Sur la possibilité d'utiliser des raies d'absorption comme étalon primaire de longueur

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Submitted on 1 Jan 1958

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Sur la possibilité d’utiliser des raies d’absorption comme étalon primaire de longueur

Wm G. Fastie

To cite this version:

Wm G. Fastie. Sur la possibilité d’utiliser des raies d’absorption comme étalon primaire de longueur.

J. Phys. Radium, 1958, 19 (3), pp.405-408. �10.1051/jphysrad:01958001903040500�. �jpa-00235864�

405.

SUR LA POSSIBILITÉ D’UTILISER DES RAIES D’ABSORPTION COMME ÉTALON PRIMAIRE DE LONGUEUR

Par WM. G. FASTIE,

The Johns Hopkins University, Baltimore, ^U.S.A.

Résumé.

Il est possible d’établir, ^{dans un} gaz absorbant; des conditions de température ^et

de pression, telles que ^ses raies d’absorption ^{aient des} longueurs ^d’ondes invariables, ^tandis que les raies d’émission sont sujettes ^{à des} variations de longueur ^d’onde dépendant ^{des conditions}

d’excitation. Des limitations expérimentales ont, toutefois, restreint les travaux sur l’étalon pri-

maire de longueurs ^aux raies d’émission. Cet article décrit le développement ^de techniques qui permettent ^{des mesures de} précision comparable ^{avec des raies} d’absorption de la vapeur d’iode,

sous une pression ^{de 0,2 microns, à 250 °K.}

Une source à Hg198, ^est observée dans la direction d’un champ variable. Une lame quart ^d’onde

et un analyseur isolent ^{une des} composantes de Hg 5461, qui ^{éclaire un} interféromètre-monochro- mateur de Fabry-Perot ^à grande différence de marche, balayé par variation de pression. ^{Quand la}

cuve à absorption ^est placée ^{sur le} faisceau, ^on ajuste ^le champ jusqu’à ^ce qu’une ^{des raies} d’absorp-

tion de I2 ^recouvre la raie de Hg. La forme de la raie d’absorption ^{a été} mesurée photoélectriquement

par balayage de l’interféromètre. Des photographies ^{des anneaux de} Fabry-Perot ^en absorption

ont été également obtenues. On a trouvé, pour la largeur ^des deux raies qui ^ont été étudiées parti- culièrement, 0,030 cm-1, soit environ 2,5 ^{fois la} largeur Doppler, vraisemblablement à cause de l’effet de spin nucléaire de I 127. Malgré ^la largeur ^des raies, ^leur invariance absolue en longueur

d’onde semble les rendre au moins comparables ^aux raies d’émission étalons actuellement pro-

posées. Toutefois, ^la présence ^{de l’effet de} spin ^{nucléaire exclut la} possibilité ^d’affiner les raies par utilisation de jets moléculaires.

Un travail est en cours pour appliquer ^des techniques analogues ^{aux raies} d’absorption ^de Hg provenant de l’état fondamental.

Abstraet.

It is possible ^to establish conditions of pressure and temperature ^{in an} absorbing

gas ^so that its absorption ^{lines are} invariant in wavelength, whereas emission lines are subject ^to wavelength ^shifts dependent upon the condition of excitation. Experimental limitations have, however, restricted work on the primary length ^{standard to emission lines.} This paper describes the development ^of techniques which make it possible ^{to achieve} comparable measurements accuracy with absorption ^{lines of} I2 vapor ^{at a} pressure of ² microns and at a temperature ^{of 250 °K.}

A Hg ^{198 source was viewed} along ^{a variable} magnetic ^{field. A} quarter ^wave plate ^{in combi-}

nation with a polaroid sheet isolated one of the Hg ^{5 461} components which illuminated a long.

path Fabry-Perot interferometer-monochromator which was scanned by variation of air pressure When the I2 absorption ^{tube was} placed ^{in the} light path, ^the magnetic field could be adjusted

until one of several I2 absorption ^lines overlapped ^the Hg line. The shape ^{of the} absorption

line was measured photoelectrically by scanning the interferometer. Likewise photographs ^of

the Fabry-Perot patterns ⁱⁿ absorption ^were obtained.

The half width of the two lines which have been carefully ^{studied was found to be 0.030 wave} numbers, ^{about 2.5 times the} theoretical Doppler width, presumably ^{due to} the nuclear spin

effect of I 127. In spite of the width of the lines, ^their absolute invariance in wavelength ^makes

them appear ^to be at least comparable ^to presently proposed emission line standards. However,

the presence ^of the nuclear spin ^effect precludes ^the possibility ^of narrowing ^{the lines} by ^molecular

beam techniques.

Work is in progress in applying similar techniques ^to ground ^state absorption ^{lines of} Hg.

PHYSIQUE RADIUM TOME 19, 1958,

Depuis que la longueur-d’onde d’une raie spec- trale ^fut proposée comme étalon primaire ^{de lon-}

gueur, les recherches à ce sujet ^ont été presque exclusivement consacrées à l’étude de raies d’émis- sion de ^sources gazeuses. L’objet ^{de cette commu-}

nication est de décrire les avantages ^{de raies} d’absorption ^{et de montrer leurs} possibilités ^comme

étalons primaires ^de longueur.

1. Invariabilité des raies spectrales.

^{Les tubes}

à décharges ^à isotopes purs ^modernes qui , ont ^été proposés ^{comme sources,} fournissent des ^raies

d’émission qui ^sont invariables dans les limites actuelles des mesures interférométriques, ^c’est-à-

dire dans la limite de quelques pour 10". Une ^inva-

riabilité absolue ne peut pas être ^{réalisée avec une}

source d’émission à cause âes variations de lon- gueur d’onde imprévisibles ^induites par le champ électromagnétique ^et par ^la température ^{et la} pression ^{des atomes} émetteurs, Dans un tube

d’absorption, par contre, ^aucun champ électrique

ou magnétique n’est nécessairement présent ^{et la} température ^{et la} pression du gaz peuvent ^être déterminées exactement. L’invariabilité absolue qui

en résulte pour ^{les raies} d’absorption ^{est un avan-}

tage appréciable ^{si le} problème ^{de mesure en} absorption peut ^être résolu.

II. Mesure de précision ^{de raies} d’absorption ^de

l’iode.

^En vue d’obtenir une mesure précise ^de

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphysrad:01958001903040500

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longueur ^{d’onde sur une raie} d’absorption simple ^et fine, ^{avec un} interféromètre Fabry-Perot, ^{il est}

nécessaire _que le fond spectral continu soit uni- forme en intensité et qu’il ^{ait une} largeur spectrale

au plus égale ^{au domaine} spectral ^{libre de l’interfé-} romètre ; ^{avec une cale de} 5 cm, par exemple, ^on

doit avoir une largeur spectrale ^au plus égale

à 0,1 ^{cm-1. Un très} grand monochromateur à réseau de précision ^est nécessaire pour ^{isoler une}

portion ^de spectre continu aussi étroite. On peut également employer ^une raie d’émission isolée, ^de

même longueur ^d’onde que la raie d’absorption ^à étudier, élargie par pression ^et (ou) par effet

Zeeman, pour fournir ^{le fond} continu ^uniforme demandé, ^ce qui évite l’emploi ^d’un système pré- disperseur.

La dernière méthode a ét é employée pour étudier

FIG. 1.

Enregistrement microphotométrique ^{de la raie}

verte de Hg ; ^{le tracé en} pointillé ^{montre le} spectre d’absorption ^de I2 superposé.

une raie du spectre ^de l’iode. Sur la figure 1, ^le

trait plein ^{est le relevé} microphotométrique ^d’une photographie de la raie verte du mercure obtenue

avec un spectrographe ^{à réseau} plan ^{à haute réso-}

lution. La courbe en pointillé représente ^{le même} spectre ^avec interposition ^{d’un tube à} vapeur d’iode sur le faisceau. Plusieurs raies de l’iode sont mises en évidence ; ^celle qui ^{se trouve} juste ^à gauche ^{du centre tombe} presque exactement sur la raie simple ^{non résolue de} Hg .204. ^{On a donc}

utilisé une source de Hg ^{204 avec} des filtres _pour fournir un ^« continu » étroit pour ^{la raie} simple ^de

l’iode.

Le montage ^est représenté ^{sur la} figure ^{2. La source}

à Hg 204 était dans le champ ^d’un électro-aimant à courant alternatif qui permettait d’ajuster ^{la lar-}

geur du continu. La lumière traversait une cuve à

absorption vidée et, munie d’un tube latéral qui pouvait ^être refroidi pour contrôler ^la pression ^de

l’iode dans la cellule. La figure d’interférence du

Fabry-Perot ^était photographiée ^{avec un} appgreil photographique ^{de 30 cm de} distance focale. Sur la figure 3; le cliché central est un positif ^des franges ^de Fabry-Perot de la raie d’absorption ^de

l’iode. Au-dessus et au-dessous sont photographiées

les franges ^{obtenues avec une source} Meggers

à Hg 198. L’examen visuel de la figure ³ suggère

que les diamètres des franges pour ^{les deux} figures

d’interférence peuvent ^{être mesurés avec} à peu près

la même limite d’erreur. Les mesures de diamètre de

franges ^{sur les} plaques originales confirment cette ccnclusion. Ces résultats montrent que ^l’on peut

réaliser les conditions expérimentales appropriées

à des mesures .de longueurs ^{d’onde en} absorption jusqu’à ^{la limite} d’erreur de l’interféromètre.

III. Possibilité de prendre ^une raie de l’iode comme étalon primaire.

I2 ^se trouve, ^{dans la} nature, ^{à l’état} d’isotope ^{pur de} poids ^molé-

culaire 254 ; ^la pression ^{de vapeur est de} 0,3 ^micron

à 254 ’OK, pression pour laquelle ^il y ^{a une} absorp-

tion notable sur un trajet ^{de 1 m et} pas d’élargis-

sement par pression. ^La largeur Doppler ^calculée

des raies se compare ^très favorablement ^aux lar- geurs observées d’autres ^raies qui ^{ont été} proposées

comme étalons. Cependant ^la largeur ^{observée de}

FIG. 2.

Appareil pour photographier ^le système d’anneaux F.-P. de la raie d’absorption de I,.

deux raies de l’iode était environ 2,5 ^{fois la} largeur Doppler..

été mesùrées Les largeurs ^{de raies de l’iode ont} été mesurées

avec un interféromètre-monochromateur photo- électrique, balayé ^en longueurs ^d’onde _{par varia-}

tion de la pression ^dans l’interféromètre, ainsi que le montre la ^{figure 4. On a employé une variante}

de la technique ^de production du fond continu utilisant ^une source à Hg ¹⁹⁸ fonctionnant dans le

champ ^d’un électro-aimant et vue.dans la direction du champ. ^{Une lame} quart ^{d’onde et un} polaroïd isolaient ^{une des} composantes ^Zeeman dont ^la

longueur ^d’onde pouvait ^être réglée ^{en faisant}

varier le champ. ^Les composantes ,étaient quelque

peu élargies par ^{la structure} Zeeman et aussi par le fonctionnement du tube à une pression supérieure.

Les performances du monochromateur furent contrôlées avec le tube à Hg ^{198 marchant à 0 OC}

3 et5 OC. Les enregistrements ^{de la} figure ^{5 corres-} pondant ^{à ces deux} conditions, ^montrent que les raies du ^{mercure sont} plus larges ^{à la} température ^la.

plus ^{élevée. La} largeur a, m.i-hauteur, 0.021 cm-1

.

à 0 OC, ^{est en accord avec celle} d’autres obser- vateurs ^et montre _que le, monochromateur avait

FIG. 8.

Comparaison ^-des anneaux -de 198Hg (en ^{haut et en} bas) ^{avec ceux} donnés par l’absorption ^dans 12.

FIG. 4.

Interféromètre à balayage pour ^{mesurer les} largeurs ^{des raies} d’absorption ^de I2.

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des performances correctes. La figure ⁶ montre les résultats obtenus avec la vapeur d’iode ; ^{la courbe} supérieure ^est l’enregistrement ^{de la raie verte de} Hg 198, déplacée ^et élargie, ^{le tracé} intermédiaire

présente ^en plus l’absorption ^de I2, ^{et le tracé du}

FIG. 5.

Mesure de la largeur ^de 198Hg ^{à 0 OC et 35 °C.}

Interféromètre enregistreur ; cales de 75 mm. Domaine

spectral ^{libre : 0,0666 em7l.}

FIG. 6.

Raie d’absorption ^de 12 ^{mesurée avec l’interfé-}

romètre à balayage. Interféromètre enregistreur ; ^cales

de 75 mm. Domaine spectral libre : 0,0666 cm -1..

bas est le rapport ^{des deux mesures.} Avec ^{ce genre} d’enregistrement, ^{on a} obtenu, pour deux raies différentes de l’iode, ^une largeur ^{à mi-hauteur} égale ^à 0.030 cm-1. La largeur ^{de ces raies est} probablement ^{due à des effets de spin nucléaire.}

Bien _que les raies de l’iode soient larges ^{elles se} comparent favorablement ^avec les raies d’émission étalons proposées, ^{à cause} de l’invariabilité absolue de leur longueur ^d’onde. Cependant ^il apparaîtrait

désirable d’utiliser ^un gaz absorbant qui ^donne

seulement la largeur Doppler, ^ce qui permettrait

d’employer ^les techniques ^de jets atomiques ^et

moléculaires pour réduire ^encore plus ^la largeur ^de

raie.

IV. Travail futur.

La raie d’absorption ^fonda-

mentale de Hg ^{198 à 2 537 A} pourrait ^convenir

comme étalon primaire. ^On projette ^{d’étudier cette}

raie en employant une source à Hg 198, ^{à raies}

convenablement élargies, pour éclairer ^un tube

d’absorption ^à jet atomique ^{de mercure naturel.}

Les raies de la source à Hg ^{198 ou de toute autre}

source pourraient alors être étalonnées par rapport

à la raie d’absorption ^{de l’état} fondamental; et ^ces

raies d’émissions pourraient ^{être utilisées comme}

étalons secondaires de travail _pour mesurer direc- tement des longueurs.

La largeur des raies d’émission limite la longueur physique qui peut ^être directement comparée ^{à un}

étalon de longueur ^{d’onde. Il} paraît ^réalisable cependant, d’utiliser un interféromètre-monochro-

mateur à haute résolution pour produire une ^source

artificielle -de trèB faible largeur spectrale. ^La

figure ^{7 est un schéma de} l’équipement ^{où un inter-}

féromètre F.-P. à cales de 75 ^{mm a} été utilisé pour

produire une source artificielle éclairant ^{un inter-}

féromètre ^{F.-P. à cales de 50 cm. Aucune} frange ^n’a

encore été observée sans doute à cauae des diffi- cultés dé- réglage ^et de la limitation d’intensité lumineuse. Le travail est en cours.

REMERCIEMENTS. - ^{Ces études ont} été pra-

tronnées par ^un contrat ^de recherches entre l’Office of Nerval Research, Washington ^D. C., ^et l’Institute

’ for Coopérative ^{Research, Johns Hopkins Univer-} sity., Je désire remercier le Pr G. H. Diekej ^{de ce} laboratoire, ^{de ses} suggestions ^{utiles et} nombreuses,

et pour avoir mis les moyens de son laboratoire à ma

disposition pour ce travail.

DISCUSSION

DISCUSSION

J. Terrien.

Je signale ^{que les} expériences ^de

,

franges ^de superposition ^de Fabry, par exemple

entre un grand ^{étalon de 1 mètre et un étalon} plus petit quelconque permettent toujours d’obseryer

des franges ^{avec une raie du} Hg ordinaire. Je ne

comprends pas ^comment l’introduction d’un dia-

phragme peut ^faire disparaître ^les franges.

Wm. G. Fastie.

Je rie _{pense pas} que le dia-

phragme ^{ait rien à voir avec} l’échec de l’expérience.

Fie. ^7.

Appareil pour l’étude de longs trajets optiques, ^{avec une raie} produite artificiellement.