Mesures de sondes dans une source d'ions à électrons oscillants

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Mesures de sondes dans une source d’ions à électrons

oscillants

Max Hoyaux, Robert Lemaitre, Paul Gans

To cite this version:

20 Le radon contenu dans

_l’ampoule

de

prélè-vement est

_{transporté intégralement.}

C’est cette

dernière solution que nous utilisons

systématique-ment. Le

_transport

se fait par

_adsorption

du radon

sur du

_{silicagel porté}

à la

_température

d’ébullition de l’azote

_liquide;

à la

_température

de l’eau

bouil-lante, le

_silicagel

restitue

_{intégralement}

dans la chambre d’ionisation le radon

_qu’il

avait adsorbé. Différentes

_quantités

de

_radon,

extraites de solutions

étalonnées,

ont été

_{transportées}

dans la chambre

d’ionisation par ce

_{procédé :}

la totalité du radon

envoyé

a été retrouvée dans la chambre d’ionisation.

Manuscrit reçu le a4 octobre _{196 3.}

BIBLIOGRAPHIE.

[1] SANDBORN C. BROWN, ELLIOT L. G. et ROBLEY D. EVANS. 2014 Rev. _sc.

Instr., 1942, 13, 147-151.

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Physique

Rad., 1951, 12, 32A-36A.

[7] LABEYRIE J. 2014 Mesure des concentrations et

propriétés

des aérosols radioactifs émetteurs 03B1 _{Thèse, Paris, 1953.}

MESURES DE SONDES DANS UNE SOURCE D’IONS A

ÉLECTRONS

OSCILLANTS. Par MM. MAX HOYAUX, ROBERT LEMAITRE et PAUL _GANS,

Centre _Nucléonique des A. C. E. _C., Charleroi _(Belgique).

Sommaire. 2014 L’article qui _va suivre

présente les vérifications _{expérimentales} de la Théorie des

sources d’ions à électrons _{oscillants établie par l’un d’entre} nous _[1]. En accord avec cette théorie, la distribution radiale de la densité _{électronique} est très proche d’une courbe de Gauss, tandis que la distribution radiale du _potentiel est sensiblement _parabolique. Les mesures ont été faites _jusqu’ici

uniquement dans la vapeur de mercure.

1. But de la recherche. - Le but de la

présente

recherche est la vérification

_{expérimentale}

des

données

_théoriques

_{obtenues par l’un d’entre} nous

_[1]

relativement aux sources d’ions à électrons oscillants.

Parmi les résultats

essentiels,

signalons :

a. _{Confirmation par voie}

_théorique

de l’existence

de deux états distincts : état normal « Normal state » et état

_supérieur

«

_Superstate

», le

_premier

correspondant

à une

_décharge

_{électronique}

_pure

dans un

_champ

_magnétique,

le second à une

_décharge

bipolaire.

b. La distribution radiale de l’ionisation dans

l’état

_supérieur

_(«

_Superstate

_»)

est une courbe de

Gauss.

c. La distribution radiale du

_{potentiel d’espace}

est une

_parabole.

d. Si les conditions d’extraction restent

fixes,

le courant

_ionique

est

_{proportionnel}

au courant

électro-nique.

2.

_Principe

de la rriéthode. - La théorie des

sondes

_[2],

_[3]

est bien connue et a

_déjà

été usilisée

dans notre laboratoire _pour l’étude d’autres

_types

de

_décharges

_[5]

à

_[13].

Rappelons

que

l’on

_appelle

« sonde» une électrode

auxiliaire de

_petites

dimensions

_immergée

dans le

plasma

d’une

_décharge.

Une sonde isolée tend à

prendre

un

_potentiel

différent du

_{potentiel d’espace;}

en

_effet,

les

_électrons,

étant

_{plus rapides,}

la

_frappent

en

_{plus grand}

nombre _que les ions et font baisser son

_{potentiel jusqu’à}

une valeur sufplsarriment

néga-tive pour ralentir les électrons et accélérer les ions de _{manière à compenser la différence. Ce}

_potentiel

s’appelle potentiel

flottant.

Si la sonde est

_polarisée

_{négativement,}

au delà

du

_potentiel

flottant,

elle

_capte

un excès de courant

ionique (négatif

par

convention).

Pour une sonde

_cylindrique

et ~un

_plasma

de faible

densité,

le carré du courant

_ionique

est une fonction

linéaire du

_potentiel

de sonde.

Si la sonde est

_polarisée

_positivement

par

rapport

au

_potentiel

_flottant, elle

_capte

un excès de courant

électronique (négatif

par

convention).

Langmuir

a démontré _{que le} courant

_{électronique}

est une fonction

_{exponentielle}

du

_potentiel

de sonde

jusqu’au

droit du

_{potentiel d’espace.}

Au delà du

_potentiel

_d’espace,

le courant d’une sonde

_cylindrique

_peut,

dans certains cas, varier de telle manière _que son carré soit une fonction

linéaire du

_potentiel

de

sonde;

mais les mesures

sont

_plus

malaisées que pour la branche

_ionique;

en outre, un arc ne tarde pas à

_jaillir

entre la sonde

et le

_plasma.

Nous

_disposons

de deux _{méthodes pour} étudier les

_{caractéristiques}

de sonde :

a. Porter le carré du courant

_ionique

en fonction

du

_potentiel

de

sonde;

on obtient ainsi une droite dont le coefficient

_angulaire

est

_{proportionnel}

au

carré de la concentration

_ionique,

et dont l’abscisse

à

_l’origine

est,en

première approximation,

le

_potentiel

d’espace

au droit de la sonde

(elle

en diffère d’une

quantité kT;

k,

constante de

Boltzmann; T,

tempé-rature

_{électronique; q,}

_charge

de

l’électron).

b. Porter le

_logarithme

du. courant

_{électronique}

en fonction du

_potentiel

de

sonde;

la

_{partie gauche}

est une droite traduisant une

_{exponentielle}

de

sous-tangente

le

_{potentiel d’espace}

est le

_point

où la courbe réelle décolle de cette

_droite;

la

concen-tration est

_{proportionnelle}

au courant en ce

_point.

Pour

_plus

de

détails,

voir

_{[2], [31}

et

_[8];

ce dernier

Mémoire contient notamment une _étude

compa-rative des sondes

_planes

et des sondes

_{cylindriques,}

étude sur

_laquelle

nous aurons à revenir

_plus

loin.

3.

_Dispositif

_{expérimental}

_{1 ).}

- Le

plasma

que nous nous _{proposons d’étudier} est délimité

. Fig. i. - 1. Courant

d’anode; 2. Courant filament; 3. Courant d’émission; 4. Courant de _sonde; 5. Tension de sonde; 6. Courant bobines.

par un _corps

_principal

A

_appelé

anode

d’accélé-ration,

cette anode est constituée d’un tube en

laiton _{de 70} mm de diamètre intérieur et de 3oo mm

de

_longueur.

L’ouverture

latérale,

de o mm de

diamètre, permet

le _passage de la sonde mobile S.

La

_position

de cette sonde est

_réglée

_par

l’action,

sur la masselotte M d’un aimant

_permanent

tenu à la main. L’ensemble

_plonge

dans un

_champ

magné-tique

intense et

_homogène

créé _par des bobines de

Helmholtz.

Les électrons sont émis _par un filament nu

F,

en

_{tungstène, capable}

de

_supporter

un courant de

chauffage

de

3o A;

leur mouvement

_pendulaire

est limité aux extrémités de l’anode par deux «

élec-trodes de

_répulsion

»

_R,

et

R,,

en laiton. Les électrons

pénètrent

dans le volume de la

_décharge

à travers

un orifice

_percé

dans

_Ri;

un orifice

symétrique

percé

dans

_R2

_permet,

en

_principe,

l’extraction des

ions dont le courant

_peut

être mesuré

_grâce

au

cylindre

de

_Faraday

C.

L’ensemble est évacué au _{moyen d’une pompe à}

diffusion _{à vapeur} de mercure sans

_{piège attaquée}

par une _{pompe rotative.}

Dans l’état actuel de nos

_recherches,

la

_décharge

jaillit

dans la vapeur de mercure résiduelle. Nous

installerons

_plus

tard une alimentation en

_hydrogène

et un

_piège

à _vapeur de mercure.

4. Alimentations

_{électriques.}

- Le filament

est

alimenté en courant alternatif à

_partir

du

secon-daire d’un transformateur dont le

_point

neutre se

trouve à la masse _par l’intermédiaire d’un

ampèremètre qui

permet

la lecture du courant

d’émission.

La tension

_anodique

est fournie _par une source

de tension variable

_protégée

_par une résistance-ballast et dont le courant est stabilisé

électroni-quement.

Une

_dynamo

fournit le courant nécessaire

aux bobines de Helmholtz.

Les électrodes de

_répulsion

et le

_cylindre

de

Faraday peuvent

être

_{polarisés indépendamment,}

mais se trouvent actuellement à la terre.

5. Sondes. - La

source d’ions est munie de deux

sondes en

_tungstène,

l’une

_plane,

l’autre

cylindrique

( fig.

2)

(diamètre,

0,3 et

_longueur

de la seconde 3

_mm).

Fig.2.

Les

_{caractéristiques,}

aussi bien de sonde

_plane

que de sonde

cylindrique, paraissent répondre

à la théorie de

_Langmuir,

si nous admettons les

hypo-thèses suivantes :

a. Les électrons sont animés de vitesses

sensi-blement

égales

et

_parallèles;

b. Les ions sont animés de vitesses

beaucoup

plus

désordonnées

_{(sans qu’il}

soit

_possible

de

pré-ciser leur distribution

_exacte).

On _{remarquera que} ces

_hypothèses

coïncident

remarquablement

avec celles du Mémoire

théo-rique

[1]

dans

_lequel

il a été démontré _{que la} masse

électronique

tourne autour de l’axe de la source avec une vitesse

_{angulaire égale}

à celle de

Larmor,

et ce

_pratiquement

sans mouvements désordonnés

(ce qui correspond

bien,

en un

_point

donné hors de

l’axe,

à des vitesses d’incidence sur la sonde

_égales

et

_parallèles

entre

_elles),

_{tandis que le mouvement} des ions

_échappe

à peu

près

totalement à

l’emprise

du

_champ

_magnétique.

Les

_{caractéristiques}

de

sonde

_{cylindrique s’interprètent plus}

_facilement;

notamment, la méthode. consistant à

_porter

le carré du courant de sonde en fonction du

_potentiel

de

sonde

_(méthode

des

_12),

donne d’excellents résultats

quand

on

_l’applique

à la branche

_ionique

de la

carac-1

téristique.

Si l’on

_porte

le

_logarithme

de la densité

ionique

en fonction du carré de la distance à

l’axe,

on obtient des

_diagrammes

d’une linéarité

remar-quable (à

± 3 pour 10o

_près);

dans un _cas, nous

avons

_également

obtenu une

répartition

radiale du

potentiel

suffisamment

_précise;

cette

_répartition

était

conforme à la théorie. Les résultats relatifs à la

branche

_{électronique}

de ces mêmes

_{caractéristiques}

semblent

_plus

délicats à

_{interpréter;}

il en est de

même des résultats relatifs à la sonde

_plane;

cepen-dant,

dans l’un et l’autre cas, nous n’avons trouvé

aucun désaccord

_marquant

_par

_rapport

à la théorie. 6.

_{Caractéristiques}

de sonde

_cylindrique.

-La

_figure

3 donne un

_exemple

d’une telle

caractéris-tique. Rappelons [2],

[3], [8]

que dans

l’hypothèse

où les électrons- arrivent sur la sonde avec des vitesses

d’incidence

_égales

et

_parallèles,

la branche

électro-nique

prend

la forme d’une

_parabole

d’axe

hori-zontal. Si nous _superposons cette branche

électro-nique

à une branche

_ionique

de forme

normale,

un

point

anguleux

apparaîtra

au

_voisinage

du

_potentiel

flottant. Toutes nos mesures

_{expérimentales}

confir-ment cette

_{particularité.}

Si l’on

_porte

le carré du courant

_{électronique}

en fonction du

_potentiel

de

sonde,

on doit _trouver,

suivant la

théorie,

une droite.

_{L’expérience}

confirme

qu’il

en est bien

_{ainsi, mais,}

_{pour des raisons} pure-ment

_graphiques,

il semble difficile de

déduire,

à

partir

du coefficient

_angulaire,

une valeur

_précise

de la densité

_{électronique.}

Par contre, si nous

_portons

le carré du courant

_ionique

en fonction du

_potentiel

Fig. 3. -

Caractéristiques de sonde _cylindrique.

Bobines, j A; Anode, 25o V, 5oo,,,j.A; Émission, 260 ~.A;

Filament, i8A; Sonde _cylindrique, Essai vapeur Hg.

de

sonde,

nous obtenons une très belle

caractéris-tique

se

_{prolongeant parfois}

sur

_plusieurs

centaines de volts

_{( f g.}

_4).

On

_peut

en déduire une valeur

précise

de la densité

ionique, comparativement

à celle

_qui

existe dans

l’axe

(la

détermination des valeurs absolues se heurte

encore à certaines

_{difficultés).}

En

_portant

log§Î

_(N,

densité

_ionique

en un

point

quelconque;

No,

densité

_ionique

en un

_point

de

_l’axe)

en fonction du carré de la distance à

l’axe

_(r2),

on obtient le

_diagramme

linéaire

_prévu

que la

valeur N

à la

paroi

est nettement

supérieure

à la valeur 0,06 dont il est

_question

dans le Mémoire

théorique

[1];

mais cette valeur

constituait,

on s’en

souviendra,

un minimum au-dessous

duquel

il était

impossible

de descendre et non une valeur

nécessai-rement atteinte.

De toutes

façons,

les conditions aux limites

Fig. 4. - Méthode des 12 ioniques 1 (V s).

Bobines, ~ A; Anode, 250V, 500 ;aA; Émission, 250 pA; Filament, 28 A; Sonde _{cylindrique, O 0,3 X 3;} Essai

dans vapeur Hg. Les chiffres sur les droites sont les distances

à l’axe de la _décharge.

Fig. 5 à 8.

fixant

la valeur atteinte à la

_paroi,

restent à

_préciser

par une étude

_théorique

ultérieure. La détermi-nation du

_{potentiel d’espace}

_{par la} méthode des 12

n’est

_{possible ([8],}

p.

10)

qu’à

un terme

additif

près

(k,

constante de

Boltzmann; T,

température

ionique;

q,

charge

ionique).

On

_peut

_comparer entre eux des

_{potentiels d’espace}

en faisant

_{l’hypothèse}

_que ce terme additif est le même dans tout

_l’espace

de

_décharge.

La

_figure

_g

donne un

_exemple

d’une

_répartition

radiale du

potentiel

déduit par la méthode des 12 sans _que le

terme additif ait été effectivement déduit. On voit

que ce

_potentiel

varie linéairement en fonction

Fig. g. -

Répartition radiale du _{potentiel d’espace} lu.

de

r2,

mais que la valeur

extrapolée

à la

_paroi

ano-dique

se trouve nettement au-dessus du

_potentiel

de l’anode tel

_qu’il

nous est

_donpé

_par une

_simple

lecture

_{voltmétrique.}

Dans le cadre de nos

hypo-thèses,

la

_répartition

réelle du

_potentiel

serait celle obtenue en menant, par le

point correspondant

au

potentiel

de

_paroi,

une

_parallèle

à la

répartition

radiale trouvée. La différence d’ordonnées entre

ces deux

_parallèles

donne,

en

_principe,

la valeur

de 20132013;

on trouve dans

_l’exemple

cité

_{(72. 104 OK).}

Cette valeur considérable n’a rien

d’étonnant;

elle

correspond

à une

_énergie

_{moyenne de} 62

eV;

or,

d’après

la théorie

_([1],

form.

_(51),

tabl.

_suiv.),

l’énergie

désordonnée d’un ion est voisine de la moitié de

_l’énergie

_qu’il

_acquerrait

sous une

diffé-rence de

_{potentiel égale}

à celle

_régnant

entre le

point

vaut 0,06 et l’axe. Dans

_l’exemple

cité,

vaut 82 V. L’écart entre ces deux valeurs est

visi-blement lié au fait que la

valeur

à la

_paroi

est

sensiblement

supérieure

à 0,06.

7.

_{Caractéristiques}

de sonde

_plane.

- La

branche

_{électronique}

d’une

_{caractéristique}

de sonde

plane

avec anneau de

_garde,

soumise à un flux

d’électrons

_ayant

des vitesses

_égales

et

_parallèles,

devrait être une marche d’escalier

_[2],

_{[31, [8].}

L’introduction des effets de bord donne un

adoucis-sement des

_angles;

la forme

_{expérimentale}

de la

caractéristique

est donnée

_figure

10.

A

_partir

de cette

_{caractéristique}

modifiée,

nous

pouvons reconstituer intuitivement la marche d’es-calier

_théorique,

dont la hauteur est

_{proportionnelle}

au

_produit

de la densité

_{électronique}

_par la vitesse

d’incidence des électrons. Cette vitesse doit être

elle-même

_{proportionnelle, d’après}

la

théorie,

à la distance

_séparant

la sonde de l’axe de la

_décharge

(puisque

la vitesse

_angulaire

de la masse

électro-nique

est une constante

_égale

à celle de

_Larmor).

Fig. o. -

Caractéristiques de sonde _plane.

Bobines, ~ A; Anode, 25o v, 50o u.A; Émission, 250 _;~.A;

Filament, 28 A; Sonde _{plane, 0} 0,3 mm; Vapeur Hg.

Il est donc

_possible,

ici

aussi,

de déterminer les

valeurs relatives de la densité

_{électronique}

dont

nous

_portons

le

logarithme

en fonction de r2.

Toute-fois,

seuls les

_points

_{correspondants}

à des

_positions

relativement

_éloignées

de l’axe sont en

_ligne

droite

( fig.

Au

_voisinage

de l’axe s’introduisent des

écarts dus au fait _{que la} vitesse ordonnée des

élec-trons tend à s’effacer devant la

_composante

désor-donnée que nous avons

_négligée

dans tout ce

_qui

précède.

Il semble

_{qu’on puisse}

amélorer ce résultat en orientant la sonde

plane

perpendiculairement

à

la vitesse d’incidence des électrons.

Fig. 11. -

Répartition radiale de la densité d’ions _positifs lue. Sonde _{plane, 0} 0,3 mm; Anode, 25o V, 5oo lj.A;

Émission, 25o ,j.A; Filament, 18 _A;

Bobines, 7 A; Essai vapeur Hg.

8. Conclusions.. - Nous

avons obtenu de

nombreuses vérifications de la

_répartition

radiale calculée

_{théoriquement}

pour la densité

ionique

dans

une source d’ions à électrons oscillants. Les valeurs

expérimentales

coïncident avec les valeurs

_théoriques

à ii-- 3 _pour 10o

_près;

nous avons

_également

obtenu

dans un cas une distribution radiale du

_potentiel

conforme à la théorie. a

La théorie

_semble

donc se vérifier

_parfaitement

dans la vapeur de mercure. Nous nous _proposons

d’entreprendre

à

_présent

des recherches

expéri-mentales dans le cas de

_{l’hydrogène.}

En vertu de

ce

_{qui précède,}

nous travaillerons

_uniquement

avec

sonde

_cylindrique;

les résultats de sonde

_plane,

sans

être en désaccord avec la

théorie,

_paraissent

beaucoup

plus

difficiles à

_{interpréter.}

Manuscrit reçu le 5 octobre 1953.

BIBLIOGRAPHIE.

[1] HOYAUX. 2014 Théorie des sources d’ions à électrons

oscillants. J. _Physique Rad., 1954, 15, 264.

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Rev., 1924,

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[5] LEDRUS. 2014 Bull. Acad.

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[6] LEDRUS. - Bull. Acad.

Roy. Sc. Belg., 1938, p. 123.

[7] LEDRUS et NEIRYNCK. 2014 Revue Charleroi-Jeumont,

1941, nos 3-4.

[8] HOYAUX. 2014 Publications de l’A. I. Ms. _{(Mons), 1946- 1947,}

nos 97-98.

[9] NEIRYNCK. 2014 Bull. Soc. _Belge Electr., 1943, n° 2.

[10] NEIRYNCK. 2014 Bull. Soc. Belge Electr., 1943, n° 3.

[11] HOYAUX. 2014 Rev, _gén. Électr., 1951, 60, 279 et 317.

[12] HOYAUX. 2014 Bull. Sc. de l’A. I. M., 1952, n° 2.