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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:
ÉTINCELLE DANS LE VIDE A RYTHME
RAPIDE,
COMME SOURCE DE
LUMIÈRE
DANS L’ULTRAVIOLET LOINTAINPar 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 avérifié 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 auxre-cherches
spectroscopiques
dans l’ultraviolet loin-tain - entre 2 000A
etles rayons X mous
-celui de la réalisation d’une source de radiations
intense
etreproductible
resteessentiel, malgré
de récentes solutions que de nombreux laboratoires§ont
proposées.
Parmicelles-ci,
nousrappellerons,
tout
d’abord,
les sources émettant unspectre
deraies,
qui
sont actuellement utilisées dans tout le domaine de l’ultraviolet lointain. Lesdécharges,
dans un gaz raréfiétransparent
dans l’ultravioletlointain,
tel que l’un des gaz rares, émettent unspectre
de raies peunombreuses,
limité enlongueur
d’onde,
aumieux,
vers 200 ou 300Â.
Cetype
desource a été
largement
utilisé pour des étudesd’absorption
et dephotoionisation
par Weissler[1, 2],
et,
plus
récemment,
sous une forme modifiéepar Hunter
[3].
Les étincelles sous vide constituent. une autre source émettant un
spectre
deraies,
pro-venant du matériau des électrodes et s’étendant
jusqu’aux
rayons X. Cetype
de source a été utilisé (1) Ce travail a été effectué au Laboratoire duProfes-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],
etégalement
pour diverses études en
spectroscopie
d’émission[5, 6, 7].
Par
ailleurs,
les sources émettant unspectre
continu dans l’ultraviolet lointain ont été trèsdéveloppées
récemment sous des formesdiverses,
qui
présentent
presque toutes l’inconvénient d’une limitation duspectre
vers les courteslongueurs
d’onde. Les
décharges
dans un gaz, émettant uncontinu
moléculaire,
s’utilisent souvent[8]
etré-cemment,
de bons résultats ont été obtenus parHinteregger [9]
et Huffman[10], qui
opèrent
avec une fortepression
d’hélium(40
mmHg) ;
mais lecontinu de l’hélium est limité à la
région
1 100-600Â.
Pour couvrir un domaineplus
étendu delongueurs d’onde,
il faut observer lerayonnement
defreinage
émis par unplasma
dense,
analogue
àcelui que
produit
unedécharge
condensée dans uncapillaire
(continu
deLyman).
La réalisation laplus
perfectionnée
de cetype
de source a étépro-posée
par Garton[11], qui
a pu étendreainsi,
jusqu’à
400A
environ,
la limite courtelongueur
d’onde du
spectre.
Rappelons
encore _qu’une
sourcede
spectre
continu est fournie par les électrons accélérés d’unsynchrotron,
maisl’énergie
ainsirayonnée
reste concentrée dans une bande74 A
trale assez limitée et l’intensité émise demeure très
réduite,
lorsqu’on
observe deslongueurs
d’ondesupérieures
àquelques
centainesd’angstrôms
[12].
Enfin,
parmi
les étincelles dans le vide mentionnéesci-dessus,
nos propres travaux ont montré que,dans certaines
conditions,
l’étincelle à trois élec-trodes[13]
émet unspectre
continu,
s’étendantjusqu’aux
rayons X(lorsque
le circuit dedécharge
a une très faibleinductance)
[14].
Mais la
plupart
des sources derayonnement,
quel’on vient de.
mentionner, présentent
un caractèrede discontinuité dans le
temps,
puisque
ce sont desdécharges
enimpulsions
seproduisant
à desfré-quences de
répétition
assez faibles. Seules les sources dutype
Weissler à 60cycles
par secondeou du
type
Hinterreger
àfréquence
derépétition
très élevée(de
1 à 5kC)
sont semi-continues. En cequi
concerne les étincelles dans levide,
tous les résultats obtenusjusqu’à
présent,
enspectroscopie
d’émission comme enspectroscopie d’absorption,
utilisaient une
réception
photographique
durayon-nement,
méthodequi
ne nécessite pas une émission lumineuse continue ou semi-continue dans letemps.
Il semblait donc intéressant de vérifier que le fonctionnement et les
propriétés
spectroscopiques
des étincelles à trois électrodesproduites
à unefré-quence de
répétition plus
élevée,
étaient peu modi-fiées par cette variation defréquence.
L’associationd’une telle source à un monochromateur à vide
permettrait
dereprendre
et depréciser
diversesmesures fondamentales dans l’ultraviolet lointain
sans limitation vers les courtes
longueurs
d’onde. Nous allons décrire maintenant une étincelledans le
vide,
utilisée comme source deraies,
etfonctionnant à des
fréquences
derépétition
allantde 10 à 20 par seconde.
Description
de la source. - Ladécharge,
dans levide à trois
électrodes,
utilisée dans desapplications
diverses[13, 14,
15]
avec unefréquence
derépé-tition des étincelles de une toutes les secondes ou
toutes les deux
secondes,
émet unspectre
de raiessuperposé
à un fondcontinu,
lequel
estplus
oumoins intense selon les valeurs des
paramètres
élec-triques
de ladécharge,
et selon le matériau de l’an 0 d e[14].
On a
légèreinent
modifié cetype
d’étincelles pourobtenir un fonctionnement à des
fréquences
derépétition
allant de 10 à 20 parseconde,
tout enconservant une
énergie
électrique
instantanée pardécharge
assez élevée. Les électrodes à la hautetension,
anode de l’étincelled’amorçage
et anodeprincipale,
ont été refroidies par une circulationd’eau,
leurs dimensions ainsi que celles de la cathode(potentiel
0)
étantbeaucoup
augmentées
par
rapport
à celles dudispositif
antérieur. Lesdeux anodes
cylindriques,
de 40 millimètres dedia-mètre
environ,
sont en acierinoxydable,
sauf l’extrémité de l’anodeprincipale
A( fig.
1),
qui
est1
Fie. 1. -
Disposition des électrodes. A : anode
principale ;
- T : électrodeémettrice ; z
C : cathode en cuivre ; -- L : isolant en céramique ;
---A’ : extrémité de l’anode auxiliaire.
en
cuivre ;
ce côneporte
l’électrode elle mêmeT,
dont le diamètre doit être limité à 2 ou 3 mm pour un bon
fonctionnement ;
cette électrode estgéné-ralement en
tungstène,
mais lemolybdène
et latantale
apparaissent
également
utilisables. Lapièce
isolante L de l’étincelled’amorçage
est en matériauréfractaire. Les électrodes se trouvant
généralement
disposées
comme sur lafigure
1 parrapport
à l’axeoptique
00’ duspectromètre,
on observelatéra-lement la
décharge;
l’extrémité de l’anode est située un peu au-dessous de l’axeoptique,
lorsqu’on
commence les étincelles. Avec des
fréquences
derépétition
plus
élevées ilapparaît
essentield’opérer
dans un vide suffisammentbon,
de l’ordre de 10-6 mmHg, pour
éviter lesdécharges
sur lesparois
isolantes en contact avec les électrodes.Le schéma du
générateur
électrique, classique,
est
rappelé
sur lafigure 2,
Le condensateur de ladécharge
principale
estC2,
relié directement à A.Les essais ont été faits avec différents
conden-sateurs
C2
decapacité,
variant de0,125
à0,5 fLF,
mais
les
conditions de fonctionnement que l’ondésignera
ci-dessous par « normales»correspondent
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 étéessayés
pourCl
dans ladécharge
d’initiation - on reviendraplus
loin sur leur rôle - et
une valeur de
0,2
[LF
a étéadoptée
pour les conditions « normales ».L’inter-rupteur S,
réglant
lafréquence
desdécharges,
seplace
en série avec l’étincelle d’initiation. Speut
être soit un
interrupteur mécanique,
disque
rotatifmuni de
pointes
doubles entungstène,
avec unevitesse
réglable
etstable,
soit uninterrupteur
élec-tronique
constitué par unignitron
en série avecl’étincelle et déclenché par un circuit
électronique
à
thyratron.
Lafréquence
derépétition
estplus
stable avecl’interrupteur
électronique,
etsurtout,
elle
peut
être modifiée dans unlarge
domaineallant de
2,5
à 60cycles
par seconde. Notons cepen-dant que les mesuresoscillographiques
ontindiqué
un
temps
de montée del’impulsion,
pour ladé-charge d’initiation,
un peupluscourt
avecl’écla-teur tournant
(0,9
[1.S au lieu de1,3 >s).
La tensionde
charge,
déduite des lectures sur lemilliampé-remètre
Mi,
était maintenue auvoisinage
de 12 kV.Mesures
spectroscopiques.
- L’émission de cettesource a été étudiée dans la
région
1 500-500A,
avec un monochromateur dutype
Seya
à réseaude 1 m de rayon de
courbure, 1 440
traits par mm.Un
photomultiplicateur
commercial à 10étages
recevait la lumière de fluorescence émise par unecouche de
salicylate
de sodiumdéposée
sur lafenêtre de verre derrière la fente de sortie du
monochromateur. Le collecteur du
photomulti-plicateur
était relié directement à unamplificateur
suivi d’un
enregistreur
potentiométrique..
Avec les conditions de fonctionnement «
nor-males o et une
fréquence
derépétition
de 10dé-charges
parseconde,
unsignal
correct à la sortiedu monochromateur
pouvait
êt,rPenregistré
pen-dant au moins une demi-heure sans
interruption.
Pour une tension
décharge
de 10kV,
lemilliampé-remètre
M2 (fige 2)
indique
un courant moyenvoisin de 100 mA dans les conditions
indiquées.
Lavaporisation
de l’extrémité de l’anodeproduit
unevariation d’intensité dans le
spectre
et,
avec lesvaleurs des
paramètres
électriques indiquées
comme normales et une
fréquence
de 20 étincelles parseconde,
l’évaporation
devienttrop
importante
pour que l’on
puisse
négliger
la variation de l’inten-sité lumineusependant
une demi-heured’enregis-trement du
spectre
(même
avec une anode entung-stène).
Précisons que lesignal enregistré
est peudifférent,
lorsque
l’extrémité de l’anode sedéplace
sur un
segment
allant de 2 mm au-dessous de l’axeoptique
à 3 mmau-dessus,
ceci étantvraisem-blablement lié à
l’astigmatisme important
dumon-tage
Seya.
C’estpourquoi
onenregistrait
lespectre
pendant
la duréecorrespondant
àl’évaporation
d’au moins 5 mm delongueur
d’anode.Quelques
essais faits en observant en bout l’anode
principale,
l’anode auxiliaire lui étant
perpendiculaire,
ontdonné les mêmes résultats
spectroscopiques ;
onaurait dû noter des variations moins
importantes
de l’intensité duspectre
selon laposition
de l’extré-mité del’anode,
puisque
celle-ci esttoujours
surl’axe
optique
dans cemontage,
mais lareproduc-tibilité du
signal
ne semblait pas meilleure et parsuite le
montage
de l’anodeparallèle
à la fente d’entrée duspectromètre
a étémaintenu,
leréglage
de la
position
de l’étincelle étantplus
facile.On a
déjà signalé,
dans despublications
anté-rieures[14, 16]
comment la valeur del’énergie
élec-trique
instantanée et du courant maximum dans ladécharge
principale,
conditionnent la nature etl’intensité du
spectre
émis par les étincelles dans levide ;
ces conclusions essentielles restent valablesrépé-76 A
tition
plus
élevée. Les raies identifiées dans lespectre
sont,
àl’exception
de deux ou troismulti-plets
intenses dus àl’oxygène,
émises par des ions dutungstène.
A titred’exemple
ondonne,
sur lafigure 3,
unenregistrement
duspectre
émis dans larégion
610-850A
dans les conditions defonction-nement normales
(tension
10,5
kV).
La droite 0représente
le courant d’obscurité duphotomulti-plicateur.
L’enregistrement
suivant(fig.
4)
corres-pond
auspectre
dans larégion
750-900A,
enutili-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
pourG2,
toutesles autres conditions étant les mêmes. Dans la
région
commune aux deuxenregistrements,
onpeut
noter
l’augmentation
de l’intensité despics
des raiesainsi que du fond
continu, lorsque
lacapacité C2
a la valeur maximale. Le même effet
s’observe,
lorsqu’on
augmente
la tension decharge
ou lafré-quence de
répétition
Enpremière
approximation,
lerapport
de l’intensité d’une raiequelconque
dutungstène
(distance
du sommet de la raie au tondsur
l’enregistrement),
à celle du fond continu à sonvoisinage,
varie peu,lorsque
lesparamètres
élec-triques
sont modifiés dans les limites maintenantun bon fonctionnement de la source ; ce
rapport
sera
désigné
par « intensité relative au fond » de laraie.
Cependant,
comme pour les étincelles à faiblefréquence
derépétition,
il existe des ensembles de valeursoptimums
pour lesparamètres électriques
de la
décharge ;
pour cesvaleurs,
l’intensitérela-tive au fond des raies du
tungstène
a la valeurmaximum. Pour
préciser,
disons que l’intensité relative au fonddécroît,
quand
la tension decharge
croît de 10 à
12,5 kV,
ainsi quelorsqu’on
utiliseun condensateur à faible inductance
résiduelle,
aulieu d’un condensateur de fabrication courante et de même
capacité : 0,25 tLF. Rappelons
que laréalisation d’une source de
spectre
continu,
àpartir
de l’étincelle dans le vide à trois
électrodes,
a étébasée sur des constatations
expérimentales
de cetordre,
dans le but d’avoir alors la valeur minimum pour l’intensité relative au fond des raies duspectre.
Par
ailleurs,
il fautsignaler
que cette intensité relative estaugmentée,
lorsque
lafréquence
demontre
meilleure, mais,
pour les raisonsindiquées
(usure),
l’enregistrement
nepeut
alors durer que15 ou 20 minutes. Il semble donc
qu’une fréquence
de
répétition
des étincellesplus
élevées donnerait de meilleurs résultats même avec la vitessed’enre-gistrement
duspectre
extrêmementfaible,
de 5 à10
A
à laminute,
que nousutilisions ;
on devraitconséquemment
diminuerl’énergie
instantanée pardécharge
car le courant moyen doit rester auvoisi-nage de 75 ou 100
mA,
pour limiterl’évaporation
de l’électrode.
Pour avoir une idée de la
reproductibilité
del’in-tensité relative au fond de
quelques
raies dutung-stène,
on aenregistré
successivement 4 fois la mêmeportion
duspectre
pendant
untemps
totalde 26 minutes. La
figure
5représente
lesenregis-trements
successifs,
de a àd,
duspectre,
entre 790et 840
Á.
Lesparamètres
de ladécharge
étaient les suivants : 10ka,
15 étincelles parseconde,
0,125 {iF
dans ladécharge
principale
et0,2
{iF
dans l’initiateur. Une décroissance de
l’intensité,
dans sonensemble,
est visible d’unenregistrement
au
suivant ;
mais les valeurs de l’intensité relativeau fond de la
plupart
des raies dutungstène,
s’écartent au
plus
de 7 ou 10%
de la valeurmoyenne.
Nous venons
d’indiquer quelques
résultatsillus-trant le rôle des
paramètres
électriques
de ladé-charge principale
sur lespectre
émis, résultats qui
ne diffèrent pas de ceux obtenus avec l’étincelle àfaible
fréquence
derépétition.
Nous avons, en outre observé des variations d’intensité dans lespectre,
en fonction de la valeur de la
capacité
de ladé-charge auxiliaire ;
cequi
n’avait jamais
été mis enévidence avec les
décharges
àrythme
lent. Enutili-sant unie
capacité
de0,01
ou0,02 [J.F,
au lieu de lacapacité
habituelle de0,2 [J.F,
les raies dutungstène
apparaissent
beaucoup
moinsintenses,
tandis que le fond auvoisinage
l’estbeaucoup plus,
cequi
correspond
à une diminution de l’intensité relativedes raies de 1 à
0,6,
quand
on utilise unconden-sateur d’initiation de
0,02 {iF.
Pour cettecompa-raison la
fréquence
derépétition
était de 10 étin-celles ouplus
par seconde. Enoutre,
avec unecapacité
de0,02 >F
dans ladécharge d’initiation,
lareproductibilité
dusignal
lumineux devientplus
médiocre,
enparticulier
lorsqu’on
augmente
lafréquence
derépétition.
Une étudeoscillographique
dusignal
lumineux,
donné parquelques
raies dutungstène,
indique
que l’émission de lumière estmoins
intense,
mais dureplus
longtemps,
avec lavaleur la
plus faible,
pour lacapacité
de l’initiateur. Pour se rendrecompte
del’importance
desinsta-bilités dans
l’enregistrement,
entraînées par laméthode
d’exploration
photoélectrique
duspectre,
lorsque
la source de radiations est insuffisammentstable,
on apris
quelques
clichés duspectre
sur des morceaux de film SWR de 25 mm delongueur
avec untemps
de pose de 4ou 5
secondes. DeuxFie. 5. -
Enregistrements successifs du spectre de a à d
indiquant la reproductibilité.
des clichés obtenus ainsi ont été
enregistrés
partiel-lement avec unmicrophotomètre,
etplacés
bout à bout sur lafigure-
6. Leslongueurs d’onde,
aucentre du
cliché,
où la focalisation se montrecorrecte,
étaient 685 et 760Á
respectivement.
Encomparant
cesenregistrements
aveccelui,
obtenudirectement avec le
photomultiplicateur
derrière lafente de sortie
(fig. 3),
onpeut
noterl’apparente
diminution de la résolution de
l’instrument,
quand
on utilise la
réception photoélectrique ;
car les raiesde faible intensité sont alors difficilement
repé-rables,
et par suiteutilisables,
à cause des variationsd’intensité dans l’émission lumineuse. L’instabilité
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
doncimportante
et essentiellementresponsable
du manque dereproductibilité
des mesures.On a étudié l’émission
lumineuse,
en fonction dutemps,
dequelques
raies dutungstène,
en recevant lesignal
à la sortie duphotomultiplicateur
sur unoscillographe
à double faisceau(résistance
decharge :
2 200ohms).
Signalons
que le maximum d’intensité des raies dutungstène
seproduit
d’autant
plus
avant lepremier
maximum ducou-rant que la tension est
plus
élevée. Cepremier
maximum,
qui
est leplus
important,
seproduit
donc un peu avant le maximum du
courant,
tandisqu’un
maximum secondaire d’intensité lumineuseapparaît
souvent à l’instant du 3e maximum ducourant, et,
plus
rarement,
un troisièmepic
dansl’émission est visible à l’instant du 5e maximum du
courant.
Conclusion. - Les
résultats,
que l’on vientd’exposer,
constituent un travailpréliminaire
dontle but était de montrer que les étincelles dans le
vide
pouvaient
fonctionner àrythme rapide,
enconservant leurs
propriétés spectrales
d’émettre unspectre
riche en raies intenses ou unspectre
continu avec raies moins intensessuperposées.
Lesre-cherches sur ce
type
de source sepoursuivent
et,
enparticulier,
une étude des conditionsd’amorçage
de la
décharge principale (forme
de l’initiateur etcaractéristiques
ducircuit)
devrait conduire à défi-nir des conditionsélectriques
et desconfigurations
géométriques
desélectrodes,
donnant unfonction-nement
plus
stable etreproductible.
Les résultatsprécédents
montrentdéjà qu’il
faut s’intéresser àdes
décharges
àplus
faibleénergie
électrique
instan-tanée et à
rythme plus rapide (au-dessus
de 20 parseconde).
Par
ailleurs,
des travaux sont en cours avec unmontage
à faible inductance et àcapacité
peu élevée(0,1 fLF),
dans le but d’observer unspectre
continu
intense,
au détriment duspectre
deraies,
avec unrythme
desdécharges
moyennement
rapide
(de
l’ordre de 10 ou 15 parseconde).
Manuscrit reçu le 25 octobre 1963.
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