Sur le champ électrique dans la lampe à cathode creuse

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Sur le champ électrique dans la lampe à cathode creuse

H. Fontaine, J. Brochard

To cite this version:

43 A

SUR LE CHAMP

_ÉLECTRIQUE

DANS LA LAMPE A CATHODE CREUSE

Par H. FONTAINE et J.

_BROCHARD,

Faculté des Sciences de Lille.

Résumé. 2014 Des mesures _portant sur la raie interdite 2 1P 2014 4 1F de l’hélium ont _permis

d’étudier le champ électrique dans la lampe à cathode creuse. Les déterminations ont _porté sur la

densité d’ions caractérisant le champ interionique dans la tache cathodíque, et sur le _{champ dirigé} dans la gaine cathodique. Il est en outre _{montré que} la lumière utile d’une _lampe à cathode creuse

contient toujours de la lumière _provenant de la _gaine, lumière _qui est _susceptible d’altérer certaines

mesures de

_précision.

Abstract. 2014 Measurements on forbidden line 2 1P 2014 4 1F of helium allowus to _investigate the electric field in a hollow cathode _discharge. Valuations have been made of ion _density, which cha-racterises interionic field in the cathodic _spot, and also of the directed field in cathodic sheath.

Besides, it is also shown that useful hollow cathode light always contains light coming form the

sheath, which _light is _likely to _modify certain précision measurements.

PHYSIQUE APPLIQU~E TO’_VIE 22, FÉVRIER ~.~6~, PA(

La

_lampe

à cathode creuse de Schüler

[1]

est

couramment utilisée en

spectroscopie

_parce

qu’elle

permet

d’obtenir des raies fines avec une brillance notable. La

_partie

lumineuse est en effet la lueur

négative, région

où 1e

_{champ électrique}

_moyen est

faible, Ie champ interionique,

par

contre,

doit être

au moins aussi

important

_que dans la colonne

posi-tive

_puisque

la lueur

_négative

est une

région

de

forte densité

_{électronique.}

On sait _peu de chose du

_{champ électrique}

dans la

lampe

à cathode creuse

_[2].

Nous avons fait une

étude sommaire de ce

_champ

afin de savoir s’i1 est

susceptible

d’altérer les mesures

_{spectroscopiques}

de

_précision.

Nous avons travaillé

_uniquement

avec de

1’hé-lium.

_{Øour j auger}

1e

_{champ électrique}

nous avons

étudié la transition interdite 41F -~ 21P

(4

920,59 A)

dont elle dérive. Pour les bases de 1’étude

_théorique

et la

_{bibliographie}

on _pourra se

reporter

à un travail similaire

_portant

sur la colonne

positive [3].

Dispositif

expérimental.

- Nos

mesures ont

porté

sur une

_{lampe unique}

dont 1e schéma est donné _par la

_figure

M Cette

_lampe

est montée sur un banc de

_remplissage

de

_{conception classíque}

la

pureté

de 1’hélium est _{assurée par} un

_piège

à char-bon actif dans 1’air

_liquide

et une réserve de _gaz

de 2 litres

_permet

de maintenir la

_pression

de _gaz

à peu

près

constante au cours d’une mesure.

En série avec la

_lampe

une résistance ballast

variable assure la stabilité. L’ensemble est

_alimente,

à

_partir

de 1’alternatíf

_stabilisé,

_par une source de

courant continu redressé et filtré

_pouvant

débiter

jusqu’à 1,6 ampère

sous une tension variable de 0

áa1

kilovolt.

Le métal de la cathode est de l’aluminium très

pur ne donnant _pas de raie

_{parasite gênante.}

Le

F03C4G. 1. -

Lampe à cathode creuse _(coupe).

A : anode en fer ; C : cathode en fer _{gainée d’aluminium ;}

E : embout et fenêtre en _{pyrex ;} P : _joint en _{picéíne ;}

R : rondelle de verre ; I : rondelle isolante ; S : serpen-tins ; J : _{joints toriques ;} B : vers les _pièges et 1e banc

de _remplissage.

diamètre du trou

_cathodique

est de 7 mm et avec

1’hélium 1e meilleur fonctionnement a lieu pour des

pressions

de 1’ordre de 2 mm de mercure. La

_lampe

et son alimentation ne sont _{conçues que pour} tra-vailler à des

_pressions

voisines de

_{1’optimum :}

au-dessous de 1 mm de mercure

_1’allumage

est difficile

1e fonctionnement est _peu stable et la

_{pulvérisation}

abondante,;

au delà de

3,5

mm la

_décharge

44 A

blit dans la

_partie

annulaire

_{d’épaisseur}

1 mm

sépa-rant 1’anode de la cathode. Nos mesures ont donc été limitées à un intervalle étroit de

_pression.

Nous avons utilisé un

grand spectrographe

monté

à 1’Institut de

_Physique

de Lille et

_permettant

1’enregístrement photoélectrique

direct dans de

bonnes conditions _par rotation d’un réseau

_{[4], [5].}

Les flux étant

_faibles,

la cellule

_{photoélectrique}

était refroidie à 1’azote

_liquide

et

_couplée

à un

enre-gistreur potentiométrique Philips

par

1’íntermé-diaire d’un

_{adapteur d’impédance.}

L’élément

dis-persif

du

_{spectrographe}

est un

_grand

réseau Bausch et Lomb de

_308,57

traits au millimètre et de dimen-sions utiles 106 mm ~ 200 mm ; nous 1’avons

uti-lisé dans 1e 12e ordre 1e

_plus

lumineux _{pour les} raies étudiées.

Malheureusement 1e réseau donne des cc

ghosts

o

très intenses et 1e second

_ghost

de la raie

_permise

coïncide exactement avec la raie interdite. Si I est

1’intensité de la raie

_permise,

celle du second

_ghost

I/91

est

_supérieure

à l’intensité i de la raie inter-dite. L’intensité de ce second

_ghost

a _{pu être réduite}

à

_0,2510-3

_{I par}

_1’emploí

d’un

_petit

réseau

prémo-2a) 1,2 ampère, 1,5 mm de mercure. En pointillé, la

contribution _présumée du champ interionique à la raie interdite.

nochromateur,

dont la bande transmise

relati-vement

_plate

était maintenue fixe au cours d’un

enregistrement.

Ce

_{prémonochromateur,}

très

_{ímparf aít}

et

suscep-tible de

_{déréglages thermiques}

est

_cependant

une

cause

_{d’imprécision.}

Champ

dans la tache

_cathodique.

- Dans la

tache

_cathodique

_(lumière

_négative)

1e

_champ

important

est 1e

_{champ interionique, champ}

fluc-tuant en direction et en intensité. Ce

_champ

est

directement iié à la densité d’ions et la mesure la

plus

convenable semble être celle de

_{1’intensité ió}

de la raie interdite dans une bande de

_largeur

donnée

d. Cette bande a été choisie

_égale

à

_{0,3 03B4,}

03B4 étant 1’intervalle

_{qui sépare}

1e niveau 41F du niveau 41D soit encore la distance

_séparant

la raie

_permise

de

1’origine (position

à

_champ

_nul)

de la raie interdite. En _{admettant que} les ions

_positifs

et les électrons

agissent pratiquement

comme s’i1s étaient au _repos,

les formules

générales

établies antéríeurement

_[3]

donnent

_{numéríquement :}

1

2 b) 0,6 ampère, 2, 3 mm de mercure, la raie interdite

doit la majeure

partie

de son intensité au

champ

inter-ionique. F03C4G. 2. - Raie interdite 4 ~F

-~ 2 1P dans la tache cathodique ; 0394 _origine de la raie.

où N est 1e nombre de

_charges

élém.entaíres libres par cm3. Une fois 1e

ghost

réduit les

premiers

enre-gistrements

obtenus ont fait

_apparaitre

un

dédou-blement de la raie interdite. Ce dédou.blement

_qui

croit avec 1e courant

s’explique

comme suit :

La

_première

_composante

est la raie interdite

cherchée due au

_{champ interionique,}

elle

_présente

un maximum peu

déplacé

_par

_rapport

à son

ori-gine

0394. La seconde

_{composante, composante}

para-site

_beaucoup

_{plus déplacée,}

est émise _{par la}

_gaine

cathodique ;

cette

_gaine

lumineuse étroite est

située très

_près

des

_parois

de la cathode et est 1e

siège

d’un

_champ

_moyen

_important.

En ne

_projetant

sur la fente du

_{spectrographe}

que 1e centre de la tache

cathodique

on afiaíblit la

raie

_parasite

mais on ne 1’élimíne pas.

_L’aspect

de

la raie interdite

_dépend

du courant et de la

_pression,

la

_figure

2

_donne,

dans 1e cas de faibles corrections

de

_ghost,

deux

_{enregistrements typiques.}

L’enre-gistrement

2a

_correspond

à un cas _{peu favorable}

(pression faible,

courant

_fort)

1e dédoublement est très

_net,1a

_composante

_parasite

est intense et 1’in-tensité de la

_composante

due au

champ

interionique

ne

_peut

être que

grossièrement

estimée.

L’enregis-trement 2b

_correspond

à un cas favorable où la

composante

parasite

est à

_peine

visible.

La mesure de 1’intensité I de la raie

_permise

est

sntachée d’úne erreur

_{d’auto-absorption}

_qui

doit

être

_{corrigée. L’auto-absorption}

ne

_peut

être

me-eurée directement aussi n’avons nous _pu

qu’appli-quer une correction estimée. L’estimation est basée

sur une étude des intensités dans les

triplets

4 3D -~ 2 3P et 4 3S -~ 2 3P. Ces

_triplets

ont des

intensités

_comparables

à celle du

_singulet

41D ~-~

21 P,

et se situent dans la même

région

spectrale.

La correction

_appliquée

est au maximum

20

_%

et _{1’estimation suffit pour} ces mesures

_qui

ne

visent

_qu’à

donner des ordres de

_grandeur.

Les résultats sont

_groupés

dans 1e tableau I oü

figurent

aussí 1e

_champ

normal

_En

et 1e

_champ

équi-valent Ee. Le

_champ

normal de Holtsmark

_{[6]. En}

est

un intermédiaire de calcul souvent utilisé défini dans un

système

non _{rationalisé par :}

E~ = _2,~~ 1~2~3 _e

(e charge de _{l’électron).} Le

_champ

_équivalent

est défini comme le

_champ

électrique

constant

_qui

donnerait

_(moyenne

_pour

toutes les

_directions)

la même intensité _{relative que} le

_champ

_{interionique.}

Le

_champ

_équivalent

_dépend

de la transition interdite considéré et ne caractérise

pas convenablement le

champ

interionique.

Numé-riquement

dans le cas

_qui

nous intéresse en

C. G. S. E. S. [3]

Dans 1e tableau 1 les

_champs

sont donnés en

TABLEAU 1

volts par cm. Les mesures à la

_pression

de

_1,5

mm ne

_peuvent

être considérées que comme des ordres

de

_grandeur

_grossiers.

Champ

dans la

_gaine

_cathodique.

--- Pour

déter-miner 1e

_champ

dans la

_{gaine cathodique}

des

enre-gistrements

ont été faits en

_{s’efiorçant}

de n’utiliser

que cette

région

proche

des

parois

et

peu lumineuse

du tube. Les conditions

_{géométriques,}

en

_partie

imposées

par la nécessité d’une étendue de faisceau

suffisante,

sont _{telles que les}

_parois

de la cathode soient vues du

_{spectrographe}

_{et y} diffusent de la

lumière

_provenant

de la lueur

_négative,

dont la luminosité est très

_supérieure

à celle de la

_gaine

cathodique.

On observe ainsi la raie

_permise

non

_déplacée

émise dans la lueur

_négative

avec une intensité

très

_supérieure

à celle de cette même raie

_déplacée

et émise dans la

_gaine.

La raie interdite

_déplacée

est au contraire

_{beaucoup plus}

_{intense que la raie}

due au

_champ

_{interionique,}

et cette dernière inob-servable ne

_peut

_guère

fausser les mesures. La

figure

3 donne un

_{exemple d’enregistrement.}

Dans la

_gaine

_cathodique

1e

_{champ électrique}

peut

avec une très bonne

approximation

être

consí-déré comme normal aux

parois

très

proches.

Si ce

champ

était bien constant la raie interdite se

_préy

senterait cõmme un

_triplet

les

_{déplacements}

et les intensités des trois

_composantes

seraient en

pre-mière

_{approximation}

comme

_{9, 8,}

5 et 5 ~

_{9, 9}

~

_8,

6x5

_{respectivement.}

Ces

_composantes

sont loin d’être résolues mais elles _{font que} la

_largeur

de la raie interdite croît avec son

_{déplacement.}

La

dissy-46 A

F03C4c. 3. - Raie interdite 4 ~F --~ 2 ~P

dans la gaine cathodique. La _partie hachurée de la raie _permise est la raie

dé-placée émise par la gaine. G 1er _ghost de la raie _permise g 1 er ghost de la raie interdite. Les échelles sont diffé-rentes pour les trois parties de _{1’enregistrement.}

métríe de la raie

_globale.

En fait la raie observée est

_{pratiquement symétrique}

ce

_qui

_{s’interprète}

qualitativement

de la

_{f açon}

suivante :

La valeur du

_champ

_{moyen varie dans}

_{1’épaisseur}

de la

_{gaine ;}

en outre un

_{champ interionique}

va-riable

_s’ajoute

au

_champ

_moyen. Ces vacations du

champ

causent des

_{élargissements}

des

_composantes

à peu

près

proportionnels

à leurs

_{déplacements.}

Le fait que la

_composante

la moins

_déplacée

et la moins intense est aussi la moins

_élargie

tend à

dimí-- nuer la

díssymétrie,1es

écarts à la loi

quadratique

pour 1’effet Stark

agissent

dans le même sens.

Enfin, la

composante

faible tend à étaler la raie du côté des faibles

_{déplacements,}

le

_champ

inter-ionique

au contraire tend à 1’étaler du côté des

forts

_{déplacements.}

_{La p erturb ation}

est assez

impor-tante

_{1’approxímation}

de 1’efiet Stark

_quadratique

est insuffisante mais on

_peut

ne considérer que

1’ínter-actíon entre les niveaux 4F et 4D.

L’axe

_{OZ, qui}

sert à définir le nombre

_quantique

magnétique m

étant

_parallèle

au

_champ

_électrique

et normal à la direction

d’observation,

désignons

par

Im

1’íntensité de 1’ensemble des

composantes

de la raie

_permise

non

perturbée

issues du niveau

4

_{~D~ ;}

à

Im

on

_peut

associer une

_composante

de la

raie

_interionique

de

_déplacement

dm et d’inten-site

im

on a

_[3]

avec :

Le

_champ

étant

_dirigé

_{les différentes}

compo-santes

Im

ne sont _pas

_également

intenses les for-mules

_générales

relatives à 1’eff et Zeeman donnent :

Le

_{champ électrique}

_peut

alors être déduit de l’intensité relatíve :

ou de la

position

du centre de

_gravité

dont 1e

dépla-cement est :

Le tableau 2 résume _{les résultats obtenus par la}

mesure du

_{déplacement.}

L’étude des intensités

donne _pour les

_champs

des valeurs très

grossié-rement

_comparables

à celles

_{qui figurent}

dans ce

tableau. L’étude des intensités est ici très

impré-cise

_puisque

la raie

_permise

utile

_{n’apparaît}

_que

comme un renflement dans le

_pied

de la raie

TABLEAU 2

Champ dans la gaine cathodique (la tension Y est 1a tension aux bornes de 1a

_lampe).

Champ

dans la

_{gaine cathodique (la}

tension h est la tension aux bornes de la

lampe).

,

Conclusion. - Les densités d’ions trouvées ici

pour une cathode de 7 mm de diamètre

_peuvent

être

_comparées

à celles trouvées antérieurement

_[3]

pour la colonne

positive

dans un tube de

_6,8

mm

de diamètre

_(par

suite d’une erreur les

_pressions

sont à

_augmenter

de 11

_0/0)’

A

_pression

et courant

_donnés,1es

densités d’ions sont en _{gros 3 à 4 fois}

_plus

fortes dans la tache

cathodique

que dans la colonne

positive.

Mais 1e

diamètre de la tache est inf érieur à celui de la

Jolonne

_positive

_(surtout

aux faibles

_courants)

et la

tache est une

_région

particulièrement brillante,

on

peut

donc considérer que les

perturbations

appor-tées _{par 1e}

_{champ interionique}

sont

_comparables

dans les deux cas. Par contre la

_présence

de la

lumière _{émise par la}

_{gaine cathodique}

dans 1e flux

provenant

de la tache

_peut

dans certains cas très

particuliers perturber

des mesures

_{spectroscopiqnes}

L’emploi

d’une cathode sans fond

_permet

de

sup-primer

la lumière díffusëe _par celui-ci et de modifier

la

_{partie postérieure}

de la

_{gaine ;}

ce

_type

de

lampe

est donc

_avantageux

_{du moins pour les gaz.} La

_comparaison

du

_champ

dans la

_gaine

à la

ten-sion aux bornes donne pour

1’ëpaisseur

de celle-ci une limite

_supérieure

de

_quelques

diziemes de mm.

On

_peut

fixer à

_o,3

mm 1’ordre de

grandeur

de cette

épaisseur.

L’augmentation

du

_champ

avec 1e courant est

probablement

en

_grande

partie

due à la

disparition

progressive

de

_1’espace

obscur de Crookes et de la chute de

_{potentiel correspondante.}

Les mesures

qui figurent

dans cette étude sont

entachées d’erreurs

_{importantes qui}

ont été

signa-lées,

certaines d’entre elles

_pourraient

être forte-ment réduites mais des mesures

_précises

ne

pour-raient avoir d’utilité que pour une étude

systéma-tique

de la

_répartition

du

_champ

dans la cathode

creuse, étude

qui

ne

pourrait

se _{faire que} sur une

lampe

de

_grandes

dimensions.

Manuscrit reçu Ie 19

_juillet

1960.

BIBLIOGRAPHIE

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