Mesure des résistances électriques élevées à l'aide d'une chambre d'ionisation utilisée comme source de courant

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Mesure des résistances électriques élevées à l’aide d’une

chambre d’ionisation utilisée comme source de courant

Daniel Blanc, Eric Fort, Robert Lacoste, Jean Lagasse

To cite this version:

52

MESURE DES

RÉSISTANCES

_ÉLECTRIQUES

ÉLEVÉES

A L’AIDE D’UNE CHAMBRE D’IONISATION UTILISÉE COMME SOURCE DE COURANT

Par DANIEL BLANC et ERIC

_FORT,

Centre de _{Physique Nucléaire,} Faculté des Sciences de Toulouse.

ROBERT LACOSTE et JEAN

_LAGASSE,

Laboratoire

_{d’Électrotechnique}

et

_{d’Électronique}

_{Industrielle,} E. N. S. E. E. H. T., Toulouse.

Résumé. 2014 Il devient très difficile de _{mesurer, avec une} bonne précision, les résistances

élec-triques élevées, lorsque leurs valeurs dépassent 1012 _ohms, et _{que l’on fait}

_appel

à une méthode

classique, comme celle de l’ampèremètre et du voltmètre. Nous décrivons une méthode utilisant

une chambre _{d’ionisation,} fonctionnant comme une source de courant, et

_placée

en série avec la résistance inconnue : la valeur de cette résistance se déduit de la tension entre ses _bornes, mesurée

par un _{montage électrométrique.}

La chambre d’ionisation est

_remplie

d’air ou _{d’argon ;} ses électrodes sont deux

_plateaux

paral-lèles,

dont il est _possible de faire varier la distance. Le courant d’ionisation constant, débité par

l’appareil,

est _{créé par} une couche mince de _bioxyde d’uranium, déposée sur l’un des _plateaux.

En modifiant la _pression de _remplissage, il est _possible de faire varier de façon continue le courant

d’ionisation ; sa valeur maximum est de _{2,7 .10201411 ampère,} sous la _{pression atmosphérique.}

Notre méthode _permet de mesurer, avec une _{précision excellente,} les résistances de faibles

valeurs par rapport à la résistance interne _p de la chambre

_(p

=

_{0394V/0394i).}

Sous la _pression atmo-sphérique, p est de l’ordre de 1015 ohms ; pour un _remplissage d’air sous la _pression de 2 cm de

mercure, p atteint 1016 ohms. Finalement, avec la chambre d’ionisation décrite, la limite

supé-rieure des résistances mesurables avec _précision est de 1014 ohms. Abstract. 2014 The accurate measurement of

high electric resistances is very difficult when their values are above 1012 ohms, and, if a classic method is _used, for instance ammeter and

voltmeter. We describe a method _using an ionization chamber, acting like a current source,

put into series with the unknown resistance ; we calculate the value of this resistance from the

voltage between its terminals, measured with an electrometer.

The ionization chamber is filled with air or argon ; its electrodes are two

_{parallel plates,}

which

spacing can be varied. Constant ionization current

_supplied

_by the _system is _provided

_by

a thin

layer of uranium _{dioxide, deposited} on one side of a _plate. If the _filling pressure is modified,

the ionization current can be

_continuously

varied ; its maxima value is 2.7 _{10201411 ampere, under}

atmospheric pressure.

Our method allows measurement with _{great accuracy of resistances which} have small values as

compared to the internal resistance _p of the chamber _(p = 0394V/Ai). Under

atmospheric

pres-sure, p is of the order of 1015 _{ohms ;} with _air, under a _{pressure of} 2 cm _{of mercury, p} will be 1016 ohms. The upper [limit of resistances which can be measured _accurately, with this ionization

chamber, is 1014 ohms.

LE JOURNAL PHYSIQUE RADIUM

PHYSIQUE APPLIQUÉE

SUPPLÉMENT AU N° 3.

TOME _21, MARS 1960, PAGE

La détermination de la valeur d’une résistance

électrique

devient très difficile _{dès que le} courant

qui

la traverse est faible - inférieur à

10- 13

A,

pour fixer les idées -, et

quelle

que soit la nature

de cette

_résistance,

couche

_métallique

à structure

lacunaire ou isolant

_proprement

dit

[1].

Prenons la méthode du voltmètre et de

l’ampè-remètre,

qui

est la mieux

_adaptée

à

l’enregis-trement : la mesure de la tension de la source ne

présente

aucune

difficulté,

mais l’erreur sur le cou-rant

_électrique

atteint

+

4

_%,

_pour une intensité

de 10-12 A

_(2),

en tenant

_compte

d’un

_grand

nombre de

_{précautions,}

et notamment de la

correc-tion

_point

_par

_point

de la valeur de la résistance

étalon,

aux bornes de

laquelle

est connecté le circuit

d’entrée de l’électromètre : cette résistance varie en

effet avec la différence de

potentiel

existant entre ses extrémités

[2].

Lorsque

l’intensité

_diminue,

l’erreur croit très

vite : pour des courants d’intensités inférieures à 10-13

_A,

on

_peut

_adopter

deux solutions :

a)

Utiliser,

en série avec l’élément

_étudié,

des résistances connues de valeurs élevées : le

_signal

d’entrée de

_l’appareil

de mesure

_peut

être

_suffisant,

mais la stabilité de telles résistances est très

défec-tueuse

_lorsque

l’on

_dépasse

1011 ou 1012 ohms

_[2].

b)

Conserver une résistance de mesure

de 101° ohms : le

_signal

d’entrée de l’électromètre devient très

_{faible ;}

on

_peut

_employer

un

galva-nomètre pour mesurer la tension de sortie

_lorsque

cette dernière diminue

_trop

pour être décelée par

l’appareil

de lecture normal ou _par

_{l’enregistreur,}

mais le

_gain

du

_{dispositif électronique}

est alors très mal connu

_[2].

On _{voit donc que la} méthode

_classique

conduit à des résultats difficilement

_{controlables,}

_{dès que} l’on veut mesurer des résistances de 1014 ohms sous

quelques

volts,

ou de l’ordre de 101° ohms et au

53

delà,

sous des tensions

plus

élevées. Il est nécessaire

de faire

_appel

à une méthode basée sur un

_principe

différent.

Principe

de la méthode de la source de courant.

- Ce

qui précède

montre

_qu’il

faut s’affranchir de

la détermination du

_courant,

_lorsque

l’on mesure

des résistances élevées. Il est donc intéressant d’utiliser une source de

courant,

c’est-à-dire une source

capable

de débiter une intensité

_constante,

quelle

que soit

l’impédance

du circuit extérieur. Connaissant cette

_intensité,

il suffit de

_disposer

un

voltmètre aux bornes de l’élément

étudié,

_pour

déterminer la chute de tension

_{correspondante, qui}

conduit à la valeur de la résistance inconnue. La résistance interne de

_l’appareil

de mesure doit être

supérieure

à cette

_dernière,

mais cela ne

_présente

pas de difficultés

lorsque

l’on utilise un

_montage

électrométrique

convenable.

Une

_pentode

à saturation très

_marquée

_pourrait

constituer une source de

_courant,

mais son

_emploi

est délicat et l’intensité ne

_peut

être modifiée _que

dans des limites assez

restreintes ;

de

_plus,

sa résis-tance interne est très faible

_(inférieure

à 1012

_ohms).

Nous avons

préféré adopter

une chambre

d’ioni-sation,

dont le débit est constant et très

_faible,

et

donc - la résistance interne est

_{particulièrement}

élevée.

Emploi

d’une chambre d’ionisation comme source de courant. -- Une chambre d’ionisation est

constituée _{par deux électrodes} entre

_lesquelles

est

établie une différence de

potentiel

V. Si le

remplis-sage gazeux que contient la chambre est traversé par un flux de

particules

ionisantes constant dans

le

_temps,

l’ionisation du gaz,

qui

en

_résulte,

se

tra-duit par un courant

i,

ou courant d’ionisation.

Quelles

que soient la forme

géométrique

et la

disposition

des

_électrodes,

la nature et la

_pression

du gaz de

remplissage,

la variation de i en fonction de V est

_toujours

de la forme donnée sur la

_figure

1 :

FIG. 1. -

Caractéristique électrique d’une chambre d’ioni-sation sous irradiation constante.

au-dessus d’une tension

_Va,

le courant d’ionisation

est _presque

_{constant ;}

il se forme un

_palier,

_qui

s’étend

_jusqu’à

la tension de seuil de la

_région

de

proportionnalité [3].

Pour une valeur de V donnée située dans cette zone, la chambre se

_comporte

donc comme une source de

_courant,

aux fluctuations

_statistiques

près

de

_{l’ionisation,}

c’est-à-dire de la valeur

_{de i,}

très faibles si l’on a la

précaution

d’utiliser une

irra-diation sufl’isamment intense.

Notons

_cependant,

comme le montre la

_figure

_1,

que le

palier i

=

f(V) possède

_une faible

pente ;

la résistance interne.:

p =

AV/Ai

de la chambre est

_toujours

_{positive ;}

la valeur de _p

dépend

du coefficient de recombinaison

_ionique,

c’est-à-dire de la nature _{du gaz de}

_remplissage,

de la

pression,

de la forme des électrodes et de leur

dis-position.

On

_peut

donc

_{prévoir, a priori,}

_{que la} chambre

_{d’ionisation,}

utilisée comme source de cou-rant ne _{pourra être}

_{appliquée qu’à}

la mesure de

résistances

faibles _par

_rapport

à _p.

Principe

de la méthode de mesure.

--R.

_{Jaeger [4]}

a

publié

en 1929 une

_application

de

chambres d’ionisation comme sources de

_courant.

Il

_s’agissait

_{d’étalonner des dosimètres par} une

méthode de

_{compensation,}

et selon le

_montage

de la

_figure

2 : le courant à mesurer était

_annulé,

dans la résistance R de

_{grande valeur,}

_{par le} courant

débité par une chambre d’ionisation

_remplie

d’air

sous la

_{pression atmosphérique}

et contenant une

FIG. 2. -

Emploi

d’une chambre d’ionisation comme

source _{de courant pour l’étalonnage} de dosimètres par une méthode _{d’opposition [4].}

source

_d’oxyde

d’uranium. L’introduction entre les

électrodes de la chambre d’un

_{diaphragme réglable,}

convenablement

_disposé,

_permettait

de faire varier

ce courant. On vérifiait l’annulation du courant

total dans la résistance à l’aide de l’électromètre

représenté

sur la

_figure

2. Grâce à un

_étalonnage

préalable,

on savait

_quelle

était l’intensité

corres-pondant

à la

_position

du

_{diaphragme pour laquelle}

s’annulait, le courant’total dans la résistance R.

54

chambre d’ionisation

_cylindrique,

alimentée sous une tension constante de 150

volts,

donnée par une

pile

Zamboni. La chambre était

_remplie

d’anhy-dride

_{carbonique marqué}

au

14G,

cet

_{émetteur p}

créant le courant d’ionisation constant _{débité par}

l’appareil ;

le courant d’ionisation le

_plus

faible réalisé ainsi était

_{de 2,56.10-11 ampère.}

J. Weill ne

précise

pas

quelle

est la limite

supérieure

des

résis-tances _que sa méthode

_permet

de mesurer avec une

bonne

_précision.

De la valeur donnée

_plus

haut du

courant

_{d’ionisation,}

on

_peut

_déduire

_{que, dans les}

conditions les

_plus

_favorables,

on est limité à la

mesure des résistances inférieures à 5.1012 ohms. Une

_{application pratique}

des études de J. Weill a

été décrite par J. Bristeau

[6].

En

_adoptant

le

_montage

_électrique

donné sur la

figure

3,

nous nous sommes efforcés de nous

_placer

dans des conditions

_{opératoires plus}

favorables

_{[7] :}

nous déduisons le courant d’ionisation i de la chute

de tension v aux bornes d’une résistance étalon

_Re

(voisine

de 109

_{ohms) ; v}

étant _{donnée par} un

élec-tromètre

_type

«

Vibron

_», la

précision

sur la

mesure

de i est

_toujours

_{meilleure que 1}

_%.

Connaissant

_i,

nous mesurons la chute de tension aux bornes de la

résistance inconnue

_Rx,

et nous en déduisons la valeur de

R.

Caractéristiques

de la chambre d’ionisation réa-lisée. -- On trouvera _sur la

figure

4 une vue en

coupe de la chambre d’ionisation : c’est un

_système

de deux électrodes

_{planes parallèles,}

en

laiton,

FIC. 3. - Mesure de résistances

électriques

élevées à l’aide

d’une chambre d’ionisation utilisée comme source de courant _[7].

plongée

dans une enceinte

cylindrique

taillée dans un rondin

de

duralumin. L’électrode

supérieure

constitue le

_système

collecteur : elle est

_prolongée

par un

cylindre

de laiton

qui

assure le

_collectage

de la

_plus

_{grande partie}

des

_{charges produites}

_par l’ionisation _{créée par} la source

radioactive,

_placée

sur l’électrode

inférieure,

mobile. Les passages

iso-lants,

en

_téflon,

ont été calculés _{pour que} les

résis-tances de

_fuite,

en

_volume,

soient

_{supérieures à}

1017 ohms.

Deux ouvertures circulaires diamétrate nient

opposées

_(fige

4),

permettent

de mettre l’enceinte

en communication avec un _{groupe de pompage}

FiG. 4. -

Coupe de la chambre d’ionisation

à électrodes _{planes parallèles.}

Fie. 5 _{(Photo YAN). - Montage expérimental} d’étude de la chambre d’ionisation.

Circuit blindé de mesure. - 2. Source de tension

Vo.

3. _Jauge de vide. - 4. Chambre d’ionisation.

-5. Electromètre. - 6.

55

(pompe

à

_palettes

et _{pompe à diffusion}

_d’huile),

ou avec une bouteille

d’argon

comprimé.

La source radioactive d’intensité constante est une couche mince de

bioxyde

d’uranium

_naturel,

déposée

sur la face

supérieure

de l’électrode mobile et

_protégée

_par une

pellicule

de

_{collodion ;}

cette source _occupe une surface de 7

_{cm2 ;}

son activité est voisine de

_0,3

microcurie.

La

_{figure ,5}

_représente

le

_montage

_{expérimental}

d’étude de la chambre. On

_aperçoit

_{le groupe de} pompage,

l’enveloppe

cylindrique

de la

chambre,

l’alimentation stabilisée fournissant la tension

entre les

_électrodes,

et l’électromètre. 10 COURANT D’IONISATION i. - Le

courant

d’ionisation a été _{déterminé par la} mesure de la différence de

_{potentiel v}

aux _{bornes d’une résistance}

connue Re

=

1,15.109

ohms

(fig. 3).

_La

figure

6

FIG. 6. - Variation du courant d’ionisation _en fonction de la

pression.

FIG. 7. -

donne,

en fonction de la

_pression,

les résultats obtenus avec l’air et

_l’argon,

et une ténsion

appli-quée

Vo

= 400

volts,

la distance entre les élec-trodes étant de

_4,2

cm. La différence de

potentiel

v,

donc le courant

_{d’ionisation,}

tendent vers des valeurs constantes

_lorsque

la distance des électrodes devient

supérieure

au _{parcours des}

particules alpha

de

l’ura-nium,

pour la

pression

à

laquelle

est maintenu le gaz. Par variation de la

_pression,

nous réalisons ainsi une source de courant dont le débit

_peut

être modifié à volonté dans une _{gamme de valeurs} très

large ;

nous _{pouvons ainsi amener,} avec

_précision,

le courant d’ionisation à une valeur

_{prédéterminée.}

20 RÉSISTANCE INTERNE DE LA CHAMBRE.

-Comme nous l’avons

indiqué plus

haut,

la chambre ne

_permet

de mesurer _{que des résistances} faibles

par

rapport

à sa résistance interne : là se trouve la limitation

_pratique

de la méthode. Il faut donc se

placer

dans des conditions _{telles que la}

_pente

àilàv

=

1 jP

de la

caractéristique (fig. 1)

soit aussi faible _que

_possible.

La

_figure

7 donne la variation de la résistance interne de la chambre en fonction de la

_pression,

pour l’air et

l’argon :

p passe par un maximum _pour une

_{pression comprise}

entre 1 et 2 cm de mercure

dans le cas de

_{l’air, égale}

à 1 mm de mercure dans

le cas de

_l’argon.

Les valeurs

_maximales

de _{p sont}

pratiquement identiques ;

à ce

_point

de

_vue,

_l’argon

ne

_présente

aucun

_avantage

sur l’air : des

remplis-sages d’air sous des

_{pressions comprises}

entre 1 et

2 cm de mercure constituent donc les solutions les

meilleures.

Résultats obtenus dans la mesure des résistances.

- 10 GAZ

SOUS LA PRESSION

_{ATMOSPHÉRIQUE.}

-Pour nous fixer un

_point

de

_référence,

nous avons

d’abord considéré le cas où _{les gaz} sont à la

_pression

atmosphérique.

Il est _{évident que la} mesure n’a un sens _{que si la chambre d’ionisation} se

_comporte

cpmme une source de

_{courant ;}

c’est

_pourquoi

nous avons tracé la famille des

_{caractéristiques i}

=

f( V 0)

en

_employant

des valeurs croissantes et connues

de la résistance

_Rx

_{( fig.}

_3).

La

_figure

8 résume nos

résultats :

a)

Pour

_l’air,

_{p # 5.1014}

ohms : i reste sensi-blement constant

_jusqu’à

_Ra

= 1013

ohms, mais,

pour des résistances

plus

élevées,

sa valeur tombe

rapidement ;

c’est ainsi _{que, pour}

_Ra

= 1014

ohms,

elle n’est

_plus

_que le

_(1j15e)

de sa valeur normale.

b)

Pour

_l’argon,

p # 1015 ohms. Les

_résultats,

bien

_qu’un

_peu

_améliorés,

conduisent à une valeur

limite de

_Rx

_presque

_identique.

Dans ces

_conditions,

la chambre d’ionisation

permet

de mesurer des résistances allant

_jusqu’à

1013 ohms.

FIG. 8. -

Caractéristique électrique de la chambre d’ioni-sation pour diverses valeurs de la résistance de

charge

Rg

(pression atmosphérique).

2° AIR SOUS LA PRESSION DE 2 CM DE MERCURE.

- Nous

nous trouvons ici dans les conditions

opti-males

_(p

voisine de 1016

_ohms).

En utilisant le

mon-tage

de la

_{figure 3,}

le courant d’ionisation est de

2 .10-12 ampère

pour une résistance

_R.

=1014 ohms,

alors que sa valeur est de

_{2,2 .10-12 ampère}

_pour

une résistance

_beaucoup

_plus

faible : la chambre d’ionisation

_permet

de mesurer les résistances allant

jusqu’à

1014 ohms avec une

_précision

meilleure

que 10

%.

Ce sont alors les résistances

superficielles

des passages isolants

qui

deviennent

_gênantes.

Conclusion. -- La méthode

exposée

ici

_permet

d’aller

_beaucoup

_plus

loin dans la mesure

_précise

des résistances de

_grande

_{valeur que} ne _le per-mettent les méthodes

_classiques.

La limite

_pratique

_que nous donnons ici

corres-pond

à une chambre de forme

_{géométrique}

donnée. Il est

_peut

être

_possible

d’améliorer les

perfor-mances en modifiant la

_géométrie

du

_détecteur,

et nous

_poursuivons

nos travaux dans cette direction.

Manuscrit reçu le 25

_janvier

1960.

BIBLIOGRAPHIE

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