

et la

balaye

en _permanence

à une

pression légèrement supérieure

à la

pression

atmosphérique.

L’explosion

est proi

1quée

par une

étincelle

électrique

à l’intérieur de k

_cavité,

étin-celle

_qui

déclenche en même

_temps

le

balayage

de

l’oscilloscope.

Un

_premier

détecteur est constitué

par deux

petites

électrodes distantes de 1 mm,

placées

immédiatement en aval de la membrane

et soumises à une différence de

potentiel

de 400 V

(fin.

4):

Au moment de la

_{rupture, les}

gaz de

com-bustion sont suffisamment ionisés _pour

_qu’une

petite

décharge

ait lieu. Le

_courant

_qui

_passe

alors entre les deux électrodes est

_enregistré

sur

l’une des deux voies d’un

_oscilloscope

_bicourbe,

tandis que l’autre voie est affectée au

signal

de la

jauge

de

_Penning.

Le déroulement du

_phénomène

est le suivant : à

_partir

de l’instant de l’étincelle

Fig. 4a. - Mesure de la _température ambiante. 1, mem-brane. -

2, capillaire. -

3, bouteille 150 kg.

-4, déclenchement. -

5, dépôt

d’argenti

reliant les

électrodes. _--6, sommet de la colonne.

Fig. 4b. - Mesure de la

température d’explosion du

mélange hydrogène-oxygène. 1, fuite réglable. - 2,

éclateur à étincelles. -

3, débitmètre. -

4, signal de

rupture.

le retard à la

_rupture

de la membrane est de

200

_Us.]

L’écoulement à forte

_pression

_et

forte

densité dure environ 100 _{vs. Il} est suivi _pen· dant

_{200 us}

d’un

_{’écoulement à}

_plus

fàible

den-sité,

autant

_{qu’on puisse}

en

_juger

_par le

_signal

du.

30

FIG. _{5a-b) Oxygène} à la température ambiante _{(290 OK).} Le déclenchement de _{l’oscillographe} - instant 0 -

est

pro-voqué par la rupture de la membrane. La température déduite des deux _{oscillogrammes} est 295 °K.

Fie. 5c-d. -

Hydrogène à la _température ambiante. Même processus qu’en a-b). Les températures déduites sont :

c) 262 _{oR, d)} 254 oR.

Fie. _{5e-/) Explosion} du _{mélange oxygène-hydrogène.} Le front de la courbe _{supérieure correspond} à la _rupture de la

mem-brane. La courbe inférieure est la _réponse de la _jauge de PENNING. Les _{tempéraiuressonte)} 300 OK _f) 3 480 OK.

jauge

de

_Penning

se situe à 140 ys environ de

l’instant de la

_rupture,

et _par

_conséquent

avant

la fin de l’écoulement.

Le

_{dépouillement,}

_{effectué par} les deux méthodes pour

sept clichés,

fournit les valeurs

_suivantes,

affectées chacune d’erreurs de l’ordre

_{de :1:}

10

_%

et

_qui

sont : 3 300o 3 48Qo 3 4800 3 6800 -3 3000 - 3480o - 3 480 OK. La _moyenne est

3 450

_OK,

l’incidence des erreurs

_purement

acci-dentelle

_(dosage

du

_{mélange, rapidité}

de

_rupture

de la

_membrane,

_{dépouillement)}

étant de l’ordre de 1000. Il semble donc

_qu’il

_y ait une erreur

sys-tématique

assez

importante,

la

_température

théo-rique

de

_{l’explosion}

’étant de 3 000,OK. Mais une

explication

possible

que nous _avançons sans autre preuve est que le début de la

réponse

est dû non

pas à de la vapeur d’eau

(.H 20

=18),

mais à un

mélange

de vapeur d’eau et

_d’oxygène

_atomique

(0

=

16). Auquel

cas la

_température

mesurée serait une valeur intermédiaire entre 3 000 et 3 450 OK. La

_pondération

ne se fait _pas

_{proportionnellement}

aux

_{concentrations,}

elle «

_avantage

» les

_particules

légères.

Les résultats de ces deux séries

_{d’expériences}

montrent _que la méthode est

_valable,

et _{que, si} elle fournit

_parfois

des valeurs entachées d’erreurs

systématiques,

ces erreurs sont assez faibles en valeur relative. On

_{peut espérer}

_qu’une

améliora-tion de la théorie de la méthode

_permettra

de les

prévoir

en fonction du

_{dispositif expérimental}

et d’obtenir en fin de

_compte

une thermométrie

Exemple

de détermination d’une

_température

inconnue. - Il

s’agit

des

_{phénomènes provoqués}

par des

impulsions

de courant intenses -dans des conducteurs résistants

_{(réf. 2) (fig. 6, 7).}

FIO. 6.

- Température des explosions de fils; dispositif

expérimental. 2013 1, oscilloscope (mesure du courant).

--2, résistance coaxiale en carbone _(0,01 fi). - 3,

écla-teur. - 4, colonne. - 5, collecteur. - 7, oscilloscope. - 8, dépôt de _graphite. FIG. 7. -

Température des explosions de fils.

Enregis-trement des _{phénomènes.}

La

_décharge

d’un condensateur dans un fil fin

placé

dans le vide

_produit

un

plasma

de

tempéra-ture très élevée. De nombreux travaux ont

_permis

de montrer _que ces

_{températures}

_atteignent

le million de

_degrés.

Nous avons cherché à déduire

ces

_{températures}

des vitesses

d’éjection

des

parti-cules à

_partir

du

_plasma.

L3 condensateur de 2

_gF

est

_chargé

à 5 000 V.

Il se

_décharge,

_par une étincelle

_commandée,

dans

le conducteur résistant à étudier

_qui

_constitue,

avec ses

connexions,

l’exploseur.

C’est une boîte

métallique

communiquant

avec l’enceinte à vide

par

un trou de 1 cm. Les

parois

de la boite servent de conducteur de retour et la

_symétrie

de l’en-semble

_permet

de rendre

_négligeable

l’action

ma-gnétodynamique

sur la matière

éjectée.

On

_enregistre

le courant sur un

oscillographe

en

recueillant la tension

_produite

aux bornes d’une

résistance de

_{0,01 Q}

_placée

en série dans le circuit.

La self du circuit et du condensateur donne une

fréquence

d’oscillation de 150

_{KHz. ,}

L’exploseur

est

_placé

au sommet de la colonne

déjà décrite,

recouverte intérieurement de

gra-phite.

La vitesse des

_particules

_éjectées

est mesurée à la base de la colonne non

plus,par

une

_jauge

de

Penning,

mais _par un détecteur de

particules

com-portant

deux

_électrodes,

une cible

cylindrique

portée à

un

_potentiel

_négatif

et un collecteur axial mis à la terre à travers une résistance de mesure

de 100 Q. La

_couche

de

_{graphite qui}

couvre

inté-rieurement la colonne est mise à la terre à travers une résistance de 5 000 03A9. Les

_particules

émises

par

l’exploseur

bombardent la cible en lui

arra-chant des électrons

_qui

sont _{recueillis par le}

col-lecteur. Les

_{précautions prises}

_(écrans

_électriques

judicieusement placés)

et les.

_expériences

complé-mentaires effectuées amènent à la conclusion _que les

_particules

détectés sont des atomes _neutres, excités ou non.

Le

_premier

conducteur

_essayé

est un fil de

3/100e

de millimètre en

_alliage

de 40

_%

de cuivre

et 60

_%

de nickel. On

_place

en

_parallèle

une

di-zaine de brins de 8 mm, la résistance de l’ensemble

étant environ 1 03A9. A la

_{pression atmosphérique,}

la

_décharge

d’une

_énergie

de 10

_joules

détruit

immédiatement l’ensemble de ces brins. Par

con-tre,

dans un bon vide les filaments résistent à une

centaine d’essais. Dans ce cas une

évaporation

par-tielle se manifeste à la surface du matériau avant que la masse centrale

_puisse

fondre et dans cette

vapeur â

faible

_pression

un arc

_s’amorce,

sa résis-tance est si faible

_qu’il

shunte et

_protège

le fil.

. Nous supposons que la

propagation

de

l’énergie

est _{amorcée par} une onde à front raide. Le

_champ

électrique perpendiculaire

à la surface serait très

élevé

et,

_quoique

de faible

_durée,

serait

_susceptible

d’arracher au conducteur des

_particules

_chargées.

Ces dernières

_{engendreraient ensuite,}

_par

bombar-dement,

la couche _gazeuse où se

_produit

l’arc. Cet

arc à basse

_pression

dure

_quelques

_{microsecondes,}

pendant lesquelles

il atteint une

_température

très

élevée.

_{L’expansion}

de ce _gaz, observée au _moyen du détecteur à deux

_électrodes,

fournit un

signal

de .durée

_variable,

à front

_raide,

retardé de 20 à 40 ys par

rapport

au début de la

décharge.

Les

vitesses des

_particules

détectées sont

_comprises

entre 20 et 50

_km/s,

ce

qui

correspond

à des

éner-gies

de 150 à 800

_{eV, réputées}

suffisantes _pour pro-voquer une émission secondaire d’électrons _par

32

de transformer

_simplement

ce

_signal

en

_spectre

des vitesses ou des

énergies.

Il faudrait

pour

cela con-nattre le nombre y d’électrons émis par atome

inci-dent en fonction de

l’énergie

de celui-ci. On

peut

cependant

faire les

_{hypothèses grossières}

_{que y est}

constant pour les

énergies

les

plus

élevées et que

la distribution des vitesses est

_{maxwellienne,}

comme dans les

_expériences

_{précédentes.}

La valeur ainsi déterminée est d’environ 10" OK. Une

tempé-rature aussi élevée est considérée comme

_probable

par

SERRER

_qui

écrit

_{l’équilibre}

entre

_l’énergie

rayonnée

par le gaz chaud et

l’énergie électrique

introduite

_{(réf. 3).}

.

Des

_{expériences identiques}

ont été conduites en

remplaçant

le fil _{fin par} un morceau de mine de crayon de 25 mm et 2mm de diamètre. Dans le vide les

_phénomènes

sont très semblables à ceux

observés avec les fils : lueur vive et

_éjection

de

matière de vitesse

_comparable.

En admettant _que

. la matière

éjectée

est du

carbone,

la

température

observée serait d’environ 150 000,DK. IV. CONCLUSION.

L’originalité

de la méthode décrite - caractère

qu’elle

partage

d’ailleurs avec les méthodes

op-tiques

- est

qu’elle

ne fait pas

appel

à un

échange

de chàleur entre lé _corps

étudié

ét un

_autrerorps.

Or,

on dit souvent

des

thermomètres

_qu’ils

ne

mesurent _{que leur propre}

_{température.}

Ici il

_n’y

a _pas

interaction

mutuelle : les

_particules

issues du corps ont bien une action sur la

_jauge,

mais inversement la

_jauge

n’a _pas d’action sur _{le gaz}

étudié. Par

_rapport

aux méthodes

_optiques,

lets

avantages

sont de

deux

sortes :

--10 La théorie de

_départ

est très

_simple

d’une

part,

et vérifiée

_par

_{l’expérience}

d’autre

_part,

ce

qui

tend à prouver sa validité.

20 Le domaine

_{d’application}

est

_beaucoup

_plus

étendu,

aussi bien du côté des

_{températures}

basses

que du côté des

températures

très

_élevées,

sans

qu’il

soit besoin de

_changer

de

_phénomène

phy-sique

de base. D’autre

_,part,

la facilité de mise en oeuvre est à peu

_près

du même ordre que celle des

méthodes

_optiques.

,

La continuation des

_rechercha

_comportera

une

amélioration de la

_théorie,

_fondée

sur une

_analyse

plus

fine du mécanisme

_{d’éjection}

au niveau de la

membrane,

d’autres séries

_{d’expériences}

dans des cas

_concrets,

et enfin des déterminations faites en concurrence avéô dés méthodes

_optiques.

BIBLIOGRAPHIE

[1]

Techniques

de l’Ingénieur. Généralités, tome I, A 540-10.

[2] C. R. Acad. Sc., 1961, 252, 2084-2086.

[3] SCHERRER _{(V. E.),} « _{Exploding wires »,} Plenum _Press