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Étincelle dans le vide à rythme rapide, comme source de lumière dans l'ultraviolet lointain

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(1)

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Étincelle dans le vide à rythme rapide, comme source de

lumière dans l’ultraviolet lointain

Germaine Balloffet

To cite this version:

(2)

ÉTINCELLE DANS LE VIDE A RYTHME

RAPIDE,

COMME SOURCE DE

LUMIÈRE

DANS L’ULTRAVIOLET LOINTAIN

Par Mlle GERMAINE BALLOFFET

(1),

Laboratoire des Hautes Pressions, C. N. R. S., Bellevue.

Résumé. 2014 On

a montré, dans cet article, la possibilité de faire fonctionner une étincelle dans

le vide, à 3 électrodes, à une fréquence de répétition de 10 à 20 décharges par seconde. L’associa-tion d’une telle source à un monochromateur à vide présente un intérêt pour diverses mesures

spectrophotométriques

dans l’ultraviolet lointain, et, c’est en utilisant cette technique, que l’on a

vérifié ici que les propriétés essentielles des étincelles dans le vide à faible fréquence de répétition,

analysées au cours d’études antérieures, étaient conservées. Abstract. 2014 It is

pointed out, in this paper, that the three electrode vacuum spark could be

operated at a repetition rate between 10 and 20 discharges per second. The association of such a light source with a vacuum ultraviolet monochromator is of interest for various

spectro-photometric measurements ; using this technique it has been demonstrated that the main features

of vacuum

sparks

at a low repetition rate, previously observed, were maintained.

Tome 25 SUPPLÉMENT AU Np 6 JUIN 1964

LE

JOURNAL

DE

PHYSIQUE

PHYSIQUE

APPLIQUÉE

Généralités sur les sources de lumière. - Parmi

les divers

problèmes technologiques,

liés aux

re-cherches

spectroscopiques

dans l’ultraviolet loin-tain - entre 2 000

A

et

les rayons X mous

-celui de la réalisation d’une source de radiations

intense

et

reproductible

reste

essentiel, malgré

de récentes solutions que de nombreux laboratoires

§ont

proposées.

Parmi

celles-ci,

nous

rappellerons,

tout

d’abord,

les sources émettant un

spectre

de

raies,

qui

sont actuellement utilisées dans tout le domaine de l’ultraviolet lointain. Les

décharges,

dans un gaz raréfié

transparent

dans l’ultraviolet

lointain,

tel que l’un des gaz rares, émettent un

spectre

de raies peu

nombreuses,

limité en

longueur

d’onde,

au

mieux,

vers 200 ou 300

Â.

Ce

type

de

source a été

largement

utilisé pour des études

d’absorption

et de

photoionisation

par Weissler

[1, 2],

et,

plus

récemment,

sous une forme modifiée

par Hunter

[3].

Les étincelles sous vide constituent

. une autre source émettant un

spectre

de

raies,

pro-venant du matériau des électrodes et s’étendant

jusqu’aux

rayons X. Ce

type

de source a été utilisé (1) Ce travail a été effectué au Laboratoire du

Profes-seur G. L. Weissler, Department of Physics, University of

Southern California, Los Angeles, et a été présenté a

XIe Colloquium Spectroscopicum Internationale, Beograd,

octobre 1963.

pour des mesures

d’absorption

dans tout le do-maine de l’ultraviolet lointain

[4],

et

également

pour diverses études en

spectroscopie

d’émission

[5, 6, 7].

Par

ailleurs,

les sources émettant un

spectre

continu dans l’ultraviolet lointain ont été très

développées

récemment sous des formes

diverses,

qui

présentent

presque toutes l’inconvénient d’une limitation du

spectre

vers les courtes

longueurs

d’onde. Les

décharges

dans un gaz, émettant un

continu

moléculaire,

s’utilisent souvent

[8]

et

ré-cemment,

de bons résultats ont été obtenus par

Hinteregger [9]

et Huffman

[10], qui

opèrent

avec une forte

pression

d’hélium

(40

mm

Hg) ;

mais le

continu de l’hélium est limité à la

région

1 100-600

Â.

Pour couvrir un domaine

plus

étendu de

longueurs d’onde,

il faut observer le

rayonnement

de

freinage

émis par un

plasma

dense,

analogue

à

celui que

produit

une

décharge

condensée dans un

capillaire

(continu

de

Lyman).

La réalisation la

plus

perfectionnée

de ce

type

de source a été

pro-posée

par Garton

[11], qui

a pu étendre

ainsi,

jusqu’à

400

A

environ,

la limite courte

longueur

d’onde du

spectre.

Rappelons

encore _qu’une

source

de

spectre

continu est fournie par les électrons accélérés d’un

synchrotron,

mais

l’énergie

ainsi

rayonnée

reste concentrée dans une bande

(3)

74 A

trale assez limitée et l’intensité émise demeure très

réduite,

lorsqu’on

observe des

longueurs

d’onde

supérieures

à

quelques

centaines

d’angstrôms

[12].

Enfin,

parmi

les étincelles dans le vide mentionnées

ci-dessus,

nos propres travaux ont montré que,

dans certaines

conditions,

l’étincelle à trois élec-trodes

[13]

émet un

spectre

continu,

s’étendant

jusqu’aux

rayons X

(lorsque

le circuit de

décharge

a une très faible

inductance)

[14].

Mais la

plupart

des sources de

rayonnement,

que

l’on vient de.

mentionner, présentent

un caractère

de discontinuité dans le

temps,

puisque

ce sont des

décharges

en

impulsions

se

produisant

à des

fré-quences de

répétition

assez faibles. Seules les sources du

type

Weissler à 60

cycles

par seconde

ou du

type

Hinterreger

à

fréquence

de

répétition

très élevée

(de

1 à 5

kC)

sont semi-continues. En ce

qui

concerne les étincelles dans le

vide,

tous les résultats obtenus

jusqu’à

présent,

en

spectroscopie

d’émission comme en

spectroscopie d’absorption,

utilisaient une

réception

photographique

du

rayon-nement,

méthode

qui

ne nécessite pas une émission lumineuse continue ou semi-continue dans le

temps.

Il semblait donc intéressant de vérifier que le fonctionnement et les

propriétés

spectroscopiques

des étincelles à trois électrodes

produites

à une

fré-quence de

répétition plus

élevée,

étaient peu modi-fiées par cette variation de

fréquence.

L’association

d’une telle source à un monochromateur à vide

permettrait

de

reprendre

et de

préciser

diverses

mesures fondamentales dans l’ultraviolet lointain

sans limitation vers les courtes

longueurs

d’onde. Nous allons décrire maintenant une étincelle

dans le

vide,

utilisée comme source de

raies,

et

fonctionnant à des

fréquences

de

répétition

allant

de 10 à 20 par seconde.

Description

de la source. - La

décharge,

dans le

vide à trois

électrodes,

utilisée dans des

applications

diverses

[13, 14,

15]

avec une

fréquence

de

répé-tition des étincelles de une toutes les secondes ou

toutes les deux

secondes,

émet un

spectre

de raies

superposé

à un fond

continu,

lequel

est

plus

ou

moins intense selon les valeurs des

paramètres

élec-triques

de la

décharge,

et selon le matériau de l’an 0 d e

[14].

On a

légèreinent

modifié ce

type

d’étincelles pour

obtenir un fonctionnement à des

fréquences

de

répétition

allant de 10 à 20 par

seconde,

tout en

conservant une

énergie

électrique

instantanée par

décharge

assez élevée. Les électrodes à la haute

tension,

anode de l’étincelle

d’amorçage

et anode

principale,

ont été refroidies par une circulation

d’eau,

leurs dimensions ainsi que celles de la cathode

(potentiel

0)

étant

beaucoup

augmentées

par

rapport

à celles du

dispositif

antérieur. Les

deux anodes

cylindriques,

de 40 millimètres de

dia-mètre

environ,

sont en acier

inoxydable,

sauf l’extrémité de l’anode

principale

A

( fig.

1),

qui

est

1

Fie. 1. -

Disposition des électrodes. A : anode

principale ;

- T : électrode

émettrice ; z

C : cathode en cuivre ; -- L : isolant en céramique ;

---A’ : extrémité de l’anode auxiliaire.

en

cuivre ;

ce cône

porte

l’électrode elle même

T,

dont le diamètre doit être limité à 2 ou 3 mm pour un bon

fonctionnement ;

cette électrode est

géné-ralement en

tungstène,

mais le

molybdène

et la

tantale

apparaissent

également

utilisables. La

pièce

isolante L de l’étincelle

d’amorçage

est en matériau

réfractaire. Les électrodes se trouvant

généralement

disposées

comme sur la

figure

1 par

rapport

à l’axe

optique

00’ du

spectromètre,

on observe

latéra-lement la

décharge;

l’extrémité de l’anode est située un peu au-dessous de l’axe

optique,

lorsqu’on

commence les étincelles. Avec des

fréquences

de

répétition

plus

élevées il

apparaît

essentiel

d’opérer

dans un vide suffisamment

bon,

de l’ordre de 10-6 mm

Hg, pour

éviter les

décharges

sur les

parois

isolantes en contact avec les électrodes.

Le schéma du

générateur

électrique, classique,

est

rappelé

sur la

figure 2,

Le condensateur de la

décharge

principale

est

C2,

relié directement à A.

Les essais ont été faits avec différents

conden-sateurs

C2

de

capacité,

variant de

0,125

à

0,5 fLF,

mais

les

conditions de fonctionnement que l’on

désignera

ci-dessous par « normales»

correspondent

(4)

75 A

Fie. 2. - Générateur

électrique. lVI1 : voltmètre ; - M2 :

milliampéremètre ;

- S : interrupteur ; - A :

anode ; - C : cathode.

inductance et de

capacité

0,25 p-F (N.

R.

G.).

Plusieurs condensateurs ont été

essayés

pour

Cl

dans la

décharge

d’initiation - on reviendra

plus

loin sur leur rôle - et

une valeur de

0,2

[LF

a été

adoptée

pour les conditions « normales ».

L’inter-rupteur S,

réglant

la

fréquence

des

décharges,

se

place

en série avec l’étincelle d’initiation. S

peut

être soit un

interrupteur mécanique,

disque

rotatif

muni de

pointes

doubles en

tungstène,

avec une

vitesse

réglable

et

stable,

soit un

interrupteur

élec-tronique

constitué par un

ignitron

en série avec

l’étincelle et déclenché par un circuit

électronique

à

thyratron.

La

fréquence

de

répétition

est

plus

stable avec

l’interrupteur

électronique,

et

surtout,

elle

peut

être modifiée dans un

large

domaine

allant de

2,5

à 60

cycles

par seconde. Notons cepen-dant que les mesures

oscillographiques

ont

indiqué

un

temps

de montée de

l’impulsion,

pour la

dé-charge d’initiation,

un peu

pluscourt

avec

l’écla-teur tournant

(0,9

[1.S au lieu de

1,3 >s).

La tension

de

charge,

déduite des lectures sur le

milliampé-remètre

Mi,

était maintenue au

voisinage

de 12 kV.

Mesures

spectroscopiques.

- L’émission de cette

source a été étudiée dans la

région

1 500-500

A,

avec un monochromateur du

type

Seya

à réseau

de 1 m de rayon de

courbure, 1 440

traits par mm.

Un

photomultiplicateur

commercial à 10

étages

recevait la lumière de fluorescence émise par une

couche de

salicylate

de sodium

déposée

sur la

fenêtre de verre derrière la fente de sortie du

monochromateur. Le collecteur du

photomulti-plicateur

était relié directement à un

amplificateur

suivi d’un

enregistreur

potentiométrique..

Avec les conditions de fonctionnement «

nor-males o et une

fréquence

de

répétition

de 10

dé-charges

par

seconde,

un

signal

correct à la sortie

du monochromateur

pouvait

êt,rP

enregistré

pen-dant au moins une demi-heure sans

interruption.

Pour une tension

décharge

de 10

kV,

le

milliampé-remètre

M2 (fige 2)

indique

un courant moyen

voisin de 100 mA dans les conditions

indiquées.

La

vaporisation

de l’extrémité de l’anode

produit

une

variation d’intensité dans le

spectre

et,

avec les

valeurs des

paramètres

électriques indiquées

comme normales et une

fréquence

de 20 étincelles par

seconde,

l’évaporation

devient

trop

importante

pour que l’on

puisse

négliger

la variation de l’inten-sité lumineuse

pendant

une demi-heure

d’enregis-trement du

spectre

(même

avec une anode en

tung-stène).

Précisons que le

signal enregistré

est peu

différent,

lorsque

l’extrémité de l’anode se

déplace

sur un

segment

allant de 2 mm au-dessous de l’axe

optique

à 3 mm

au-dessus,

ceci étant

vraisem-blablement lié à

l’astigmatisme important

du

mon-tage

Seya.

C’est

pourquoi

on

enregistrait

le

spectre

pendant

la durée

correspondant

à

l’évaporation

d’au moins 5 mm de

longueur

d’anode.

Quelques

essais faits en observant en bout l’anode

principale,

l’anode auxiliaire lui étant

perpendiculaire,

ont

donné les mêmes résultats

spectroscopiques ;

on

aurait dû noter des variations moins

importantes

de l’intensité du

spectre

selon la

position

de l’extré-mité de

l’anode,

puisque

celle-ci est

toujours

sur

l’axe

optique

dans ce

montage,

mais la

reproduc-tibilité du

signal

ne semblait pas meilleure et par

suite le

montage

de l’anode

parallèle

à la fente d’entrée du

spectromètre

a été

maintenu,

le

réglage

de la

position

de l’étincelle étant

plus

facile.

On a

déjà signalé,

dans des

publications

anté-rieures

[14, 16]

comment la valeur de

l’énergie

élec-trique

instantanée et du courant maximum dans la

décharge

principale,

conditionnent la nature et

l’intensité du

spectre

émis par les étincelles dans le

vide ;

ces conclusions essentielles restent valables

(5)

répé-76 A

tition

plus

élevée. Les raies identifiées dans le

spectre

sont,

à

l’exception

de deux ou trois

multi-plets

intenses dus à

l’oxygène,

émises par des ions du

tungstène.

A titre

d’exemple

on

donne,

sur la

figure 3,

un

enregistrement

du

spectre

émis dans la

région

610-850

A

dans les conditions de

fonction-nement normales

(tension

10,5

kV).

La droite 0

représente

le courant d’obscurité du

photomulti-plicateur.

L’enregistrement

suivant

(fig.

4)

corres-pond

au

spectre

dans la

région

750-900

A,

en

utili-FIG. 3. -

Enregistrement du spectre dans la région 610-850 A (longueurs d’onde des raies du tungstène).

Fie. 4. -

Enregistrement du spectre dans la région 750-900 A (longueurs d’onde des raies du tungstène).

sant un condensateur de

0,125

[1.F

pour

G2,

toutes

les autres conditions étant les mêmes. Dans la

région

commune aux deux

enregistrements,

on

peut

noter

l’augmentation

de l’intensité des

pics

des raies

ainsi que du fond

continu, lorsque

la

capacité C2

a la valeur maximale. Le même effet

s’observe,

lorsqu’on

augmente

la tension de

charge

ou la

fré-quence de

répétition

En

première

approximation,

le

rapport

de l’intensité d’une raie

quelconque

du

tungstène

(distance

du sommet de la raie au tond

sur

l’enregistrement),

à celle du fond continu à son

voisinage,

varie peu,

lorsque

les

paramètres

élec-triques

sont modifiés dans les limites maintenant

un bon fonctionnement de la source ; ce

rapport

sera

désigné

par « intensité relative au fond » de la

raie.

Cependant,

comme pour les étincelles à faible

fréquence

de

répétition,

il existe des ensembles de valeurs

optimums

pour les

paramètres électriques

de la

décharge ;

pour ces

valeurs,

l’intensité

rela-tive au fond des raies du

tungstène

a la valeur

maximum. Pour

préciser,

disons que l’intensité relative au fond

décroît,

quand

la tension de

charge

croît de 10 à

12,5 kV,

ainsi que

lorsqu’on

utilise

un condensateur à faible inductance

résiduelle,

au

lieu d’un condensateur de fabrication courante et de même

capacité : 0,25 tLF. Rappelons

que la

réalisation d’une source de

spectre

continu,

à

partir

de l’étincelle dans le vide à trois

électrodes,

a été

basée sur des constatations

expérimentales

de cet

ordre,

dans le but d’avoir alors la valeur minimum pour l’intensité relative au fond des raies du

spectre.

Par

ailleurs,

il faut

signaler

que cette intensité relative est

augmentée,

lorsque

la

fréquence

de

(6)

montre

meilleure, mais,

pour les raisons

indiquées

(usure),

l’enregistrement

ne

peut

alors durer que

15 ou 20 minutes. Il semble donc

qu’une fréquence

de

répétition

des étincelles

plus

élevées donnerait de meilleurs résultats même avec la vitesse

d’enre-gistrement

du

spectre

extrêmement

faible,

de 5 à

10

A

à la

minute,

que nous

utilisions ;

on devrait

conséquemment

diminuer

l’énergie

instantanée par

décharge

car le courant moyen doit rester au

voisi-nage de 75 ou 100

mA,

pour limiter

l’évaporation

de l’électrode.

Pour avoir une idée de la

reproductibilité

de

l’in-tensité relative au fond de

quelques

raies du

tung-stène,

on a

enregistré

successivement 4 fois la même

portion

du

spectre

pendant

un

temps

total

de 26 minutes. La

figure

5

représente

les

enregis-trements

successifs,

de a à

d,

du

spectre,

entre 790

et 840

Á.

Les

paramètres

de la

décharge

étaient les suivants : 10

ka,

15 étincelles par

seconde,

0,125 {iF

dans la

décharge

principale

et

0,2

{iF

dans l’initiateur. Une décroissance de

l’intensité,

dans son

ensemble,

est visible d’un

enregistrement

au

suivant ;

mais les valeurs de l’intensité relative

au fond de la

plupart

des raies du

tungstène,

s’écartent au

plus

de 7 ou 10

%

de la valeur

moyenne.

Nous venons

d’indiquer quelques

résultats

illus-trant le rôle des

paramètres

électriques

de la

dé-charge principale

sur le

spectre

émis, résultats qui

ne diffèrent pas de ceux obtenus avec l’étincelle à

faible

fréquence

de

répétition.

Nous avons, en outre observé des variations d’intensité dans le

spectre,

en fonction de la valeur de la

capacité

de la

dé-charge auxiliaire ;

ce

qui

n’avait jamais

été mis en

évidence avec les

décharges

à

rythme

lent. En

utili-sant unie

capacité

de

0,01

ou

0,02 [J.F,

au lieu de la

capacité

habituelle de

0,2 [J.F,

les raies du

tungstène

apparaissent

beaucoup

moins

intenses,

tandis que le fond au

voisinage

l’est

beaucoup plus,

ce

qui

correspond

à une diminution de l’intensité relative

des raies de 1 à

0,6,

quand

on utilise un

conden-sateur d’initiation de

0,02 {iF.

Pour cette

compa-raison la

fréquence

de

répétition

était de 10 étin-celles ou

plus

par seconde. En

outre,

avec une

capacité

de

0,02 >F

dans la

décharge d’initiation,

la

reproductibilité

du

signal

lumineux devient

plus

médiocre,

en

particulier

lorsqu’on

augmente

la

fréquence

de

répétition.

Une étude

oscillographique

du

signal

lumineux,

donné par

quelques

raies du

tungstène,

indique

que l’émission de lumière est

moins

intense,

mais dure

plus

longtemps,

avec la

valeur la

plus faible,

pour la

capacité

de l’initiateur. Pour se rendre

compte

de

l’importance

des

insta-bilités dans

l’enregistrement,

entraînées par la

méthode

d’exploration

photoélectrique

du

spectre,

lorsque

la source de radiations est insuffisamment

stable,

on a

pris

quelques

clichés du

spectre

sur des morceaux de film SWR de 25 mm de

longueur

avec un

temps

de pose de 4

ou 5

secondes. Deux

Fie. 5. -

Enregistrements successifs du spectre de a à d

indiquant la reproductibilité.

des clichés obtenus ainsi ont été

enregistrés

partiel-lement avec un

microphotomètre,

et

placés

bout à bout sur la

figure-

6. Les

longueurs d’onde,

au

centre du

cliché,

où la focalisation se montre

correcte,

étaient 685 et 760

Á

respectivement.

En

comparant

ces

enregistrements

avec

celui,

obtenu

directement avec le

photomultiplicateur

derrière la

fente de sortie

(fig. 3),

on

peut

noter

l’apparente

diminution de la résolution de

l’instrument,

quand

on utilise la

réception photoélectrique ;

car les raies

de faible intensité sont alors difficilement

repé-rables,

et par suite

utilisables,

à cause des variations

d’intensité dans l’émission lumineuse. L’instabilité

(7)

répé-78 A

Fie. fi. -

Enregist,rement au microphotomètre du spectre (longueurs d’onde des raies du tungstène).

tition assez faible que l’on a

utilisée, paraît

donc

importante

et essentiellement

responsable

du manque de

reproductibilité

des mesures.

On a étudié l’émission

lumineuse,

en fonction du

temps,

de

quelques

raies du

tungstène,

en recevant le

signal

à la sortie du

photomultiplicateur

sur un

oscillographe

à double faisceau

(résistance

de

charge :

2 200

ohms).

Signalons

que le maximum d’intensité des raies du

tungstène

se

produit

d’autant

plus

avant le

premier

maximum du

cou-rant que la tension est

plus

élevée. Ce

premier

maximum,

qui

est le

plus

important,

se

produit

donc un peu avant le maximum du

courant,

tandis

qu’un

maximum secondaire d’intensité lumineuse

apparaît

souvent à l’instant du 3e maximum du

courant, et,

plus

rarement,

un troisième

pic

dans

l’émission est visible à l’instant du 5e maximum du

courant.

Conclusion. - Les

résultats,

que l’on vient

d’exposer,

constituent un travail

préliminaire

dont

le but était de montrer que les étincelles dans le

vide

pouvaient

fonctionner à

rythme rapide,

en

conservant leurs

propriétés spectrales

d’émettre un

spectre

riche en raies intenses ou un

spectre

continu avec raies moins intenses

superposées.

Les

re-cherches sur ce

type

de source se

poursuivent

et,

en

particulier,

une étude des conditions

d’amorçage

de la

décharge principale (forme

de l’initiateur et

caractéristiques

du

circuit)

devrait conduire à défi-nir des conditions

électriques

et des

configurations

géométriques

des

électrodes,

donnant un

fonction-nement

plus

stable et

reproductible.

Les résultats

précédents

montrent

déjà qu’il

faut s’intéresser à

des

décharges

à

plus

faible

énergie

électrique

instan-tanée et à

rythme plus rapide (au-dessus

de 20 par

seconde).

Par

ailleurs,

des travaux sont en cours avec un

montage

à faible inductance et à

capacité

peu élevée

(0,1 fLF),

dans le but d’observer un

spectre

continu

intense,

au détriment du

spectre

de

raies,

avec un

rythme

des

décharges

moyennement

rapide

(de

l’ordre de 10 ou 15 par

seconde).

Manuscrit reçu le 25 octobre 1963.

BIBLIOGRAPHIE

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