HAL Id: jpa-00233747
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Étude des compteurs de Geiger-Müller
M. Jezewski, M. Miesowicz
To cite this version:
ÉTUDE
DES COMPTEURS DEGEIGER-MÜLLER
Par M.
JEZEWSKI
et M.MIESOWICZ.
Institut de
Physique
de l’Académie des Mines à Cracovie.Sommaire. 2014 On a étudié toutes les
propriétés des compteurs remplis de gaz purs, de vapeurs de
quelques liquides et de mélanges de vapeur et de gaz. Les compteurs à gaz ont des propriétés essentiel-lement différentes de celles des compteurs à vapeur : 1° l’intensité moyenne du courant au cours de la
décharge dans le compteur à vapeur est 100 fois environ plus grande que l’intensité moyenne du courant
qui passe pendant la décharge par le compteur à gaz; 2° la charge spatiale positive fermée des ions de
grande mobilité ne joue aucun rôle essentiel dans le fonctionnement du compteur à gaz. La charge spatiale positive dans le compteur à vapeur se dissipe dans un temps relativement long à cause de la
petite mobilité des ions et, en conséquence, arrête la décharge. C’est pourquoi les compteurs à vapeurs
peuvent être utilisés avec de petites résistances de fuite. Les compteurs remplis de vapeur ou de mélange de gaz et de vapeur donnent des impulsions très courtes. On pourra à l’aide des compteurs à vapeur
compter des impulsions très fréquentes et obtenir avec ceux-ci dans les systèmes à coïncidences un bon pouvoir de résolution.
Introduction. -
Depuis
1929 onemploie
descomp-teurs de
Geiger-1Vlüller (~),
surlesquels
on apublié
un
grand
nombre de travaux.Cependant
les processusqui
y ont lieu ne sont pas encore entièrement connus,ni
expliqués.
Pour cetteraison,
toutes leurspropriétés
ne sont pas encore exactement connues, ni l’influence
des divers facteurs sur leur fonctionnement. En
con-séquence
de cet état dechoses,
presquechaque
laboratoirequi
utilise descompteurs
construit ceux-ci selon ses propres recettes. Celles-ci ne sont pas souvent basées sur les donnéesexpérimentales
suffi-santes. Les constructions ordinairementemployées
ne sont pas
simples,
etquelquefois
difficiles à réaliser.Ayant
besoin d’ungrand
nombre decompteurs
pour les recherches dans le domaine des rayonscosmiques
nous avonsrésolu,
avanttout,
d’étudierexpérimentalement
en détails toutes lespropriétés
descompteurs.
Nous avons alors élaboré lesprocédés
qui
permettent
en peu detemps
d’examiner l’in-fluence des divers facteurs sur lespropriétés
descompteurs
et nous avonsexécuté,
au cours de deuxannées,
plusieurs
milliersd’expériences
avec descompteurs.
Quoique l’explication complète
dequel-ques
propriétés
descompteurs exige
encore la continuation desrecherches,
nous pouvonsdéjà
maintenantexpliquer
laplupart
desphénomènes
qui
ont lieu au cours de ladécharge
dans les comp-teurs destypes
différents et constater les facteursqui
exercent une influence essentielle sur lesqualités
des
compteurs
et ceux dontl’importance
n’est pasréelle. Nous avons déterminé la
charge transportée
àchaque décharge
à travers lecompteur,
le courant moyen, la durée del’impulsion
et ainsi de suite. Nous sommes parvenus à desprocédés
trèssimples
permettant
de construire lescompteurs
qui
fonc-tionnent d’unefaçon
sûre et durable etpossèdent
des
qualités
trèsavantageuses.
(1) H. GEIGER et w, MÙLLER, Physikalische Zeitschrift, 929, 30, p.
489.
Construction
descompteurs.-Puisqu’il
s’agis-sait
non seulement depouvoir remplir
lescompteurs
de différents gaz, mais aussi
d’examiner,
quelle
influence exercent sur leur fonc-tionnement les matériaux du
fil,
les matériaux et la surface ducylindre,
nous avons élaboré avant tout lescompteurs
entièrement démontables que l’onpourrait
monter etdémon-ter en
quelques
minutes. Lafigure
idonne les détails de la construction. Dans les enfoncements tournés aux extrémités du
cylindre
en métal entraient depetits disques
en micade
quelques
dixièmes de millimètred’épaisseur.
L’isolement desdisques
était examiné à l’aide d’unélec-tromètre j usqu’ â
la tension de 1 500 V. Au milieu desdisques
on a fait depetites
ouvertures. Deuxpièces
pi, P2en laiton munies chacune d’une ouverture de
o,3
mm de diamètre servent à soutenir le filqui
devait être tendu suivant l’axe du tube. A l’une de cespièces
pi se trouvait un ressort d’acier r en forme despi-rale
conique.
L’autre p2, rétrécievers le
haut,
était munie d’untarau-dage.
Un écrou serrait au cours duvissage
l’extrémité entaillée. Fig. 1. Au bout du filqui
devait êtreemployé,
on a soudé unepetite
bouleen laiton. Le fil fut enfilé par la
pièce
p, et celle-ci futplacée
sur unsupport S
spécialement préparé.
En vissant bien la vis v on serrait le ressort r. On
mettait ensuite sur le fil le
disque
enmica,
lecylindre,
etpuis
le seconddisque
en mica et lapièce
p,. En vissant bienl’écrou,
on serrait bien lefil
dans la
pièce
p,. On dévissait ensuite la vis v dusupport;
à cause de cela le ressort r tendait le fil etle
compteur
était monté. Ensuite on leplaçais
dans le tube en verre
spécialement préparé
(fig.
2)
scellé sur la canalisation de la pompe. Le tube était muni de deux électrodes. L’une d’elles avait la forme d’un
disque plat
d avec un enfoncementau milieu. Un fil en
cuivré /, joint
à un fil deplatine
Fig. 2.
scellé au verre constituait l’autre électrode. Le
compteur
monté était mis dans le tube d’une tellefaçon,
que la boule du fils’appuyait
contre l’enfon-cement de l’électrode inférieure.On joignait
lecylindre
avec l’autre électrode et l’on fermait le tube.~Fig. 3.
Tout
montage
durait àpeine quelques
minutes. Onpouvait
ainsi mettre des fils divers au mêmecylindre,
ou bienchanger
lescylindres
en conservant le même fil. Lescompteurs
destinés àl’usage
desmesures différaient un peu des
compteurs
d’épreuve.
La
figure
3explique
les détails. Sur lecylindre
onsoudait ou bien on
poussait
directement deux anneaux enlaiton,
courbés et entaillés. On mettait lecompteur
dans un tube en verre de Jena(Jenaer
Normalglas)
conformémentpréparé
et lavé. Ensuite on scellait le tube.La
figure 4
présente
l’appareillage
pour leremplis-sage de 20
compteurs
en mêmetemps.
Fig. @.
Classification des
compteurs
et leurspro-priétés générales. - Pour
faire usage d’uncompteur
on relie lecylindre
aupôle
négatif
d’une batterie deFig. 5.
piles
de haute tension. On réunit le fil central aupôle positif
la batterie par l’intermédiaire d’unegrande résistance R ~ fig.
5).
Lepôle positif
est ordinairement relié à la terre. Si l’on
applique
une tensioncroissante,
on constate que, au-dessus de la certainetension,
dite tension « seuil »V,,
lecompteur
commence à donner desdécharges
de courte durée. Elles sontprovoquées
par lesagents,
qui,
comme les rayons gamma ou les rayonscos-miques, produisent
à l’intérieur ducompteur
unepaire
ouplusieurs
paires
d’ions. Ladécharge
engendre
dans la résistance R un courant. Le fil
prend
pendant
chaque
décharge brusquement
unpotentiel négatif.
223
Quand
la tension de la batterie est dequelques
volts
supérieure
à la tensionseuil,
lecompteur
donne desimpulsions
rares. Enaugmentant
la tensionappliquée,
lafréquence
desdécharges
croîtd’abord
vite,
ensuite àpartir
d’une certaine tensionV1
jusqu’à
la tensionV2
elle reste presque constante.Au-dessus de la tension
V2la fréquence
desimpulsions
croît très vite ou lecompteur
donne un courant continu. L’intervalleV2 - V1,
lalongueur
d’un «palier
»,dépend
desqualités
ducompteur
et de lagrandeur
de la résistance Rqui
est intercalée dans le circuit.Le
remplissage
ducompteur
a uneimportance
capitale
pour son fonctionnement. Suivant le mode duremplissage
onpeut
diviser lescompteurs
endeux
groupes :
1 ~ Les
compteurs
remplis
de gaz leplus
purpossible
ou demélange
des gaz;20 Les
compteurs
remplis
d’une des vapeurs desliquides
telles queacétone, alcool, éther, benzène,
xylène,
dont les molécules sontgrandes
etcompli-quées,
ouremplis
demélange
de vapeur et de gaz.Les
compteurs appartenant
aupremier
groupeont des
qualités
très différentes descompteurs
de la secondecatégorie.
Peut-être la
plus
importante propriété,
cellequi
décide desqualités
ducompteur
est l’intensité du courantqui
s’établit dans lecompteur
au cours dela
décharge.
Plusgrande
est l’intensité ducourant,
plus
avantageuses
sont lesqualités
ducompteur.
A cetégard
lescompteurs
dupremier
groupe
diffèrent très considérablement descompteurs
de laseconde
classe.
L’intensité moyenne du courant au cours de la
décharge dépend
des dimensions ducompteur.
Elle estapproximativement proportionnelle
à lalongueur
ducompteur.
Les nombres cités à la suite se rappor-tent aucompteur
de 1 o cm delongueur
et de2,3
cmde diamètre intérieur.
Pour examiner les
impulsions
que donne lecomp-teur,
nous avons utilisél’oscillographe cathodique
de la maisonLeyboldt-Ardenne.
Lespot
lumineux était dévié par les oscillations à relaxation. defréquence réglable.
Ledéplacement
duspot
étaitproportionnel
autemps.
Letemps
de la déviation était déterminé par la méthode du miroir tournantet aussi à l’aide d’oscillations
électriques
defréquence
connue.L’oscillographe
fut étalonné envolts,
ainsi ledéplacement
duspot
en haut ou en bas donnait la variation dupotentiel
d’anode ducompteur
qui
était relié àl’oscillographe.
Ledéplacement
était deo,25
mm/V.
Lescompteurs
étaient reliés immédiatement àl’oscillographe,
sansl’intermédiaire d’un
amplificateur, qui change
toujours
un peu lesimpulsions.
Des
compteurs
à gaz. -Pour que les
compteurs
à gaz donnent desimpulsions
il est nécessaired’inter-caler dans le circuit du
compteur
une résistance del’ordre de l09 ou de 1010 ohms. Nous avons
employé
dans ce but les résistances de la maison Siemens et
Halske,
qui fabrique
les résistances degrandeurs
diverses de 107jusqu’à
1010ohms,
dites «Carbowid-Widerstande ». En élevant par
degré
la tensionde la batterie et en observant le
spot
del’oscillo-graphe
il n’est pas difficile de déterminer la tension seuilVo
avec une exactitude de 2-3 V.Quelques
volts au-dessus du seuil on observe desimpulsions
nettes. Au cours dechaque
décharge
le courant passe à travers lecompteur
aussilongtemps
que la tension aux bornes ducompteur
ne diminue pas parsuite de la chute de tension dans la résistance R
jusqu’à
la tension seuilV o.
Ainsi lagrandeur
des variations dupotentiel
del’anode,
observée avecune exactitude que
permet l’oscillographe,
estégale
à V -
Vo,
où V est la tension de lapile. Après
lacou-pure de la
décharge,
lepotentiel
de l’anodeaugmente
exponentiellement
avec une vitessequi dépend
duproduit
RC. Lacapacité
ducompteur
de o cm delongueur
et de2,3
cm de diamètre est de 2pF.
Lacapacité
ducompteur
avec lacapacité
desplaques
del’oscillographe
et de la liaison était de 3opF,
avec la liaison de 5o cm delongueur
- de 5opF
environ. Le
temps
de ladécharge
à travers le comp-teur à gazprenant
lacapacité
C = 5opF
est de l’ordre deio-3 sec,
et letemps
RC =0,05
sec enprenant
la résistance R = Io9 ohms et C = 5opF,
donc letemps
de la restitution de la différence dupotentiel
aux électrodes ducompteur
est encorebeaucoup plus long
que letemps
de ladécharge.
Lalongueur
de touteimpulsion
va doncjusqu’au
dixième de seconde.Le
temps
de ladécharge
s’élève enaugmentant
la
capacité
C de l’anode parrapport
à la terre. Nous l’avons fait varier en intercalant entre le fil et la terre des condensateurs de différentescapacités
jusqu’à
200pF.
Lesgrandeurs
des chocs dupotentiel
sur l’anode étaient au cours del’augmentation
de lacapacité
lesmêmes,
mais letemps
de ladécharge
augmentait
avec la croissance de lacapacité.
Delà une
conclusion,
que, pour arrêter le courantqui
passe à travers lecompteur,
la différence depotentiel
entre les électrodes doit s’abaisser
toujours
à la tension seuil.Évidemment
lacharge
spatiale
posi-tive,
qui
sans doute seproduit
dans levoisinage
dufil ne
joue
qu’un
rôle secondaire dansl’interruption
de la
décharge.
Vraisemblablement c’est une consé-quence de la relativementgrande
mobilité des ions gazeux, ainsi que lacharge
spatiale
sedisperse
très vite. Le facteurqui
amortit ladécharge
est la diminution de la différence depotentiel
entre les électrodes ducompteur
par suite de la chuteohmique
dans la résistance de fuite R.cou-rant au cours de la
décharge
doiventégalement
augmenter.
Il n’est pas difficile de déterminer appro-ximativement lacharge transportée pendant
l’une desimpulsions.
Dans ce but il fautemployer
une résis-tance de fuite suffisamment élevée. Onpeut
alorsnégliger
lacharge,
qui
s’écoule à terre par la résis-tance R au cours de ladécharge.
Onpeut
apprécier
la
charge transportée
de la relation suivante :où il
est l’intensité du courantqui
passe à travers lecompteur
pendant
ladéchare, i2
l’intensité du courant dans la résistanceR,
C lacapacité
de l’anode(avec
desliaisons)
parrapport
à laterre,
V le
potentiel
de l’anode. De là enintégrant
nous auronsou
OÙ T est le
temps
de ladécharge, Q
lacharge
trans-portée,
lepotentiel
minimum de l’anode. Ilest évident que, .
Si la résistance R est de T o9 ohms et si nous prenons
pour
exemple
C == 5opF,
Vm;n
.--- - 5oV,
lepremier
terme donnera
et le terme
Le second terme de la relation
(2)
ne donne même pas 2 pour 10o dupremier
terme. On voit parcela,
que lepremier
terme détermine assez exactementla ,
charge transportée.
Elle est ainsi de l’ordre de Io-9 coulombs.Puisque
letemps
de ladécharge
est IO-3 sec nous avons pour le courant moyen lavaleur de
l’ordre
de Lacharge
transportée
croît avec la tensionappliquée
et avec lacapacité
de l’anode avec les liaisons.
Lorsque
nous commencerons à diminuer la résis-tance defuite,
l’intensité du courantqui
passe par la résistance croît. Si lacharge
transportée
s’écoule
trop
vite,
la différence dupotentiel
auxélectrodes ne diminuera pas
beaucoup,
celle-ci ne s’abaissera pas à la tension seuil. Ladécharge
ne sera pas amortie et le courant continu commen-cera à passer à travers lecompteur.
Cela arrive pour une résistance de l’ordre dequelques
107 ohms.Le
grand
défaut descompteurs
à gaz est la nécessitéd’employer
des résistances de fuite trèsélevées. A
cause de cela lesimpulsions
sonttrès
longues
et lecompteur
nepeut
pascompter
lesimpulsions
trop fréquentes.
Si l’on veutemployer
lecompteur
avec une résistancemoindre,
il faututiliser le
dispositif
àlampes,
parexemple
lesystème
de Neher etHarper
(2)
ou bien unautre,
qui
raccourcit artificiellementl’impulsion.
S’il
s’agit
d’obtenir à l’aide ducompteur
à gaz desimpulsions
de courtedurée,
cequi
estimportant
dans les
dispositifs
enregistreurs
descoïncidences,
on
peut
intercaler la résistance élevéeR,
qui
estnécessaire,
entre lapile
et lecompteur;
entre l’anode ducompteur,
qui
est dans ce cas reliée à lagrille
d’unelampe
amplificatrice
et la terre il suffit d’in-tercaler la résistance de 107 ou 06 ohms. Au cours de ladécharge
nous avons alors la forte chute dupotentiel
à la résistanceR,
cequi
causel’interruption
de la
décharge.
Sur l’anode on obtient dans ce cas unpetit,
mais très court choc dupotentiel.
De nombreux auteurs disent que les
compteurs
à gaz sontcapricieux
et fonctionnent souvent défec-tueusement. Nous avons constatéqu’en
effet dans noscompteurs
enlaiton,
l’état de la surface ducylindre
parexemple
exerce une forte influencesur le fonctionnement des
compteurs
à gaz. Mais lesexpériences
ne donnent pas uneréponse
claire,
dequelle
manière doit-onpréparer
lecylindre
pour que lecompteur
à gaz soit bon. Dansquelques
cas parexemple
legraissage
de la surface causait unedisparition
dupalier,
dans les autres unélargis-sement du
palier.
Nous n’avons pas étudié ceproblème
en détails parce que, en tenantcompte
dequalités
descompteurs
à vapeur, tout cela n’a pasd’importance
réelle.Pour avoir
toujours
des conditionsidentiques,
qui
donnent des résultatsreproductibles,
nous avonsemployé
pour lescompteurs
à gaz et aussi pour lescompteurs
à vapeur leprocédé
suivant : lecylindre
était lavé avec dubenzène,
puis
il étaitnettoyé
avec del’oxyde
de calcium et lavé avec de l’eau distillée. Enfin lecylindre
étaitplongé
dans unesolution à 3o pour 10o environ d’acide
nitrique,
lavé vite avec de l’eau et séché dans un courant d’air chaud au-dessus d’un bec de gaz. Le
lavage
d’acidenitrique
s’est montré dansplusieurs
casavantageux
en diminuant le nombre desdécharges
résiduelles.Après
ceprocédé,
on obtient une surface ducylindre
très pure, luisante. On montait ensuite lescompteurs
ne touchant pas lecylindre
avec lesdoigts,
onprenait
toutes sesparties
avec unpapier
buvard ou à l’aide d’une
pince
bien propre. Lescompteurs
ainsi montés fonctionnaienttous,
soit
remplis
d’air,
d’hydrogène, d’argon,
demélange
d’hydrogène
etd’argon,
soit de gazcarbonique.
Lespropriétés
de tous cescompteurs
étaient semblables.Les matériaux dont l’anode est faite et l’état de
sa surface
(pourvu qu’elle
soitlisse)
nejouent
aucun225
rôle. Un bon
compteur
fonctionne bien avecn’importe
quel
fil. Les fils defer, d’acier,
detungstène,
decuivre,
d’aluminium,
demanganin,
deconstantan,
donnenttous de bons résultats.
Les
compteurs
à gaz construits dans notrelabo-ratoire,
qui
tous fonctionnent trèsbien,
n’étaientjamais
trèssoigneusement
dégazés
avant leremplis-sage. Il semble que, pour le bon fonctionnement des
compteurs
à gaz, il estavantageux,
sinonnécessaire,
d’introduire de trèspetites
traces d’autres gaz ou de vapeur. H.Egelhaaf
(3),
dans le travail où ils’occupait
d’examen descompteurs
trèssoigneusement
nettoyés
etremplis d’hydrogène
pur, trouvequ’avec
lapureté
croissante des électrodes et ledégazage
de toute lasurface,
lesqualités
ducompteur
deviennent deplus
enplus
mauvaises. Nous avonsconstaté,
nousaussi,
que lescompteurs
assezsoigneusement dégazés
etremplis
d’argon spectroscopiquement
pur nefonc-tionnent pas bien. Pour obtenir des
impulsions
il fallaitemployer
la résistance au moins de l’ordrede 1010 ohms dans le circuit. Les
compteurs
à vapeur. - Lescompteurs remplis
d’unmélange
de gaz et devapeur,
employés
sciem-ment pour lapremière
fois par A. Trost(4)
étaientutilisés,
comme ilsemble,
inconsciemmentdepuis
longtemps.
Mais lescompteurs
remplis
seulement de vapeur d’un desliquides qui
possèdent
des moléculescompliquées,
commeacétone,
alcool,
éther, benzène,
xylène
etc.,
comme nous avonsobservé,
fonctionnent aussi très bien etpossèdent
d’excellentes
qualités
fondamentalement différentes de celles ducompteur
à gaz. C’est pour cela que nous nous sommesoccupés
de l’examen exact despro-priétés
descompteurs
remplis
de vapeur.Si nous prenons un bon
compteur
à gaz etaprès
l’évacuation nous leremplissons
de vapeur, parexemple
d’acétone ou d’alcool sous lapression
de 10 mm deHg, après
avoir relié la tensionconve-nable,
lecompteur
commence à donner desimpul-sions
qui,
observées sur l’écran del’oscillographe
diffèrent d’unefaçon
fondamentale desimpulsions
ducompteur
à gaz. Lapremière
partie
del’impulsion,
cellequi
donnel’augmentation
dupotentiel négatif
du fil estbeaucoup
plus rapide qu’aux impulsions
ducompteur
à gaz(fig.
6 et7).
Cela prouve uncourant
beaucoup plus
fort,
qui
passe par lecompteur
à vapeur au cours de ladécharge.
La durée de ladécharge
peut
être évaluée à l’aide del’oscillographe
et par la méthode décriteplus
loin. On obtient letemps
de 5 . z o-sà 1,3 . io--5 sec
(elle
dépend
un peudes dimensions du
compteur
et de la tension dutravail).
Ladécharge s’interrompt
avant la dimi-nution de la tension aux électrodes ducompteur
jusqu’à
la tension seuil. Le choc dupotentiel
dans l’anode ducompteur
est ainsiplus petit
que ladiffé-(3) H. EGELHAAF, Zeitschri ft für Physik, 1938, 108, p. 19-23. (4) A. TROST, Zeitschritt fiir Physik, 1937, 105, p. 399.
rence V -
Va
où V est la tensionappliquée
etVo la
tension seuil.
L’augmentation
de lacapacité
de l’anode parrapport
à la terre ne cause que ladimi-Fig. 6. -
L’impulsion donnée par le compteur à gaz la résistance de fuite R = 109 ohms.
nution des chocs du
potentiel;
letemps
de ladécharge
et laquantité
d’électricitétransportée
par lecompteur
ne
changent
pas. Ladécharge
s’arrête donc nonpar suite de la diminution de la différence du
potentiel
entre les électrodes ducompteur,
mais àFig. 7. - L’impulsion donnée par le
compteur à vapeur, la résistance de fuite R = 109 ohms.
cause de la naissance de la
charge spatiale positive,
qui protège
le fil duchamp
extérieur. Par lasuite,
la résistance de fuite nejoue qu’un
rôle secondaire et l’onpeut
la diminuer enprincipe
de manièrequelconque.
Malgré
la courte durée de ladécharge,
dont le
temps
est de l’ordre deIo-5 sec,
lacharge
transportée
au cours de l’une desdécharges
est presque la même que dans lecompteur
à gaz, c’est-à-dire de l’ordre de IO-g coulombs. D’où laconclusion,
que l’intensité moyenne ducourant,
qui
passe parle
compteur
au cours de ladécharge
estbeaucoup
plus
forte que celui au cours de ladécharge
dans lecompteur
à gaz. Il est de l’ordre de io-4 A. A cause du courant si fort le choc dupotentiel
sur l’anode est considérable même enemployant
la résistancede fuite
beaucoup plus
petite
qu’avec
lescompteurs
à gaz(fig.
8 et9).
Au cours de la
décharge
très courte ne s’écoule par la résistancequ’une petite partie
de lade 108 ohms il s’écoule o,1 pour 100
environ,
avec larésistance de r o’
ohms,
i pour 100, avec la résistanceFig. 8. - L’impulsion donnée par le
compteur à vapeur, la résistance de fuite ohms.
de 1 og
ohms,
10 pour ioo environ. En intercalantde
plus petites
résistances,
les chocs dupotentiel
diminuent vite à cause de l’écoulement d’unepartie
Fig. 9. -
L’impulsion donnée par le compteur à vapeur, la résistance de fuite R = 106 ohms.
considérable de la
charge.
Ce fait est illustré par le Tableau I.TABLEAU I.
Les chocs de
potentiel,
que ton obtienten utilisant des résistances
différentes.
>(Impulsions
enV.)
On
peut
évaluer l’ordre de la valeur dutemps
de ladécharge
enchangeant
la résistance de fuite R et en mesurant le choc dupotentiel
V min
au coursde la
décharge.
En utilisant la résistanceR1
et ensuiteR2
nous pouvons écrire :d’où
ou bien
Si nous introduisons les valeurs
Vl""1
en utilisant les résistances parexemple
Rl
= io? etR2
nous trouverons
Si la différence du
potentiel
estconstante,
lesimpulsions
sont exactementégales
ettransportent
aussi descharges égales.
Lesimpulsions
croissent avec uneaugmentation
de la différence dupotentiel
entre les électrodes ducompteur
approximativement
d’abordproportionnellement
au V -Vo (quand
lesimpulsions
sontsimples,
voir lasuite).
La durée de touteimpulsion
ducompteur
à vapeur estplusieurs
foisplus
courte quel’impulsion
ducompteur
à gaz. Avec la résistance de fuiteégale
à i os ohms letemps
de la restitution est de l’ordre de io-5 sec, ainsi quela durée de toute
impulsion
est de 9 . i o-5 sec environ. La tension nécessaire pour le fonctionnement d’uncompteur
à vapeur est élevée. Pour lecompteur
de 23 mm de diamètreintérieur,
rempli
de vapeurd’acétone sous la
pression
de i oo mmHg,
la tension seuil est i 200V,
à lapression
de 3o mmHg
la tension seuil est i 800
V,
tandis que pour le mêmecompteur
rempli
d’air sous lapression
de 1 o mmHg
la tension seuil est àpeine
i 10o V.Si la différence de
potentiel
aux électrodes estsupérieure
de 200 à 250 V à la tensionseuil,
lecompteur
donne detemps
entemps
unedécharge
plusieurs
foisplus
forte que lesimpulsions
ordi-naires. Cesdécharges,
qui
peuvent
être nommées lesdécharges disruptives,
transportent
unecharge
plusieurs
foisplus grande
que lesimpulsions
ordi-naires. Les chocs dupotentiel
du fil sont dequelques
centaines de volts et la différence depotentiel
auxélectrodes s’abaisse alors au-dessous de la tension seuil. Si la tension de
pile
augmente
encore, le nombredes
décharges disruptives
croît,
enfin lesdécharges
disruptives
deviennent trèsfréquentes
et ont lieu alternativement avec desimpulsions
normales;
le227
passage du courant continu comme dans le
compteur
à gaz.La
grandeur
desimpulsions
diminue avecl’aug-mentation de la
pression
de la vapeur.Les
compteurs
à vapeurn’exigent
pas les mêmesprécautions
depréparation
que lescompteurs
à gaz. L’état de la surface ducylindre
n’a pas une influence Bsensible sur le fonctionnement du
compteur.
Lecylindre
peut
être nondégraissé
et mêmepoint
nettoyé.
Mais l’état de la surface a une influence sur lalongueur
dupalier.
Cettequestion exige
des recherchesspéciales.
Entre les
compteurs
à gaz et lescompteurs
à vapeur il y a deuxdiff érences
fondamentales :I ~ au cours de la
décharge
il sedéveloppe
dans lecompteur
à vapeur un courantbeaucoup plus
fort que dans lecompteur
à gaz(10o
foisenviron);
20 la
décharge
s’arrêteaprès
untemps
extrêmement court sans l’aide de la résistance de fuite. On conclut quependant
ladécharge,
la fortecharge
spatiale
positive prend
naissancedans
lecompteur
à vapeur. Elle cause la coupure de ladécharge.
Dans lecomp-teur à gaz la
charge spatiale
positive
nepeut
pas arrêter ladécharge.
Le
fait,
que dans lecompteur
à vapeur s’établit un courantplus
fort que dans lecompteur
à gaztrouve son
explication
dans une ionisationspéci-fique
des vapeurs à moléculescompliquées plus grande
que l’ionisationspécifique
des gaz. Le courantétant,
d’après
la théorie deTownsend,
proportionnel
à ex’-’où « est le nombre des ions par centimètre
produit
par
électron,
il est clair quel’augmentation
d’ioni-sationspécifique
dequelques
fois doitaugmenter
le courant dequelques
dizaines de fois. Nous n’avons pas pu trouver dans la littérature de donnéesnumériques
relatives à l’ionisationspécifique
des vapeurs utilisées. Mais onpeut
conclure des donnéesde J. T. Tate et P. T. Smith
(5), qui
trouvèrent l’ionisationspécifique
deC2H2
environ six foisplus
grande
que celled’hydrogène,
que l’ionisationspécifique
des vapeurs d’acétone oud’alcool,
qui
ont des molécules encoreplus compliquées,
estaussi au moins
plusieurs
foisplus grande
que celle des gazsimples.
Les mesures exécutées dans notre laboratoire par J.Kalisz,
montrant que lescompteurs
de 23 mm de diamètreremplis
devapeur d’acétone sous la
pression
de iomm deHg
ont un rendement pour les rayonscosmiques
de go pour 10o
environ,
tandis que lescompteurs
’
remplis
d’hydrogène
sous la mêmepression d’après
W. E. Danforth et W. E.Ramsey
(6)
et W. F. G. Swann(7)
ont un rendement de i o pour i ooet
remplis
d’air de 5o pour Ioo,permettent
aussi(5) J. T. TATE et P. T. SMITH, Physical Review, 1932, 39, p. 27.
(6) NV. E. DANFORTH et E. RAMSEY, Physical Review,
1936, 49, p. 854.
(7) W. F. G. SWANN, Journal of the Franklin Institute, 1936, 222, p. 706.
de tirer la
conclusion,
que l’ionisationspécifique
de la vapeur d’acétone estbeaucoup plus
grande
que celle des gaz à molécules
simples.
La coupure de la
décharge
dans lecompteur
à vapeur par lacharge
spatiale positive
doit être attribuée à une trèspetite
mobilité des ionspositifs
,dans les vapeurs
utilisées;
c’est un fait bien connu. Cela va sansdire,
qu’il
n’y
a pas de nette délimi-tation entre lescompteurs
à vapeur et lescompteurs
à gaz. Nous avons constaté que lescompteurs
remplis
d’un des gaz tels que :C2H2, CS2,
CC14,
C02,
ont despropriétés
moyennes entre lescompteurs
dupremier
groupe et ceux du second. Lescompteurs
remplis
des gaz mentionnés donnentpendant
ladécharge
un courantplus
fort que lescompteurs
avecl’hydrogène
oul’argon.
Parsuite,
l’augmen-tation du
potentiel
du fil au cours de ladécharge
estrapide.
Mais lacharge
spatiale
positive
nepeut
interrompre
le courant que dans lecompteur
rempli
de
C2H2.
Fig. 10. - L’influence d’addition de l’argon (courbe 1) et
de l’hydrogène (courbe 2) sur la tension seuil d’un compteur rempli de vapeur d’acétone sous pression de i o mm de Hg.
Lorsqu’on
introduit aucompteur
à vapeur ungaz tel que
l’hydrogène, l’argon,
le néon oul’air,
lesqualités
de celui-ci s’améliorent considéra-blement. C’estpourquoi
nous examinionssoigneu-sement l’influence d’addition de gaz sur le fonction-nement du
compteur
à vapeur.Si,
aucompteur
rempli
de vapeur d’acétone souspression
de 10o mm deHg
parexemple,
onajoute
le gaz pardegré,
la tension seuil s’abaisse d’abord trèsvite,
ensuite passe par un minimum pour croître de nouveau lentement avecl’augmentation
de laquantité
de gaz. Cela est illustré par les courbes de lafigure
10.Les
impulsions
que donne lecompteur
rempli
d’unmélange
de vapeur et de gaz sont aussi courtes que celles ducompteur
à vapeur. Lecompteur
fonc-tionne bien avec unepetite
résistance de fuite.Lorsque
la différence depotentiel
entre les électrodes ducompteur
nedépasse
la tension seuil queavec un
mélange
de vapeur et de gaz ne diffèrent pas desimpulsions
ducompteur
à vapeur(8).
Fig. - Les impulsions multiples d’un compteur rempli
d’un mélange de vapeur et de gaz, avec la résistance
,
La différence ne se montre
qu’aux
tensionsplus
élevées. Enaugmentant
latension,
apparaissent
d’abord
rarement,
ensuiteplus
souvent,
lesimpulsions
dont lapartie
croissante se compose de deux chocs dupotentiel.
Lorsque
la tension;devient
suffit-sammentélevée,
apparaissent
desimpulsions
dont lapartie
croissante se compose detrois,
quatre,
enfin
plusieurs
chocs dupotentiel (fig.
11 et12).
Fig. 12. - Les mêmes
impulsions, que dans la figure 1: photographiées à la plus grande vitesse du spot.
Évidemment
l’avalancheélectronique
sedéveloppe
quelquefois
dans les intervalles successifs dutemps.
Lechamp
intérieur est très fort et lacharge spatiale
qui
estproduite
pendant
ledéveloppement
de lapremière
avalanche ne suffit pastoujours
pour couperla
décharge.
L’expérience
suivante donne la preuvequ’à
une tension si élevée l’avalanche sedéveloppe
quelquefois :
quand
on relie le fil ducompteur
avec la terre par l’intermédiaire d’une résistance de 1 os ou 10~
ohms,
alors au lieu desimpulsions
telles que nous voyons sur la
figure
1 let 12,
n’appa-raissent que des
impulsions
doubles,
triples,
enfinmultiples
telles que sur lafigure
13. Celas’explique
parceque lacharge
accumulée sur le fil s’écoule par(e)
Les impulsions sont un peu plus basses.une si
petite
résistance dans letemps
compris
entre la fin d’une avalanche et le commencement de la suivante.Deux,
trois ouplusieurs
avalanchesprennent
naissance dans lecompteur.
Enconséquence
des fluctuations de lacharge
spatiale,
au cours d’une desdécharges
partielles, apparaîtra
lacharge spatiale
suffisante pour arrêter ladécharge.
Cequi
prouve l’existence des fluctuations de lacharge
spatiale,
c’est lefait,
qu’à
une tension élevée desimpulsions
simples
apparaissent
alternativement avec desimpul-sions
multiples composées
de différents nombres de chocs dupotentiel.
Fig. 13. - Les impulsions multiples
avec la résistance R = 106 ohms.
Évidemment
la durée desimpulsions
que donne lecompteur augmente
quand
la tensioncroît,
mais lecompteur
fonctionne normalement. Lecompteur
ne donned’impulsions
trèsfréquentes,
qu’à
la tension deloo-6oo
V au-dessus de la tension seuil(avec
la résistance de fuite de io?ohms).
Ainsi lepalier
ducompteur
rempli
dumélange
de vapeur et de gaz estplus
long
quecelui du
compteur
rempli
seulement de vapeur. L’introduction du gazaugmente
le rendement ducompteur.
Comme le démontrent les mesures exécutées dans notre laboratoire par M. J.Kalisz,
le rendement pour les rayonscosmiques
ducompteur
rempli
de vapeur d’acétone sous lapression
de 6 mmde
Hg
etd’argon
sous lapression
de 25 mm estdéjà
deg5
pour Ioo. Le rendement ducompteur
rempli
de vapeur d’acétone sous lapression
de 10 mmde
Hg
etd’argon
sous lapression
de~o
mm deHg
est de
g8
pour 100.Nous
employons toujours
dans notre laboratoire descompteurs
remplis
demélange
de vapeur d’acé-tone etd’argon.
Il est vrai que ladifférence,
entre le fonctionnement descompteurs d’acétone-argon
etd’alcool-argon
[recommandés
par M. Trost(9)],
n’est pas très nette à latempérature
ambiante. Mais l’acétone al’avantage
d’avoir unepression
de vapeur saturée
plus
haute que l’alcool. La vapeur d’acétone sous lapression
de 8-10 mm deHg
esttrès
éloignée
de l’état desaturation,
même auxtempératures
inférieures de oo C. A latempé-rature - 110 C
229
saturée est de
3 8,g
mm deHg.
C’est ainsi que lescompteurs
d’acétone-argon
contenant la vapeurd’acétone sous la
pression
de 8-io mm deHg
fonc-tionnaient très bien à destempératures
infé-rieures au zérojusqu’à
- ioo C. Nousne les avons
pas examinés aux
températures
plus
basses.La méthode de
préparation
descompteurs
employés
dans notre laboratoire est la suivante : d’abord descompteurs
sont évacués à l’aide d’une pompe à diffu-sion à mercure(sans chauffage
descompteurs).
Ensuite ils sontremplis
de vapeur d’acétone sous lapression
de I oo mm de
Hg
environ et laissésquelques
jours
ainsiremplis.
Ensuite on évacue la vapeur d’acétonejusqu’à
lapression
désirable et l’on introduit le gaz. Lescompteurs
remplis
d’une tellefaçon
étaient très stables. Pendantplusieurs
mois on nepouvait
observer aucun
changement
dans leur fonction-nement ni dans leurcaractéristique.
Les
compteurs
remplis
de vapeur d’acétone et d’un des gaz rares ont de très bonnesqualités.
Noscompteurs
étaient ordinairementremplis
d’acé-tone etd’argon.
Mais nous avons examiné aussi lescompteurs
remplis
de néon oukrypton (ils
étaient exécutés dans le laboratoire du Professeur Ziemecki
grâce
à la bienveillanceduquel
nous lesavons obtenus à
examiner).
Ils fonctionnent aussi bien que lescompteurs
avecl’argon.
Les
compteurs
qui
sontremplis
de vapeur d’un desliquides
mentionnés etd’hydrogène
ou d’airpossèdent
desqualités
semblables,
mais ils ont lepalier plus
court que lescompteurs
avec des gaz rares.. En résumant on
peut
dire,
qu’en ajoutant
undes gaz rares au
compteur
rempli
de vapeur onpeut
obtenir : 1 ~ la diminution de la tensionseuil;
20l’augmentation
dupalier;
30l’augmentation
du rendement ducompteur.
Le
temps
mort. - Pour l’examen desimpulsions
et pour la détermination dutemps
mort nousemployions,
comme nous avons mentionnéplus
haut,
unoscillographe cathodique
étalonné pour letemps
et le
potentiel.
Laqualité
laplus importante
del’oscillographe
était unarrangement permettant
de ne dévierqu’une
fois lespot.
L’intensité de la lumière était suffisante pour que l’onpuisse
photographier
la trace duspot.
Chaque
cause,qui engendre
dans lecompteur
une
paire
ouquelques
paires
d’ions(par exemple
uneparticule ionisante)
provoque unedécharge.
La
décharge
dure un certaintemps,
ensuite elle s’arrête et vient le retour ducompteur
et du circuit à l’étatinitial,
cequi
dure aussi un certaintemps.
Enconséquence,
après
un passage d’uneparticule
ionisante,
lecompteur
neréagira
pas pour lesparticules qui
viendront dans lasuite,
il serainactif. La
question
est,
quel
est letemps, pendant
lequel
lecompteur
reste inactif ? Cetemps
estappelé
le
temps
mort.Le
compteur
à gaz. -Évidemment
au cours dupassage du courant dans le
compteur,
tout ionengendré
dans l’intérieur ducompteur
par unagent
extérieur n’aura aucune influence sur le processus
de la
décharge.
Dans cetemps
la nouvelleparticule
ionisante
passant
par lecompteur
ne sera pasenre-gistrée.
Letemps
de ladécharge
est pour lecompteur
à gaz de l’ordre de 10-3 sec. La différence du
potentiel
aux électrodes du
compteur
est à la fin de ladécharge
égale
à la valeur de la tension seuil(à quelques
voltsprès). Après l’interruption
de ladécharge,
la différence depotentiel
croît avec une vitessequi
dépend
de la valeur de la résistance de fuite R et de celle de lacapacité
du fil avec l’ensemble des liaisons C.Quand
la différence dupotentiel
estde
quelques
volts au-dessus de la tensionseuil,
la nouvelledécharge
estpossible.
Mais laprobabilité
de la nouvelledécharge
estpetite.
On voit que letemps
mort vrai pour lecompteur
à gaz n’est pas bien défini. Enemployant
la résistance R = I 09 ohmset la
capacité
C 2~ 5 . i cr~ F,
letemps
mort vrai est dequelques
10-3 sec.La
charge
spatiale
positive pourrait
aussiempêcher
la nouvelledécharge. Puisque
letemps
dubalayage
des ionspositifs
est trèscourt,
de l’ordre de jo-6 sec,la
charge spatiale
n’a ici aucuneimportance.
Avant le retour de la différence depotentiel
à la valeurinitiale,
la nouvelleimpulsion
estpossible,
mais sera moins
grande.
Ellepeut
êtretrop
petite
pour êtrecapable
d’actionner ledispositif
enregis-treur.
Letemps
qui
dure,
àpartir
du commen-cement de ladécharge
dans lecompteur
jusqu’au
moment oùpeut
êtreproduite
une nouvelleimpulsion
qui
seraenregistrée,
peut
êtreappelé
letemps
mortapparent.
Ildépend
despropriétés
dudispositif
enregistreur.
Les
compteurs
à vapeur. - S’ils’agit
ducompteur
à vapeur, laquestion
estsemblable,
quoique
le coursdu processus soit un peu différent. La différence de
potentiel
entre les électrodes ducompteur
à vapeur ne s’abaisse pas à la tension seuil. A la finde la
décharge
lecompteur
estcapable
deréagir
pour lesparticules
io-nisantes. Letemps
mort vrai estégal
autemps
de ladécharge.
Mais dans l’intérieur ducompteur
règne,
pendant
un certaintemps,
lacharge
spatiale
positive.
Si la nouvelleparticule
ou les rayons -,,produisent
des ions dansle
compteur
avant lebalayage
des ionspositifs,
il arrivera une nouvelledécharge,
mais elle sera moinsgrande.
Si l’on provoque à l’aide d’une source de radium ungrand
nombred’impulsions,
106 parminute par
exemple,
on observe sur l’écran del’oscil-lographe
beaucoup
d’impulsions, qui
sont moinsgrandes
que lesimpulsions
normales,
si elles suivent dans untemps
très court les autresimpulsions.
Nouspouvions
très bien constater ce fait enphoto-graphiant
undéplacement
duspot, qui
ne se faitphotos
nouspouvions
déduire de lastatistique
desimpulsions
letemps
de relaxation de lacharge
Fig. 1 4.
spatiale
positive.
Il est de 2. 10-5 sec environ. Enconnaissant la mobilité des ions
positifs
dans la vapeurd’acétone,
onpeut
calculer letemps
néces-saire pour le passage des ions du fil aucylindre.
Le calcul donne le
temps
de l’ordre deIo-5 sec,
cequi
est en accord suffisant avec la valeur déduitedes
expériences.
Le fait que les
impulsions
qui
suivent en untemps
très court les autresimpulsions,
sontplus
basses,
rend letemps
mortapparent
ducompteur
à vapeurplus
grand
que letemps
mort vrai. Uneautre cause, est la diminution de la différence du
potentiel
entre les électrodes ducompteur
pendant
ladécharge.
Si une nouvelledécharge
commence avant le retour de la différence dupotentiel
à la valeurinitiale,
l’impulsion
seraévidemment moins
grande.
Letemps
mortappa-rent
dépend
ainsi de lagrandeur
de la résis-tance de fuite. En utilisant la résistance de 107ou io6
ohms,
letemps
mortapparent
est très court. Il est dequelques
0-4 sec en utilisant la résistance de fuite 107ohms,
dequelques
10-5 sec avec larésistance I o6 ohms et
dépend
d’ailleurs despro-priétés
dudispositif enregistreur.
En
terminant,
nous désironsexprimer
nosremer-ciements au Comité de la Première ascension
Strato-sphérique polonaise, grâce
à la subventionduquel
nous pouvons exécuter ces recherches.
