Sensibilité et fidélité des oscillateurs autodyne en spectroscopie hertzienne

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Sensibilité et fidélité des oscillateurs autodyne en

spectroscopie hertzienne

Maurice Buyle-Bodin

To cite this version:

159

SENSIBILITÉ ET

FIDÉLITÉ

DES OSCILLATEURS AUTODYNE EN SPECTROSCOPIE HERTZIENNE

Par MAURICE

_BUYLE-BODIN,

Laboratoire

_{d’Électrostatique}

et _Physique du Métal _(C. N. R. S.),

Laboratoire de Radioélectricité de la Faculté des Sciences, Grenoble.

Résumé. 2014 L’étude du niveau d’oscillation d’un oscillateur H. F. soumis à l’action d’une absorption d’énergie dans le circuit oscillant, absorption modulée en basse _fréquence, montre que

l’oscillateur _réagit de la même façon qu’un circuit basse _fréquence sélectif. L’amortissement de ce

circuit _dépend du niveau d’oscillation.

On en déduit _{que les} oscillateurs « _{autodynes »} utilisés _pour la visualisation directe en

spectro-scopie hertzienne ne _{peuvent pas} être fidèles alors que l’on peut atteindre à volonté leur sensibilité maximum.

Un oscillateur est décrit avec la discussion des formes de courbes de résonance _qu’il fournit.

Abstract. 2014 The

computing of the level of oscillation for an h. f. oscillator, in which there is a modulated absorption of energy, shows that this oscillator acts like a selective low _frequency

circuit ; damping in _this circuit _depends on the level of oscillation.

It is found that an " _autodyne " oscillator when used to _{display directly} the resonance lines

in microwave _spectroscopy cannot have a _{good fidelity} when _adjusted for maximum sensi-tivity.

An oscillator is described and the patterns of the resonance lines obtained are discussed.

PHYSIQUE AU N°

PHYSIQUE APPLIQUÉE TOME _20, DÉCEMBRE 1959,

Parmi les

_procédés

de détection des résonances

paramagnétiques électroniques

et nucléaires il faut faire une

_{large place}

à

_l’emploi

des oscillateurs

cntretenns

_(«

_autodynes

_~;)

et des oscillateurs

découpés «(sitperréaction

»).

Malgré

leur

_{sensibilité,}

ces derniers ont été souvent abandonnés au

_profit

des

_{premiers auxquels}

on attribue

traditionnel-lement

_l’avantage

de la fidélité. Nous allons

mon-trer _{que pour} un

emploi

en observation

directe,

avec un

_{balay age supérieur}

à la

_largeur

de la réso-nance, les

montages

d’oscillateur

_autodynes

peu-vent être rendus sensibles mais ne sont

_jamais

fidèles et nous attirons ensuite l’attention du

lec-teur sur la valeur des raies de résonance

_qu’il

détecte avec ces

_montages.

Toutes les

_qualités

_(et

_défauts)

de ces

oscil-lateurs résidant dans la constante de

_temps

_du

sys-tème stabilisateur de

_{l’oscillation,}

nous allons

d’abord

_{rappeler quelques propriétés}

de

l’oscil-lateur avec stabilisation sans constante de

_temps,

puis

avec deux

_types

courants de stabilisation à constante de

_temps

_{pour conclure} sur les

consé-quences de

l’emploi

de ces

_montages

en

spectro-scopie

hertzienne.

I. Position du

_problème.

- Nous

rappelons que,

disposant

d’un oscillateur à la

_fréquence

cyclique

mo, nous cherchons à détecter la variation de

_{l’amplitude F,}

des oscillations lors d’un _passage

à _{la résonance pour l’échantillon}

_placé

dans la

« self ~~ du circuit oscillant

_(C.

_0.)

d’oscillateur.

L’absorption d’énergie magnétique

mise en

_jeu

est si _{faible que} la variation relative

_{d’amplitude}

est extrêmement

_{petite ;}

_par suite nous _pouvons

lier

_{l’amplitude}

E =

Eo(l

-~--

c)

de l’oscillation à la

conductivité de

_perte

du circuit oscillant G =

Go(l

+

y)

en nous contentant d’étudier la

relation entre c et y considérés très

_petits.

Si

_v"

est la

_{susceptibilité d’absorption paramagnétique}

de l’échantillon on sait

_qu’alors

_{y = -}

4n§x"Q

est le coefficients de

_remplissage

de la self

_{et Q}

son coefficient de surtension.

FIG. 1.

A la variation _y au cours du _passage à la réso-nance nous _{pouvons lier} un

_spectre

en

_fréquence

dont une

_fréquence

quelconque Q

sera

_toujours

très

_petite

devant _oeo la

_fréquence

de l’oscillateur.

I~a modulation

_{d’amplitude s}

sera donc de même

fréquence

D.

160

Pour suivre de

_{plus près}

le

_{problème qui}

nous

intéresse ici nous avons

_{pris l’absorption}

à la réso-nance comme source de modulation de

l’amplitude

d’oscillation,

mais il est évident

_qu’on

_peut

envi-sager tout autre

type

de modulation basse

fré-quence, telle que celle qui résulterait du battement de l’onde de l’oscillateur avec une onde extérieure

de

_fréquence

voisine ou celle

qui provient

des

tensions induites dans _{les circuits par} les bruits dus

au C. 0. et au tube de

_{régénération.}

II.

Étude

de l’oscillateur à stabilisation sans constante de

_temps.

--

~)

RAPPELS SUR LES

PRO-PRIÉTÉS DU CIRCUIT OSCILLANT PASSIF. - Soit _un

C. 0. constitué _par une inductance de facteur de

qualité Q importante

(couramment

de 50 à

₂₀₀₎

et

d’un condensateur de

_pertes

_{négligeables.}

On

_peut

alors le

_représenter

_{par le circuit}

_{parallèle (fig. la)}

qui

sépare

les termes réactifs L et C du terme de

perte

G. Dans ces conditions si est la

_fréquence

de résonance de ce circuit et cü ==

oeo + Q une

fréquence

voisine,

on sait _que l’on a :

et _pour

_impédance

du circuit

Ce circuit a donc une constante de

_{temps :}

b)

CAS D’UN OSCILLATEUR SANS CONSTANTE DE TEMPS DE STABILISATION. -- En

parallèle

sur le

circuit

_précédent

nous

_ajoutons

une source de

courant se

_comportant

comme une conductance

négative ;

soit -- cette conductance où S

repré-sente la

_pente

d’un tube de

_{régénération}

dans le

cas le

_plus

courant et oc un taux de réaction

(voir fig. lb).

La stabilisation des oscillations

_proviendra

d’une variation de ô’ avec

_{l’amplitude}

F des oscillations

(ou

le carré de

_{l’amplitude}

dans le cas d’une

détec-tion

_{quadratique).}

Prenons une stabilisation liée à

l’amplitude E

(modulée

à la

_{pulsation ~) ;}

nous dirons

ulté-rieurement la modification à

_apporter

_pour une

détection

_quadratique.

Dès lors :

k étant un coefficient

_{qui exprime}

le taux de stabi-lisation.

Soit e la tension alternative haute

_fréquence

aux

bornes du C. 0. :

L’équation d’équilibre

du

_système

oscillant s’ écrit :

où en faisant

_apparaître

on trouve

Cette

_{équation générale}

donne naturellement pour une modulation

_{d’absorption}

nulle :

c’est-à-dire :

En

_reportant

ces valeurs et en

_négligeant

les

termes du second

_ordre,

ainsi

_{que Q}

devant _Cùo,

on trouve _pour les termes traduisant _la compo-sante de la modulation c de

_{pulsation :}

ou

Cette relation

_exprime

la modulation

d’ampli-tude s résultant de la modulation

_{d’absorption}

y

selon une relation semblable à

_{l’impédance}

d’un C. 0.

_passif.

L’oscillateur se

_comporte

donc comme un C. 0. de facteur de

_qualité

Q§

_apparent

si on

_désigne

_par

_G~

une conductance

d’amor-tissement

_apparente

telle _{que :}

Dans ce cas la sensibilité de l’oscillateur sera

exprimée

par :

si on attribue à ce circuit basse

_fréquence

une

cons-tante de

_temps

_{To telle que}

Si on se souvient _{que F-} ==

y

= d G/Go l’expression

plus

haut s’écrit alors :

qui

montre bien le

_comportement

de l’oscillateur en tant _{que circuit basse}

_fréquence,

_comportement

résumé dans la

_figure

1c où il était évident _que devait

_apparaître

la source de courant

_(-

_{Fo d G)}

due à

_{l’absorption,}

mais dans

_laquelle

nous avons

pu introduire un terme d’arrortissement

_Gô

fonc-tion des

_paramètres

de l’oscillateur,

Remarquons

que si on avait utilisé une détec-tion

_quadratique

dans le circuit de stabilisation on

aurait encore trouvé des relations semblables aux

précédentes

mais avec cette fois :

ce

_qui

n’altère

_guère

les

_propriétés

de l’oscillateur. Nous supposerons donc

toujours

une stabilisation

du

_type

kE.

c) CONSÉQUENCES.

- La relation

(1) exprime

bien

_qu’un

oscillateur

_possède

les mêmes

_propriétés

de bande

_passante

_qu’un

C. 0.

_passif

à condition de lui affecter pour conductance

d’amortis-sement

_G*.

Ce résultat a été

déjà

obtenu par une

autre _{voie par H.}

_Hasenjâger

_{[1] qui}

en déduisait

les

_propriétés

sélectives autour de la

_fréquence

zéro d’un oscillateur haute

_{fréquence employé}

en

ampli-ficateur basse

_fréquence.

On remarque en

particulier

l’étroitesse de la

bande

_passante

au

_voisinage

de

_{l’accrochage}

(G’ 0 == ocso

-

Go

- 0 et

_pô

-

_oo)

_jointe

à une

grande

sensibilité

_théorique

de l’oscillateur.

L’expé-rience montre _{que c’est} un fort mauvais

fonction-nement _{pour la détection des} résonances car seules les

_composantes

très basses

_fréquences

du

_signal

se manifestent au milieu d’un bruit basse

fré-quence très

important

(dû

au bruit de scintillation des cathodes tout

_{particulièrement).}

Dans tous les cas la courbe c obtenue est

partiel-lement la dérivée par

rapport

au

_temps

de la

courbe

_{d’absorption théorique}

_{y et} sa forme

_dépend

donc de la vitesse de passage sur la résonance.

Une

_réponse

correcte ne

_peut

être

_approchée

qu’au

prix

d’une forte

_perte

de sensibilité en

s’éloignant

du

_{point d’accrochage (Q* 0}

devient alors très faible mais il en est de même de

_{1 /Gô}

donc de

_{E jY).}

III.

Étude

de l’oscillateur avec stabilisation à

constante de

_temps.

-

a)

DEUX TYPES DE

STABI-LISATION A CONSTANTES DE TEMPS. -

Rappelons

d’abord _{que dans} les oscillateurs utilisés on désire

éviter tout amortissement

_{supplémentaire}

du C. 0. lors de

_{l’adjonction}

du tube

_pris

souvent entre

grille

et masse. On

_opère

donc sans courant

_grille

et,

pour la stabilisation on utilise

_quelquefois

un

circuit de contre-réaction à

_partir

d’un détecteur

séparé

[2]

mais

_{plus généralement}

on

_compte

sur

la détection

_cathodyne.

_Celle-ci,

utilisant la

cour-bure de

_{caractéristique}

du tube _provoque le recul du

_potentiel

de

_grille

_par l’intermédiaire de la tension

_{positive qui}

_apparaît

sur la résistance de

cathode

_Re

_{(voir fig. 3).}

La démarche la

_plus

cou-rante des

_{expérimentateurs}

a alors été d’éviter la

contre-réaction de cathode

(aux

fréquences

utiles pour décrire la

raie)

à l’aide de condensateurs de

découplage

Ce

entre cathode et masse. Il en

résul-tait

_toujours

une amélioration

_importante

du

signal

détecté mais

_parfois

aussi des oscillations

parasites.

Il semble

_qu’on

ait

_trop

souvent

_négligé

l’influence de cette amélioration sur _le

compor-tement de l’oscillateur en ne s’attachant

_qu’à

son

influence sur le fonctionnement du tube en tant

qu’amplificateur

basse

_fréquence.

En effet

_Ré

et

Ce

constituent la constante de

_temps

du

détec-teur

_qui

assure la stabilisation de l’oscillateur

et si t est la valeur de cette constante nous

voyons que dans

l’équation

(1)

il faut introduire le

terme :

exprimant

qu’il

s’agit

d’une stabilisation _par

contre-réaction

_n’agissant

_que sur les basses

fré-quences.

(Dans

le cas

_envisagé

cette stabilisation

fait en réalité

_appel

à un terme kE2 mais comme dit

précédemment,

nous raisonnerons encore sur un

terme

_kE.)

Par

_contre,

_Wang,

dans un

_montage

plus

com-pliqué

[3]

avait

_proposé

d’améliorer le rendement

en

_opposant

à la contre-réaction nécessaire à toute

stabilisation d’oscillateur un terme de réaction

s’appliquant

pour les

fréquences

supérieures

du

spectre

basse

_fréquence

_composant

les raies de résonance. Son idée était de sensibiliser l’oscil-lateur dans le domaine des

_fréquences

utiles at de

parfaire

le

_signal

en

_ajustant

cette _{réaction pour}

une zone de

_fréquence

convenable. Nous _renvoyons le lecteur à l’article de

_{Wang pour y}

trouver le détail du

_montage

_[4]

et la

_{justification}

de sa réali-sation.

Négligeons

le raffinement consistant en la sélec-tivité de la réaction

(facultatif

dans son

_montage)

et _{prenons pour} ce

_type

de stabilisation par

réac-tion vers les hautes

fréquences

une relation de la forme :

On remarque immédiatement _que cette

expres-sion donne pour Ii une valeur intermédiaire

entre

_Ko

_(sans

constante de

_temps)

et celle

expri-mée

_plus

haut

_{(pour a}

z=

1).

Ce

_montage,

malgré

sa difficulté de mise au

_{point, possède}

donc les

mêmes

_{propriétés que}

celui décrit

_auparavant

et il

162

b)

EXPRESSION DE LA SENSIBILITÉ. - Intro-duisons la valeur de K = .K .

1

dans

l’ex-duisons la valeur

Ko *1 -

₀ dans

l’ex-1 ₊

pression

tirée de

₍₁₎

en se souvenant _que

_Ko

_{G ô.}

Il vient :

On trouve _{alors que} l’oscillateur se

_comporte

en

basse

_fréquence

_pour une modulation

d’absorp-tion _y comme un circuit résonant bouchon

_d’après

le rôle

_{prépondérant}

du dénominateur de

l’expres-sion ci-dessus. A ce circuit bouchon nous _pouvons

immédiatement affecter :

comme terme réactif : 1 - _«o ~2 au lieu de :

comme terme actif

(amortissement) :

en lieu de : j8 ,.

° dt*

C)

FORME DES SIGNAUX QUE L’ON DOIT OBSERVER

- La

réponse e

de ce circuit à une sollicitation _y

sera donc celle d’un circuit bouchon

_auquel

on

peut

attribuer :

une

_fréquence

_propre

_(pour

_ïg - ~ ~

_{0) :}

°0

= ~ ~T ~

un amortissement

_critique

_{pour To} valant

Toc # 6T.

FIG. 2.

Le

_{comportement e}

de l’oscillateur

_après

un

passage par la résonance y

rappellera

donc celui du mouvement d’un

_{galvanomètre balistique après}

une

_impulsion

ou d’un

_{système pendulaire}

méca-nique

après

un choc. On connaît

_[5]

_{théoriquement}

et

_{expérimentalement}

le mouvement

_après

un tel

choc et il est inutile d’en

_développer

ici

_l’aspect

mathématique.

Il suffit de

_rappeler

_que

l’exci-tation sera maximum si

_{l’impulsion d’origine}

a pour

composante

principale

dans son

_spectre

de

fréquence

un terme à la

_fréquence

de résonance du

système

pendulaire.

Dans le cas d’une excitation due au _{passage par} une résonance

d’absorption

(impulsion)

il faut _que la durée de celle-ci soit voisine de la

_{demi-période}

du

_système

oscillant.

On

_peut

donc

_prévoir

la suite des

_figures

_{2 pour} un

passage à travers la résonance choisi de durée convenable :

a)

résonance

_{théorique ;}

b)

résonance observée avec une stabilisation sans constante de

_temps

ou avec une stabilisation à constante de

_temps

mais

_grand

amortissement

«o - i

très

_{grand) ;}

c)

cas de

l’amortissement

critique ;

d)

cas traditionnel utilisé à cause de sa

symé-trie : le

_pic

central

_(positif)

a été

_{parfois pris}

_pour

la courbe de résonance alors _{que celle-ci} ne serait

qu’une

partie

du

_premier

_pic

_négatif.

La sensibilité

_apparente

du

_système

serait évi-demment accrue selon

_{l’équation (3) :}

e)

le _{passage à la} résonance

_provoquerait

l’appa-rition d’une oscillation basse

_fréquence.

Enfin,

réduire encore l’amortissement _To -~- _r amènerait une oscillation basse

_fréquence

spon-tanée du

_système.

d)

SENSIBILITÉ EN RAPPORT

_{SIGNAL/BRUIT.}

-Il est évident _que la sélectivité basse

_fréquence

du

système

(dû

à ses

propriétés

de circuit

_résonnant)

s’applique

aussi aux excitations

_provenant

du bruit. Il se

_produit

donc une réduction du

_spectre

de bruit autour de la

_fréquence

_°0

de résonance de ce circuit résonnant en basse

fréquence.

En

élimi-nant

_{automatiquement}

les

_composantes

très basses

fréquences

du bruit

_{(les plus importantes}

et les

plus gênantes)

ce

_procédé

améliore immédiatement

le

_rapport

_{signal/bruit.}

Il

_possède

en outre

l’avan-tage

d’atténuer les ronflements de secteur et les

tensions résultant du

_balayage

de

_fréquence

ou de

champ magnétique

(en

général

à 50

_Hz)

néces-saires pour visualiser les passages par la

résonance,

Ces derniers

_avantages,

_joints

à la

_{sensibilité,}

expliquent pourquoi

de nombreux

expérimen-tateurs ont été instinctivement amenés à faire des observations en

ajustant

les

réglages

_pour faire

apparaître

la

_figure

2d.

IV. Vérifications

_{expérimentales.}

-

a)

DES-CRIPTION DE L’OSCILLATEUR EMPLOYÉ. - NOUS utilisons un

_type

d’oscillateur traditionnel dont le

schéma est

_{représenté ( fig. 3).}

_Cependant

nous allons

_justifier

les raisons

_qui

nous ont amené à

utiliser ce

_montage

en

_{rappelant qu’il provient par}

modifications successives d’un oscillateur dérivé

[6]

de celui de Pound et

_Knight

_[2]

utilisant une 6J6.

Le choix de ce

_montage

réside tout d’abord dans

le _{fait que} l’on

_peut

_régler

le taux de réaction

OSCILLATEURS AUTODYNE EN SPECTROSCOPIE HERTZIENNE

FIG. 3.

l’aide de la résistance

_{d’autopolarisation}

de cathode

R.

Cette

_séparation

des fonctions donne

beaucoup

de

_souplesse

aux

_réglages

et nous

_permet

de choisir convenablement les

_points

de

fonction-nement pour

l’application

des

_propriétés

de l’oscil-lateur étudiées

_plus

haut.

La détection

_séparée,

alors

_qu’elle

_{n’est pas}

nécessaire car le

_système

est autodétecteur

(comme

tout oscillateur

_{autostabilisé)}

est destinée à

n’extraire avec le

signal

_{que le bruit}

qui

module

l’oscillation HF et à éliminer le bruit direct du’

tube. La

_prise

de tension HF faite sur la cathode

(à

basse

_impédance)

facilite

_{l’adaptation}

derrière

la diode d’un

_{amplificateur}

à transistors à faible

impédance

d’entrée

_(~).

De

_plus

la

_prise

sur la

cathode de la tension à détecter n’amortit pas le

circuit oscillant et _procure un meilleure isolement

vis-à-vis des tensions

_parasites

_que

_peut

introduire le circuit de haute tension

_plaque.

L’alimentation

en continu du filament chauffant de la 6J6 cons-titue une source de tension pour

l’amplificateur

à transistors.

Enfin voyons

pourquoi

ce

_montage

emploie

une 6J6. Nous avons dit

_qu’il

résultait d’un

précé-dent oscillateur

_[6]

dans

_lequel

les deux éléments

de la 6J6 fonctionnent en série. Une étude

[7]

sur

ce

_type

d’emploi

des doubles triodes leur attribue une

puissance

de bruit double d’une seule triode ce

qui

est une sous-estimation

_importante

alors

que le

gain

n’est voisin que de celui d’une seule

triode en

_montage

conventionnel. Par contre le

montage

des deux triodes en

parallèle,

_pour une

puissance

de bruit double d’une seule

_triode,

double aussi le

_gain.

La dernière combinaison

assure donc _par

_rapport

à la

_première

un

gain

théorique

minimum de

_B/2

pour le

rapport

signal/

bruit en tension. La

comparaison

des deux

mon-tages

avec la même 6J6 nous a confirmé un

_gain

de sensibilité. L’idée

_générale

serait

_{d’envisager}

la

_{régénération}

_{par n} tubes en

parallèle

au lieu d’un

seul ;

à cause de la nature aléatoire du

_bruit,

le

_{gain théorique}

en

_rapport

signal/bruit

serait

_vn

_(2).

On

_conçoit

_que ce n’est pas là la

solution pour une amélioration radicale de la

sensi-bilité des oscillateurs

_employés

en

spectroscopie

hertzienne.

_Quant

aux choix du tube assurant la .

meilleure sensibilité

_{(signal-bruit)}

une étude

récente

_[8]

montre _que ce n’est _pas tant une ques-tion de

_type

_{que de choix} entre certaines unités aussi bien d’un

_type

_que d’un autre

_type

voisin.

~)

VÉRIFICATION DE LA BANDE PASSANTE BASSE

FRÉQUENCE

DE L’OSCILLATEUR. -

NOUS avons

pris

comme tension basse

fréquence

induite dans

l’oscil-lateur celle

_qui

résulte

_simplement

du battement d’une onde à

_fréquence

fixe _mo avec celle de notre oscillateur modulé en

_fréquence

sinusoïdalement

autour de ₆₎₀ à l’aide du condensateur vibrant

(à

50

_Hz)

du circuit oscillant. Nous obtenons

direc-tement de la sorte une excitation à basse

fré-quence Q

variable.

Ayant

fixé

_R,

et

_Cr

de notre _{oscillateur pour} un

fonctionnement stable nous avons

simplement

modifié la valeur des condensateurs

Ce

agissant

ainsi directement sur le

_temps

T. On remarque immédiatement sur les

_{oscillogrammes}

de la

figure

4 les

_points

suivants :

a)

pour

Ce

= 0

(stabilisation

_sans constante de

temps)

l’enveloppe

des battements

_reproduit

la courbe de

_réponse

de l’oscillateur autour de la

fréquence

°0

=

0 ;

b)

pour

Ce

voisin de 1

_gF,

les

_enveloppes

des battements montrent bien une résonance pour une

fréquence

°0

très

_éloignée

de

_{zéro ;}

c)

pour

Ca

supérieur

à 10

gF,

les

enveloppes

des battements se sont bien

rapprochées

de Q = 0

avec des résonances autour de

~2,

proche

de zéro.

(1)

Cet _{amplificateur} à transistors est une réalisation de

Monsieur Carcenac de Torne,

164

~

FIG. 4.

On

_distingue

nettement la différence avec le cas a par la chute

brusque

de la

réponse

à Q = 0.

Dans les mêmes _{conditions pour}

Re

et

_Ce

on

peut

accroître le taux de

_réaction,

ce

_qui

diminue

_To

et désamortit le

_complexe

résonnant en basse

fré-quence. On constate dans les trois cas

_{précédentes}

un renforcement du

_{gain joint}

à une amélioration

de la sélectivité. De même on constate que le bruit

de fond

_prend

une

_{fréquence prépondérante}

jusqu’au

moment où s’amorcent les oscillations basse

_fréquence.

Du

_point

de vue

_pratique

on

_conçoit

_qu’un

tel

oscillateur haute

_fréquence

_peut

être utilisé comme

amplificateur

basse

_fréquence

sélectif autour d’une

fréquence

120

facilement

_ajustable

à l’aide de la constante de

_temps

_{r ;}

_quant

à la sélectivité d’un tel

_{amplificateur}

elle se commande aisément par

le taux de réaction de l’oscillateur HF.

L’ampli-ficateur sélectif

_{proposé [1]}

_{pour le} domaine des

fréquences

voisines de zéro convient donc à un

emploi

autour d’une

_fréquence

_{120 quelconque}

pourvu que reste très

petit

devant mo,

(,’)

RÉPONSE A UN SIGNAL DE RÉSONANCE. -- Sur les vues de la

_figure

5 on retrouve bien les résultats

prévus

pour la

réponse

de l’oscillateur

_après

le passage par une résonance

_(résonance

quadru-polaire

de 35Cl du

_{paradichlorobenzène}

à 34 MHz

en

_balayage

de

_fréquence).

Les vues ont été

_prises

en diminuant

progres-sivement la valeur de la résistance de cathode

_7?c

pour diminuer io et accroître le niveau

d’oscil-lation

_Eo,

la constante de

_{temps T}

étant assez _peu

perturbée

dans cette

_opération.

On obtient le même effet en fixant

_Ra

et en modifiant le taux de

réac-tion par le terme

_Cr.

Pour toutes ces mesures on a

pris r

assez

_important

à l’aide d’un condensateur

_Ce

de la dizaine de microfarads.

En

_plus

des formes des

_courbes,

il faut observer leur

_position

sur les

_{oscillogrammes.}

En effet le

balayage

horizontal de

_{l’oscilloscope}

a été

_ajusté

en

_phase

avec le

balayage

de

_fréquence

de

l’oscil-lateur ainsi

_qu’on

a _{pu le} constater

_{précédemment}

sur l’étude des battements avec un oscillateur

extérieur. On remarque bien que les

signaux

de résonance réels se

_présentent

en

_phase

_{alors que} les

signaux

apparents

sont en retard sur les

_premiers

dans le sens de déroulement du

_temps.

De

_plus

une étude de la conservation des

_phases

dans la

chaîne

_{d’amplification}

_{confirme que les}

_signaux

d’absorption

sont bien de

_polarité

convenable.

La

_comparaison

avec les

figures prévues

élimine la nécessité d’introduire la

_dispersion

due à la

résonance

(d’effet

trop

négligeable), pour justifier

la forme des courbes

_{qui apparaissent}

souvent en

forme de dérivée

_{d’absorption}

et _{que l’on} a

_parfois

soupçonnées

d’être entachées de

_{dispersion. Quant}

aux oscillations transitoires créées par la

_réponse

de l’oscillateur à l’excitation de résonance on

_peut

craindre

_qu’elles

aient

_parfois

été

_prises

_{pour des}

165A OSCILLATEURS AUTODYNE EN SPECTROSCOPIE HERTZIENNE

FIG. 5.

les

_expériences

_imposaient

une sensibilité

_trop

poussée.

Signalons

que ces

_phénomènes

se

_reproduisent

parfaitement

avec le même oscillateur non modulé

en

_fréquence,

le passage sur une résonance

élec-tronique

(avec

le D. P. P.

_H.)

se faisant _par le

balayage

alternatif d’un

_{champ magnétique}

exté-rieur. Un oscillateur à transistors

_(2N247)

fonc-tionnant vers les mêmes

fréquences

(34 MHz)

nous a

_permis

de réaliser les mêmes

_figures

aussi bien

pour une résonance

_{électronique}

avec

_balayage

_par

champ

magnétique

extérieur,

que pour une

réso-nance

_{quadrupolaire}

avec

balayage

de

fréquence

de l’oscillateur

_{d’épreuve.}

V. Conditions

_d’emploi

des oscillateurs.

-a)

NÉCESSITÉ DU iVONTAGE LOCK-IN POUR LA

FIDÉ-LITÉ. - Le

premier

point

à

_signaler

est

_qu’un

oscillateur

_autodyne

_{utilisé pour l’étude des}

réso-nances en visualisation directe n’est

jamais

fidèle

quant

à la forme des courbes. Il ne le deviendrait à la limite

_qu’en

réduisant sa sensibilité à une

valeur dérisoire.

Rappelons

alors _que la fidélité du

_dispositif

_peut

être _{reconstituée par} un

_montage

« lock-in » dont

l’intérêt n’est _pas tellement d’accroître la sensi-bilité mais

_uniquement

la fidélité. En effet ce

sys-tème utilise un 3 modulation étroite de la

fréquence

(ou

du

_champ),

modulation très inférieure en

lar-geur à celle de la raie de résonance. Une

ampli-fication sélective sur la seule

_fréquence

de

_balayage

donnera bien une

_réponse

_{proportionnelle}

au

signal

et éliminera l’influence de la non linéarité de la

réponse

de l’oscillateur selon les

_{fréquences il}

_qui

166

aisément que la

phase

de la tension de référence

appliquée

au détecteur

synchrone

dépendra

for-tement du

_réglage

de l’oscillateur.

Nous ne saurions mieux confirmer ces dires

qu’en

signalant que

des chercheurs

_{japonais [9], après}

le calcul des seconds moments des raies

_{d’absorption}

nucléaires

_{quadrupolaires}

de 35Cl dans

_C103Na

fournies par divers

expérimentateurs,

ont constaté l’accord des résultats _{pour les} mesures faites au

« lock-in ». Par contre les mesures sur les courbes

de

_Wang

s’avèrent sans lien avec les autres. Ceci n’est pas pour nous

_étonner,

les courbes de

réso-nance

_qu’il

donne sont les courbes du

_type

d de la

figure 2,

c’est-à-dire l’oscillation d’un circuit

élec-trique après

une

_impulsion

_(due

à la

_résonance).

b)

INTÉRÊT DE CE MONTAGE. -

Cependant

cet

oscillateur

_employé

en visualisation directe

pré-sente un intérêt incontestable car s’il n’est pas

plus

fidèle

_qu’un

oscillateur à

_{super-réaction}

il atteint une sensibilité

_équivalente

sans

_présenter

l’inconvénient de

_déployer

tout un

_spectre

de raies.

Les _usages convenables de ce

_montage

sont alors les suivants :

-~- recherche des raies de résonance _{avec une} sensibilité

_acceptable

et atténuation des

ronfle-ments

_{parasites ;}

--

mesure de

fréquences

de résonance sans

ambi-guïté

si on sait

_repérer

le

_signal

de résonance

lui-même,

origine

du

_pic

_plus

_{important qui}

a servi à le

repérer ;

- étude de structures à

plusieurs

raies _ou de

structures Zeeman si les diverses raies sont

dis-tantes de

_plus

de la

_largeur

d’un

_pic

de

_réponse

de

l’oscillateur ;

2013

_comparaison

_de

_{l’importance}

_{relative des} raies car

_{l’amplitude}

du

_pic

est directement liée à

l’amplitude

du

_signal

_(en

réalité de

_façon

_plus

complexe

à son

aire) ;

-

appréciation

du

_temps

de relaxation

spin-réseau

_Tl

_{par l’évolution} au cours du

_temps

de

l’amplitude

du

_pic.

De telles mesures sont gran-dement _{facilitées par} un

dispositif

dans le _{genre de}

celui que nous avons décrit

_{précédemment}

_[10].

c)

RÉGLAGES. --

D’après

la

_description

du

fonc-tionnement les conditions d’obtention de la sensi-bilité maximum sont faciles à obtenir. Dans le cas

de l’oscillateur ici décrit on doit

ajuster

la

réac-tion

_(Cr)

de telle _{sorte que} l’oscillation basse fré-quence

(avec

Ce

important) puisse

se

_produire

pour une valeur assez

grande

de la résistance

Re-Dans ces conditions le critère d’un bon

fonction-nement réside dans le

_comportement

de

l’osoil-lateur à

Rc

décroissant. On doit observer succes-sivement :

1)

non oscillation haute

_{fréquence ;}

2)

oscillation haute

_fréquence

sans oscillation basse

_{fréquence ;}

3)

apparition

de l’oscillation basse

_{fréquence ;}

4)

disparition

de l’oscillation basse

_fréquence.

Au delà il subsiste l’oscillation haute

_fréquence

mais entachée d’un bruit très

_important

dû à la détection à cause de l’amortissement

_important

du circuit oscillant.

Ayant

déterminé cette succession de

_régimes

de

fonctionnement il suffit de faire retour en arrière

(accroître

Re)

pour se

_placer

_juste

avant le

_point

3 où la sensibilité est maximum. Si le

_signal

est

suffi-samment

_important

on

_peut

réduire ensuite le niveau d’oscillation pour éliminer tout

_risque

d’os-cillation basse

_fréquence

_parasite.

Bien entendu on doit

_ajuster

la vitesse du

balayage

de

_fréquence

ou de

_champ

_pour

_adapter

la _{vitesse de passage} sur la résonance à la fré-quence propre du

système

oscillant basse

fréquence.

En

_général

on a intérêt à finir les

_{réglages pour}

l’obtention d’un

_{pic symétrique}

_{(type d, fig. 2).}

VI. CONCLUSIONS. - Nous _avons

présenté

ici

un

_aspect

de l’oscillateur

_qui,

à notre

connais-sance, n’a

guère

été mis en lumière surtout dans

ses relations avec la

_{spectroscopie}

hertzienne. Nous

n’avons fait

_qu’aborder

la

_question

du choix du

type

d’oscillateur car ce

_point

ne semble pas résolu

et les différents

_montages

_proposés

se

_présentent

avec des

_qualités

semblables

_quant

à la sensibilité

rapport

signal/bruit.

Il semble

_qu’on

ne

_puisse

espérer

une amélioration substantielle en

conser-vant les

_types

d’oscillateurs traditionnels à

régéné-ration par tube.

Nous tenons enfin à remercier M. H.

_Hasenjager

dont le travail

_général

sur les oscillateurs a

pro-voqué

la mise au

_point

de cette étude.

Manuscrit reçu le 24 _juillet 1959.

BIBLIOGRAPHIE

[1] HASENJAGER _{(H. J.),} Onde

_{Électrique, 1958,}

_{38, 838.} [2] POUND _{(R. V.)} et KNIGHT _{(D. W.),} Rev. Sc. Instr.,

1950, 21, 219.

[3] WANG _{(T. C.), Phys. Rev., 1955, 99, 566.}

[4] Reporté par DAS (T. P.) et HAHN (E. L.), Solid State Physic., Supp. n° 1 « Nuclear _Quadrupol

Spectro-scopy », Academic Press, New _{York, 1958.}

[5] ROCARD _{(Y.), Dynamique générale} des _vibrations,

Masson

_éd.,

Paris, 1959, chap. XI,

[6] BUYLE-BODIN _(M.), Ann. _{Physique, 1955, 10, 533.} [7] SZIKLAI (C. G.) et SCHROEDER (A. C.), Proc. IRE,

1945,

_33,

701.

[8] HASENJAGER _{(H. J.),} Thèse _{d’Ingénieur} Docteur, Faculté des Sciences, Grenoble, 1958.

[9] TOKJIRO FUKE et YOSHITAKA _KÔI, J. Chem. _Physics, 1958, 29, 973.