L'effet photoélectrique des rayons X sur les cellules photoélectriques à couche d'arrêt

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L’effet photoélectrique des rayons X sur les cellules

photoélectriques à couche d’arrêt

G. Blet

To cite this version:

5. Conclusions. - On voit sur le tableau II

que les valeurs du coefficient

d’absorption

obtenues par la méthode

calorimétrique

sont en bon accord avec celles déterminées par la méthode de

pression

de radiation. La seule

_précaution

à

_prendre

est

que toutes les radiations

ultrasonores

traversant la

fenêtre de mica soient

_{complètement}

absorbées par

le

_liquide

dans le calorimètre. La

précision

de cette

méthode est _{finalement conditionnée par celle de}

la mesure de

petites élévations de température.

Si des améliorations

_permettaient

de connaître

celles-ci à o,oIo

près,

la méthode donnerait des

résultats très

_précis.

Elle

est,

en

_outre,

_simple

et

élégante,

car elle

n’exige

aucun

_montage

_compliqué.

Manuscrit reçu le 24 décembre 1952.

BIBLIOGRAPHIE.

[1] BERGMANN, Der Ultraschall, 1949.

[2] PARTHASARATHY S., SRINIVASAN D. et CHARI S. S.

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[3] PARTHASARATHY S., CHARI S. S. et SRINIVASAN D.

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publication aux Annalen der _Physik.)

[4] PARTHASARATHY S., CHARI S. S. et SRINIVASAN D. 2014

Absorption of ultrasonic waves in organic liquids at 5 mc/s

by radiation pressure method. _(En cours de publication.)

L’EFFET

PHOTOÉLECTRIQUE

DES RAYONS X

SUR LES CELLULES

PHOTOÉLECTRIQUES

A COUCHE

D’ARRÊT

Par G. BLET.

Sommaire. 2014 Des _mesures faites en _exposant une _{cellule à}

couche

d’arrêt au sélénium au

rayonne-ment X d’une anticathode de _tungstène sous diverses conditions d’excitation, ont mis en évidence un

effet

_{photoélectrique}

faible. Le courant _produit s’additionne intégralement avec un courant

photo-électrique d’origine lumineuse. Les mesures avec courant de _polarisation ont donné des résultats

ana-logues à ceux obtenus avec un _rayonnement de lumière visible.

Enfin, l’effet de fatigue est très marqué. Le calcul du rendement _quantique a donné un nombre très

élevé, de l’ordre de 1000. Ce résultat est _{expliqué par l’hypothèse d’éjection} en cascade d’électrons de moins en moins _rapides.

LE JOURNAL DE PHYSIQUE ET LE RADIUM. TOME

_14,

JUIN

1953,

parz 368.

1.

_{Montages. -}

Nous avons utilisé _pour ces

essais un tube à circulation d’eau à anticathode de

_tungstène

donnant un

_rayonnement

_réparti

en

longueur

d’onde

selon la courbe

_classique.

La tension d’alimentation a _pu

être

_poussée

jusqu’à

80 kV et le débit du tube

_jusqu’à

16 mA.

Le

_{dispositif d’alimentation}

du tube

_permet,

_par des manoeuvres

convenables,

_d’ajuster

individuel-lement

tension et débit aux valeurs choisies à

l’avance.

La cellule

_{photoélectrique}

à couche d’arrêt au

sélénium était

_placée

à l’intérieur d’un boîtier

métallique

étanche fermé à

sa

_{partie supérieure}

par une mince feuille de

_clinquant

d’aluminium

de

_I/Iol,

de

millimètre

_{d’épaisseur.}

A l’intérieur de ce boîtier une

_petite

_{ampoule permettait}

d’éclairer

à volonté la cellule. Le câble d’alimentation de cette

_lampe

ainsi _{que le câble} de la cellule étaient

soigneusement

blindés et mis à la masse, ainsi que

le

boîtier,

pour éviter les

courants

parasites

dus

aux

_effluves,

la cellule étant

_placée

_juste

sous la fenêtre du tube à _rayons X et à une distance de 3o cm de l’axe de l’anticathode.

2.

_Fatigue

de la cellule. - Deux

phénomènes

distincts ont été immédiatement constatés.

a. le courant de cellule met un

_temps

_appréciable

pour atteindre sa valeur

maxima; .

b. la décroissance du courant se

_{poursuit pendant}

plusieurs

minutes.

La cellule était reliée à un

_{galvanomètre}

à courte

période,

2 s environ.

_Lorsque

la cellule est éclairée

en lumière

_visible,

_{l’élongation}

maxima du

galva-nomètre est atteinte en 2-s environ. Sous le faisceau

de rayons

X,

cette durée a été

_augmentée

jusqu’à

8 s.

Au delà de ce

_maximum,

la décroissance est

d’abord

_{rapide pendant}

une

_vingtaine

de

secondes,

puis

devient

_plus

lente et. se

_poursuit

_pendant

plusieurs

minutes. Au bout de

₄

mn, nous avons arrêté nos

_expériences

_pour ne _pas

_fatiguer

le tube à _rayons X.

En

outre,

la

_{fatigue produite}

_par un éclairement X de

_quelques

minutes dure de nombreuses heures.

La durée nécessaire _{pour, que}

_{l’élongation}

du

galva-nomètre

atteigne

son maximum

_dépend

de l’état

de

_fatigue

de la cellule et se trouve d’autant

_plus

court _{que la}

_fatigue

est

_plus

récente.

La’

_fatigue

_précédente

_ayant

consisté dans ces trois cas en une

_exposition

de 5 mn au

_rayonnement.

Les courbes de la

_{figure 1 représentent}

la variation

du courant de cellule en

_fonction

du

_temps,

_pour une même tension de 60 ooo V sur le tube et des

intensités croissantes de

4,

8 et 12 mA. La courbe

en

pointillé correspond

à 8

mA, mais

_après

2 h de

repos. ,

.

Sous cette tension

elevée,

les

_{phot9ns X}

ont une

énergie

assez

_grande

et l’établissement du courant est assez

rapide.

Pour

mieux

mettre en évidence la forme du début de

la

courbe,

nous avons

_opéré

sous des tensions

_’beaucoup

_plus

_faibles,

à

_partir

de de 20 ooo V.

Nous avons

_appliqué

au tube

_{successivement,}

pendant

2 mn

_chaque

_fois,

des tensions croissantes

de 20 _ooo,

_4o

ooo, 60 ooo et 80 ooo

_V,

le débit étant constamment

_réglé

à

₄

mA et la cellule se repo-sant 5 mn environ entre

_chaque

mesure.

Enfin,

une dernière mesure a été faite à nouveau

sous 20 00o

V,

_{pour comparer} avec la mesure

initiale.

Les courbes des

_figures

2 et 3

_{reproduisent,}

à des

échelles

différentes,

les variations du courant de

cellule dans ces divers cas.

Sur la

_figure

2 sont tracées les deuX courbes

rela-tives à 20 ooo V :

l’établissement

du courant se fait

très lentement et l-effet - de

_fatigue

des mesures

intermédiaires se - fait très nettement sentir.

Pour les tensions

_{supérieures,}

les

_temps

ont été

portés

en unités

_{logarithmiques;}

le maximum est

atteint

d’aùtant

plus

vite que la tension

_est

_plus

élevée.

Les courbes de la

_figure

3 se

_rapprochent

évidem-ment de celles de la

_{figure i.}

r

Nous sommes donc en

_présence

de deux

phéno-mènes distincts selon le niveau

_d’énergie

des

pho-tons X.

,

3. Courbes

_{caractéristiques.}

- En

nous

pla-çant

dans des

conditions

convenables

_pour

éliminer l’influence de la

_fatigue,

nous avons déterminé l’influence

_respective

de

_l’énergie

des

_photons

X

(tension

en

kilovolts)

et de leur nombre

_(courant

en

milliampères)

sur le courant débité _par la cellule. , Les

_quatre

courbes de la

_figure

₄

_{représentent}

respectivement

pour les tensions de

30, 45,

60 et

₇₅

kV la

variation

du courant de cellule en

_{microampères}

en fonction du débit dans le tube en

_{milliampères.}

Ces

courbes,

par leur courbure très

marquée,

montrent une

_analogie

_frappante

avec les courbes

obtenues

en lumière visible sous des très forts éclai-rements

_produisant

à la fois

_fatigue

et saturation.

l’anticathode :

le nombre de

_photons

X rencontrant

la cellule doit varier comme l’inverse du. carré de la distance. Il en _{est à peu}

_près

de même pour le courant

de

_cellule,

comme le montrent les résultats du

tableau I.

TABLEAU I.

Pour

_chaque

tension,

le nombre

_supérieur

corres-pond

au courant mesuré

_(en

unités

_arbitraires)

pour une distance d et le nombre inférieur à la

moitié

du courant

mesuré

_pour une distance

d2

2

La concordance est très

_{satisfaisante,}

_{sauf pour}

quelques

chiffres

_{correspondant}

à 60 kV.

4.

_{Superposition}

de

_photons

X et. de

_photons

lumineux. - Le

_montage

_que nous avons utilisé

permet,

nous l’avons vu, d’éclairer la cellule en même

_temps

_qu’elle

reçoit

le flux de

_photons,X.

Nous avons

_réglé

l’éclairement de la cellule de

manière à obtenir _{en l’absence} de _rayons X un courant

_{de 1 fJ-A.}

Nous avons ensuite mesuré dans

divers cas le courant dû soit à la

_{superposition}

avec les

_photons

lumineux,

soit aux

_photons

X

seuls.

Dans le tableau

II,

nous avons

noté,

en

micro-ampères,

la différence entre ces deux

courants,

qui

devrait être

_égale

à i

_FA

_(aux

erreurs

d’expé-rience

_près)

s’il _y avait addition

parfaite.

La différence est

_bien,

_{approximativement,}

cons-tante et

_égale

au courant _{créé par} les

_photons

lumi-neux. La concordance est même excellente pour les faibles tensions

_quel

_{que soit} le

_débit,

et aux tensions

élevées _{pour les faibles} débits. On note

_cependant

un déchet très

_marqué

_{pour les} tensions et les

débits

élevés.

TABLEAU II.

En d’autres

termes,

un flux intense _{de rayons X}

à

_{grande énergie}

diminue de

_{façon appréciable}

la sensibilité de la cellule _{pour les rayons} lumineux.

5. Influence de la

_{polarisation.}

- Il était intéressant

de

voir

_également

l’influence d’une tension de

_polarisation

sur le courant

_{photoélectrique}

dû aux _rayons X.

Nous avons tout d’abord déterminé la valeur du

courant de

_polarisation

dans

_chaque

sens

(photo-électrique

et

_inverse)

_pour diverses tensions de

polarisation

s’échelonnant en I0 en 10 mV de o

à ioo mV. Ensuite nous avons

_superposé

le courant

photoélectrique

obtenu pour une même tension

du tube

₍₆₀

ooo

V)

et divers débits

(4,

8,

12 et 16

mA).

Les résultats sont

_{représentés}

_{par les courbes}

de la

_figure

5. ,

Ces

_quatre

courbes

mettent

en évidence les deux lois suivantes. Pour une

_polarisation

_positive,

c’est-à-dire selon nos

conventions,

créant un courant

de même sens _que le courant

_{photoélectrique,}

le faisceau de courbes est

_{divergent :}

le courant total

est

_{plus grand}

_que la somme des deux autres et

d’autant

_plus

_{que la}

_polarisation

est

_plus

élevée.

Par

_contre,

_pour une

_polarisation

_négative,

le fais-ceau de courbes est

_convergent

et le courant total

est

_plus

_petit

_que la somme des deux et d’autant

plus

que la

polarisation

est

plus

grande.

Ces deux lois sont les mêmes

_{qualitativement}

que celles que nous avons mises en évidence dans le cas d’un

çourant

_{photoélectrique produit}

par des

6. Considérations

_générales

sur l’ensemble de ces résultats. - L’ensemble des

mesures _que

nous venons de

_présenter

nous montre _que vis-à-vis

des

_photons

X,

le

_comportement

d’une cellule

photoélectrique

à couche d’arrêt

est,

d’une

_façon

générale,

le même que vis-à-vis des

photons

lumi-neux. Il y a toutefois une différence considérable en ce

_qui

concerne l’ordre de

_grandeur

du courant débité

_{(3 P. A}

au maximum pour les

_rayons

_X)

et

l’ampleur

des

_phénomènes

de

_fatigue.

Étant

donné la

_grandeur

et la

_persistance

des effets de

_fatigue

_{constatés pour les rayons}

_X,

on

pourrait

s’attendre à avoir

_des

courants très

impor-tants.

Or,

il n’en est rien. Les

_courants

obtenus

atteignent

tout

_juste

3

_FA,

alors

_qu’en

lumière

ordinaire un tel courant est obtenu avec un

éclai-rement de 2

lux,

ce

_qui

est _{très peu} et

_correspond

pour la cellule utilisée à un flux lumineux de i

/2ooe

de

lumen. Ce flux lumineux en lumière blanche

corres-pond

approximativement

à une

_puissance

de 25 _p. W. Il est intéressant de chercher à évaluer la

_puissance

des

_rayonnements

_{X que} nous avons utilisés

précé-demment.

7.

Mesure

de

_l’énergie

X

_rayonnée.

- Nous

avons mesuré

_l’énergie

du

_rayonnement

X au _moyen

d’un

_compteur

à

ionisation : le

_dosimètre

Hammer,

à une distance de _{3o cm.}

Cet

_appareil

mesure

le

_rayonnement

en

_rôntgen,

unité

_pratique.

Le

_compteur

_{enregistre 1}

_top

_pour 5

_rôntgens.

Nous avons mesuré dans

_chaque

cas le

_temps

nécessaire au

_comptage

de 25

_rôntgens,

soit 5

_tops.

Ce

_temps

nous a

_permis

de mesurer

l’intensité du

_rayonnement

en

_rôntgçn

_par seconde.

Les résultats sont

_reproduits

dans le tableau III.

TABLEAU III.

Par

ailleurs,

nous connaissons la

_{correspondance}

entre les unités

_rôntgens

et

_l’énergie

en _{erg par} seconde et _{par centimètre carré.} Il

_n’y

a _pas

propor-tionnalité,

le coefficient

_dépendant

de la

_longueur

d’onde du

_rayonnement

incident,

comme

l’absorp-tion et l’ionisation

Dans le tableau

IV,

nous avons _{relevé pour}

diverses valeurs de

la

tension

_(en

_kilovolts)

la

longueur

d’onde

_{correspondant}

au maximum de

l’émission,

la

transmission

de la fenêtre d’aluminium

utilisée,

la valeur du coefficient

2 3°

et

_l’énergie

du

quantum

-en

_joules.

. TABLEAU IV.

La cellule à couche d’arrêt utilisée

_ayant

une surface utile de

_27,3

cm2,

nous avons calculé _pour

chaque

tension

et

_chaque

débit

_l’énergie

totale

reçue en milliwatts

(tableau

V).

TABLEAU V.

Énergie

reçue en

milliwatts.

8. Calcul du rendement. - Connaissant l’in-tensité en

microampères

débitée _par la

cellule,

nous

avons _pu en déduire deux formes de rendement : a. le rendement en

_{milliampères}

_par

_watt;

b. le rendement en électrons _par watt.

Les variations

_de

ces rendements sont

_{représentées}

par le réseau de courbes de la

figure

6.

Il est intéressant de noter tout _{de suite que} le

courant de 3

_{[J. A}

_correspond

à une

_énergie

de

25 p. W

environ en lumière blanche et à une

_énergie

de _{27 mW}

environ en

_rayonnement

X.

Le rendement

_{énergétique}

de la cellule est donc

"mille

fois

_plus

faible sensiblement vis-à-vis du

372

courant débité par la

photopile

étant très

_faible,

le

_potentiel

retardateur reste très faible et son

action est insensible : _{il y} a

pratiquement

propor-tionnalité du courant débité à

_l’énergie

reçue.

Par contre le rendement

diminùe

très vite

_lorsque

la tension du tube

_augmente.

Nous _{pouvons supposer} dans ce cas _que

_l’énergie

des

_photons

X

_augmentant,

ils sont moins absorbés par le

sélénium,

cette

absorp-tion diminuant

_plus

vite _que

_n’augmente

leur

énergie

individuelle,

ce

_qui

est connu.

Nous pouvons faire le

calcul

de

_l’énergie

X absorbée par le

sélénium,

en

_supposant

_{que la} frac-tion transmise et absorbée _{par le}

fer,

donne lieu à des

_phénomènes

secondaires

d’importance

res-treinte.

, La

fraction transmise est donnée par .

p. étant le coefficient

d’absorption

du sélénium et x

son

_épaisseur

en

centimètres.

Nous avons

_{calculé F}

à

_partir

des tables _pour

Les valeurs

_{correspondantes}

sont

23,

63 et

_42.

L’épaisseur x

étant très

_faible,

nous _pouvons

développer

Ii o

en ’série. En

première

approximation

ja

nous trouvons

d’où,

pour la fraction absorbée

,

elle est

_{proportionnelle}

à _F. .

Comparons

pour les trois tensions

utilisées,

les rendements en

_{milliampères}

_par watt et les

absorp-tions :

-Nous _{constatons que le}

_rapport

est _{à peu}

_près

constant,

ce

_qui

_justifie

nos

_hypothèses.

Donc le rendement

_{énergétique}

vrai :

_rapport

de

_{l’énergie électrique}

débitée à

_l’énergie

X

absorbée,

est

_indépendant

de

_l’énergie

des

_photons

X

_{dans ,les}

limites de nos

_{expériences.}

A

_partir

des données

_{précédentes,}

nous _pouvons

calculer

le rendement

_quantique

_{apparent :}

nombre

de

_{photoélectrons}

_{débités par}

_photon

X incident.

Ce rendement est

_{pratiquement indépendant}

du courant dans le

_tube,

_mais.

décroît avec

la

tension

appliquée :

Pour déduire de ces valeurs le rendement

_quantique

vrai : nombre de

_{photoélectrons}

_{débités par}

_photon

X

absorbé,

il faudrait connaître

_{l’épaisseur}

de la couche de sélénium.

_N’ayant

_pu

obtenir ce

renseignement

des

constructeurs,

nous avons été réduits à

déter-miner

_chimiquement

la masse de sélénium

recou-vrant une surface connue.

_L’analyse

se termine par une titrimétrie à l’iode dont le

_{virage dépend de}

la

durée et

_qui

_{semble par là} assez

_imprécise.

D’autre

part, nous avons

dû supposer que la densité de cette

couche est celle du sélénium à l’état

_massif,

soit

_4,5.

Le résultat brut nous a donné une

_épaisseur

de o,6 li..

Étant

donné les causes d’incertitude ci-dessus

énoncées,

nous avons admis le chiffre rond de 1 _tx.

La fraction de

_rayonnement

absorbée est

_égale.

à li.

x, soit ,

Les rendements

_quantiques

vrais deviennent donc :

Il faut tenir

_compte

évidemment de toutes les

imprécisions

de nos mesures, en

_particulier

de celles concernant la mesure absolue de

_l’énergie

du

rayon-nement X et de celle de

_{l’épaisseur}

de la couche de

sélénium

Admettons un rendement

_quantique

_moyen de l’ordre de 1000 avec une incertitude

_qui

_peut

peut-être faire varier ce nombre de la moitié au double.

Comparons,

dans les deux cas, lumière

visible

et

_rayonnement

X,

le

_rendement

en

_{milliampères}

par watt

incident,

en électrons

_’par

watt

_incident,

la fraction

_absorbée,

_l’énergie

du

_photon

et le

ren-dement

_quantique.

Faisons le

_rapport

4e

ces valeurs en mettant au numérateur la

_grandeur

_{correspondant}

au visible

et au

_{dénominateur}

celle

_{correspondant}

au rayon-nement X.

Nous obtenons le tableau

suivant

pour 60 kV

Quelques

calculs

_simples

montrent _que ce tableau est

_parfaitement

cohérent.

1

De

_plus,

nous _{constatons une}

_{augméntation}

du rendement

_quantique

vrai

avec

_l’énergie

du

9.

_Essai

_{d’interprétation.}

-

Nous pouvons

ima-giner

une réaction en cascade où le

_photon

X à

grande

énergie

arrachera d’abord un électron donné de très

_grande

vitesse. Celui-ci

est

_susceptible,

en

plusieurs

chocs

_successifs,

de

_partager

son

_énergie

entre

_plusieurs

électrons moins

_rapides.

Le nombre des électrons émis ira ainsi en se niul-.

tipliant

au fur et à mesure _que leur

_énergie

indivi-duelle décroît.

Dès

lors,

il est

_{compréhensible}

_{que seuls}

_quelques

électrons

_rapides

subsistent,

leur

_grande

vitesse leur

_ayant

_permis

de sortir avant de

_perdre

_leur.

énergie

par chocs. Par contre, le nombre des

élec-trons lents doit être considérable.

Conclusions. - Nous avons mis en évidence un rendement

_quantique

de l’ordre de 1000 dans l’effet

photoélectrique

des rayons X.

Manuscrit reçu le 10 _{janvier I953.,}

BIBLIOGRAPHIE..

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