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Méthode d'induction pour l'étude de la topographie du champ sur l'axe d'une lentille électronique magnétique puissante

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Academic year: 2021

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HAL Id: jpa-00235043

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Submitted on 1 Jan 1954

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M�éthode d’induction pour l’�étude de la topographie du champ sur l’axe d’une lentille �électronique magn�étique

puissante

P. Gautier

To cite this version:

P. Gautier. M�éthode d’induction pour l’�étude de la topographie du champ sur l’axe d’une lentille

�électronique magn�étique puissante. J. Phys. Radium, 1954, 15 (10), pp.684-691. �10.1051/jphys- rad:019540015010068400�. �jpa-00235043�

(2)

684

MÉTHODE D’INDUCTION POUR L’ÉTUDE DE LA TOPOGRAPHIE DU CHAMP SUR L’AXE D’UNE LENTILLE ÉLECTRONIQUE MAGNÉTIQUE PUISSANTE

Par P. GAUTIER,

Laboratoire d’Optique électronique, Toulouse.

Sommaire. 2014 L’auteur décrit un montage permettant la mesure, sur l’axe Oz de la lentille, de l’induction magnétique B et des deux premières dérivées B’ =

dB/dz,

B"=

d2B/dz2.

Trois bobines exploratrices

à symétrie de révolution, dont l’axe coïncide avec Oz, vibrent d’un mouvement sinusoïdal de très petite amplitude parallèle à cet axe. Grâce à la symétrie de révolution du champ, il existe pour ces bobines, malgré leurs dimensions finies, des conditions de construction telles que les forces électro- motrices induites, alternatives, sont respectivement proportionnelles à B, B’ et B" en un point de l’axe.

Calcul et réalisation des bobines exploratrices optima. Description du dispositif. Emploi de la méthode et exemple de mesure.

JOURNAL 15, 1954,

Introduction. - Pour 6tudier la topographie

des champs dans les lentilles magn6tiques réelles,

nous nous sommes attaches a r6aliser une m6thode

qui fournisse l’induction sur 1’axe sous la forme d’une difference de potentiel alternative : cette

derniere, facile a amplifier, peut alors etre lue direc-

tement sur le cadran d’un voltmetre, êlre enre- gistr6e, etc.

Nous utilisons la loi de l’induction 6lectroma-

gn6tique. L’emploi d’une bobine exploratrice fixe

dans une induction variable, la lentille 6tant ali- ment6e en courant alternatif, ne peut etre retenu :

l’expérience montre que les courants induits dans les pieces polaires modifient la r6partition du champ.

11 faut se placer dans les conditions de 1’emploi

normal de la lentille et utiliser un circuit induit mobile dans une induction constante.

Dans les lentilles puissantes, 1’espace dont on dispose est tres r6duit : les trous perc6s dans les pieces polaires des objectifs de microscope 6lee- tronique actuels ont un diametre de quelques

millimetres au plus. A cette échelle, certaines m6thodes (1) employees pour les lentilles faibles de

grandes dimensions, semblent difficiles a r6aliser.

Si l’on fait vibrer tongitUdirtalement, sur l’axe de

la lentille, une petite bobine exploratrice dont le plan des spires est perpendiculaire a cet axe, la

f. 6. m. induite est directement reli6e au champ

que l’on veut mesurer. La grande sensibilite que l’on peut ainsi obtenir avec une realisation m6ca-

nique simple nous a fait retenir cette m6thode.

Principe de la m6thode ([3], [4]). - io Suppo-

sons qu’une bobine exploratrice de surface S, dont 1’axe coincide avec I’axe de revolution Oz de la

lentille, oscille parallelement a 1’axe d’un mou-

vement sinusoidal d’amplitude Z petite et de pul-

sation w. 11 apparait dans la bobine une f. 6. m.

induite de meme fréquence. Si les dimensions de la bobine et l’amplitude de vibration sont tres petites devant 1’etendue du champ étudié, cette

f. 6. m. a pour amplitude So>ZB/ (z). Elle est proportionnelle à la derivee première

B’- dB

dz de l’in-

duction au point Q de l’axe ou se trouve la bobine.

20 Au lieu d’une microbobine, consid6rons un sol6noide de tres faible rayon, dont 1’axe coincide

avec celui de la lentille, et qui s’6tend de - oo

jusqu’en un point d’abscisse z. Soient S la section,

n le nombre de spires par unite de longueur de ce

sol6noide. D’apres ce qui precede et dans les memes conditions, l’ amplitude de la f. 6. m. induite a

pour valeur

Elle est proportionnelle et l’induction au point Q.

30 Enfin, si nous associons de part et d’autre

d’un point Q d’abscisse z deux bobines identiques à

celle d6finie au I°, distantes de dz, mont6es en

opposition, il existe aux bornes de 1’ensemble une

diff6rence de potentiel d’amplitude

Elle est proportionnelle à la dérivée seconde B" =

d2B/dz2

de l’induction au point Q.

40 Ainsi, il est possible de mesurer avec la même

precision l’induction B n6cessaire pour le calcul des

propri6t6s optiques paraxiales de la lentille, et les deux premieres dérivées B’ et Bll qui inter-

viennent dans le calcul des aberrations géométriques

du 3 e ordre.

50 Les résultats precedents ne seraient valables

en toute rigueur que pour des bobines et une ampli-

tude de vibration infiniment petites. Pour des

raisons de sensibilité et de construction pratique,

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphysrad:019540015010068400

(3)

685 ceci est irr6alisable; le probleme qui se pose est

de se rapprocher au maximum de ces conditions

id6ales avec des bobines de dimensions finies,

vibrant avec une amplitude finie.

11 semble difficile de construire des bobines dont le diametre soit inf6rieur a quelques fractions de millimetre. lB1ême avec ces dimensions tres r6duites,

1’experience montre que pour les lentilles tres puis- santes, les erreurs qui en résultent peuvent etre considérables. Nous allons voir qu’il est possible de

conduire la construction des bobines de maniere que, dans un champ de revolution de meme axe

la f. 6. m. induite soit proportionnelle a B, B’ et B"

en un point de l’ axe, avec une erreur inf6rieure aux autres erreurs expérimentales.

On peut ainsi donner aux bobines des dimensions suffisantes, et la sensibilite obtenue permet de reduire l’amplitude des vibrations jusqu’A ce que la valeur finie de celle-ci n’intervienne plus.

Calcul et realisation des bobines explora-

trices optima. - I 0 Dans tout ce qui suit, nous admettrons que l’amplitude Z de vibration des bobines est suffisamment petite pour que tous ies

harmoniques de la f. 6. m. induite soient comple-

tement n6gligeables devant le terme fondamental.

Nous montrons en appendice que dans cette hypo-

thèse la f. 6. m. induite dans une spire circulaire unique de rayon r, dont 1’axe coincide avec celui de la lentille, a pour amplitude

B’, B’", ... sont les derivees successives de B (z)

sur l’axe Oz, au point d’intersection, d’abscisse z, de cet axe et du plan de la spire dans sa position

moyenne. L’indice I indique qu’il s’agit du terme

fondamental.

20 BOBINE POUR LA MESURE DE B. - Un so]6-

noide p de rayon r, dont l’axe coincide avec celui de la lentille, s’6tend depuis - oo jusqu’au point A, d’abscisse z, dans le champ (fig. i). La f. 6. m., induite dans 1’616ment de longueur di a pour ampli-

tude

dE’l = ei ( i j n di .

L’induction et toutes ses derivees étant nulles à l’infini, si le nombre de spires n par unite de

longueur est le meme tout le long du sol6noide,

la f. 6. m. induite totale a pour amplitude (2)

(2) Le nombre de spires n par unite de longueur est suppose

assez grand, c’est-a-dire le fil utilise assez tin, pour que l’hypo- th6se de continuite qu’impliquent ces formules soit prati- quement satisfaite, a 1’6chelle du champ étudié.

Elle est proportionnelle à B, au terme en B" près.

Ce dernier peut prendre des valeurs très impor-

tantes, si le rayon r n’est pas très petit, ce qui est

L m

Fig. I.

toujours le cas pour des raisons pratiques. 11 est

alors n6cessaire d’effectuer une correction. On peut

la faire électriquement au moyen d’une bobine

« corrig6e » [1]. Voici comment nous avons realise

cette bobine (fig. 2). Sur la meme tige sont bobines

l’un sur 1’autre et en s6rie deux sol6noides (I) et (II),

s’etendant depuis un point A’, assez éloigné pour que le champ soit nul en ce point, jusqu’aux points A, et A2 dans le champ, distants de L.

Soit un point d’abscisse z sur l’axe, situ6 entre A,

et A2 d’abscisses z + l1 et z - t2 (fig. 2). Si nous d6signons par B, B’, B", ..., B(nl), l’induction et

ses d6riv6es successives au point Q, les valeurs de

ces fonctions en un point d’abscisse z ± t peuvent

Fig. 2.

s’exprimer par les développements en serie de Taylor :

Les rayons respectifs des solénoïdes (I) et (II) 6tant

substituons ces valeurs ainsi que les developpe-

(4)

ments (3) pour A1 et A2 dans 1’expression (2); les bobinages (I) et (II) 6tant en s6rie, faisons la somme

des f. 6. m. correspondantes. On obtient :

a. Si 82 est défini par II - r 12 === 0, soit

position tres voisine du milieu de Al A2, le terme

en B’ est nul. Ainsi, la f. 6. m. induite dans 1’en- semble des deux bobines est proportionnelle à

l’induction au point que nous venons de définir,

au terme en B" pres comme c’6tait le cas pour le sol6noide simple de la figure I.

b. Mais avec deux sol6noides, nous pouvons en outre annuler le coefficient de B". Pour qu’il en

soit ainsi, on trouve, en tenant compte de (5),

que la distance A1 A2 entre les deux sol6noides doit etre

valeur tres voisine du rayon r de l’un des bobinages.

c. Avec ces deux conditions, les coefficients des termes en B"’ et B(1) sont respectivement

Les sol6noides ont ete bobines, sous Ie microscope,

sur une tige de verre de i mm de rayon avec du fil de cuivre 6maiII6 de 0,025 mm de diamètre.

Ils ont n = 328 spires/cm, 8 cm de long, et satis-

font a la condition (6). Posons F- = o,o3 mm et

mesurons toutes les longueurs en millimetres : 1’erreur relative due aux dimensions des bobines

a pour valeur

Elle est n6gligeable dans la plupart des cas pra- tiques (*).

30 BOBINE POUR LA MESURE DE B’. - Une gorge a section rectangulaire, de largeur 2 I contient un bobinage B’ a spires rang6es, de rayon interieur ri (*) Nous avons egalement realise sur ce principe une sonde bobin6e sur une tige de quartz de o, 4 mm de rayon, et permettant d’explorer le chainp dans les lentilles tres

puissantes.

et de rayon exterieur re (fig. 3). Avec les m6mes hypotheses que ci-dessus concernant la finesse du fil utilise et la régularité du bobinage, la f. 6. m.

induite dans les n dr.n di spires que contient la

couronne d’6paisseur dr et de largeur dt (fig. 3)

a pour amplitude

La f. 6. m. induite dans la bobine entiere est alors

Remplaçons les fonctions B, B", ... aux points z + I

par leurs développements en s6rie de Taylor (3)

et effectuons 1’integration indiquée. En admettant

que ri est assez petit devant r. pour qu’on puisse

poser sans erreur appreciable rn - rit = Rn a partir de la puissance n = 3, et en remarquant

que nR n 2 1 l est tres sensiblement 6gal au nombre

total N de spires de la bobine, on trouve

B’, .B"’, ... sont les d6riv6es successives de B au

centre Q, d’abscisse z, de la bobine.

,E’,’ sera proprortionnel à B’, au terme correctif

en B(5) pres, si 1’on a

20132013 ==: . ,

2 ? , c est-a-dlre 40 6

Le bobinage est fait, sous le microscope, dans une

gorge creus6e dans un cylindre de plexiglass, de I mm

de rayon. Les caractéristiques de la bobine sont les suivantes : 1 = o,l mm, R = 0,6 mm (ri o,2 mm),

N = 427. Elle satisfait a la condition (9). L’erreur

relative due aux dimensions de la bobine a pour

(5)

687 valeur (les longueurs 6tant exprimées en milli-

m6tres)

Elle est compl6tement n6gligeable devant les

autres erreurs expérimentales.

40 DOUBLE BOBINE POUR LA MESURE DE B". - Consid6rons deux bobines B", B2", analogues a la pr6c6dente, identiques entre elles, dont les centres Ql

et Q2 sont distants de 2 l1 (fig. 4). Soit z l’abscisse

Fig. 4.

du milieu du segment Ql Q2’ La f. 6. m. induite

dans chacune des deux bobines s’obtient par 1’expres-

sion (8), ou B’, B"’, ... ont les valeurs relatives

aux points E21, Q2’ d’abscisses z ± 1,. Les deux

bobines sont mont6es en opposition. La f. 6. m.

r6sultante E"1 s’obtient en faisant la différence des f. 6. m. induites dans chacune des deux bobines p’§

et P",, après avoir remplac6 les fonctions B’, B"’,..

aux points z + II par leurs développements en s6rie

de Taylor (3). On trouve

E’’1 sera . proportionnel à B", au terme correctif

3R2 l2 + l"l

en

B(6) pres, si 1’on a

4o -6

40 6 Nous avons

- adopté 11 = 2 l, de sorte que cette condition devient

Les bobines sont enroul6es, sous le microscope,

dans des gorges port6es par le meme cylindre de plexiglass que ci-dessus. Leurs caractéristiques sont

les suivantes : I = 0,2 mm, l1 == 2 I == o,4 mm,

R == 0,66 mm (ri o,2 mm), N = 257. Elles satis-

font a la condition (11). L’erreur relative due aux

dimensions des bobines a pour valeur (les longueurs

6tant exprim6es en millimetres)

Elle est compl6tement n6gligeable devant les

autres erreurs expérimentales.

La construction soign6e des bobines explora-

trices ci-dessus est assez délicate. Je tiens A remercier ici tout particulièrement M. L. Durrieu, grace à qui leur realisation ne pr6sente actuellement aucune difficult6.

Description du dispositif. - a Les figures 5

et 6 ci-dessous repr6sentent la tige de verre (5)

Fig. 5.

- - -

Fig. b.

portant les bobines, fixée sur le systeme vibrant.

Ce dernier est un haut-parleur electro dynamique

dont on n’a conserve que 1’electro-aimant (14) et

la bobine mobile (13). La membrane a 6t6 rem- plac6e par la lame d’acier (11). La tige (5) est

fixée sur cette lame au moyen du petit bouchon

de liege (12). (4) est le teton de plexiglass por-

(6)

688

tant les bobines (3’ et P’. Les fils provenant de

ces bobines et du solenoide p sont soud6s a de

petites cosses fixées. sur la languette de press-

pahn (10). Ces cosses sont r6unies par un fil blinde

aux bornes marquees B, B’, B’ (fig. 6), ou l’on

connecte successivement le millivoltmètre de mesure.

L’electroaimant (14) est fix6 sur un support (15) port6 par un chariot a glissiere. Celui-ci (fig. 6),

par une vis dont Ie pas est de I mm, permet de déplacer la tige (5) suivant son axe pour explorer

Ie champ. Les déplacements sont mesur6s soit au

moyen d’un micromètre objectif, fixe sur Ie chariot

Fig. 7.

.. Fig. 8.

mobile et vise par un microscope a long foyer,

soit par les tours et fractions de tour de la vis, lus sur un tambour gradué en 200 parties (voir fig. 8 ci-dessous).

Les figures 7 et 8 ci-dessus repr6sentent un

schema et une photographie d’ensemble de l’appa_

reillage. Toutes les tensions d’alimentation sont

préalablernent stabilis6es par le stabilisateur S, pour eviter au maximum les variations de frequence

et d’amplitude au cours d’une mesure. Les vibra- tons, de frequence voisine de 1000 p/s, sont entre-

tenues au moyen du g6n6rateur B. F. (osc.) poss6-

dant le stabilisateur 6lectronique supplémentaire S1.

Ce g6n6rateur est reli6 a la bobine mobile (13)

du système vibrant par l’intermédiaire de l’amplifi-

cateur de puissance A,. La frequence peut etre

contr6l6e au moyen de courbes de Lissajous, obtenues

sur un petit tube a rayons cathodiques T, a partir

de la tension issue du g6n6rateur et *de celle que fournit un diapason entretenu D. Pour contrder l’amplitude on mesure, avec un voltmètre elec- tronique, la f. 6. m. fournie par un cristal pi6zo-

(7)

689

électrique (sel de seignette) dont on excite les vibra- tions au moyen de la tige (5) : une simple tête de

« pick-up » du commerce, dont l’aiguille est piquee

dans le bouchon (12), convient tres bien.

Avec les bobines d6crites ci-dessus, la sensibi- lit6 de la m6thode est telle que les f. 6. m. induites

peuvent etre mesurées ais6ment au moyen d’un voltmetre 6lectronique. Celui que nous utilisons

permet d’appr6cier I’200e mV. Cette f. 6. m. corres- pond a une induction d’environ 4 gauss pour une

frequence de I o0o p/s et une amplitude Z = 0,0 I mm.

Cette sensibilité est tres suffisante pour 6tudier les lentilles usuelles.

L’amplificateur A2 du millivoltmètre, alimente à travers un stabilisateur 6lectronique suppl6men-

taire S,, possede une sortie accessible. Cette circons- tance permet d’y brancher ais6ment soit un oscillo-

graphe cathodique afin de v6rifier la forme de la f. 6. m. mesur6e, soit un appareil enregistreur, etc.

Emploi de la m6thode et exemple de mesure.

- 10 La m6thode ci-dessus fournit aisément B, B’

et B" sur l’axe de la lentille, en valeurs relatives, par les relations E1= KB, = K’ B’, E’; = K"B".

K, K’, K" sont des constantes qu’il faut determiner

si l’on veut obtenir B, B’ et B’ par exemple en

gauss, gauss par millimetre, gauss par millimetre par millimetre. Pour eviter les mesures d6licates de w et de Z, intervenant dans ces constantes, on

procede de la maniere suivante.

Détermination de 1(. - Deux méthodes peuvent

etre utilisees.

a. On mesure l’aire I, comprise entre la

courbe Ei (z) construite a une 6chelle convenable,

et 1’axe des z :

La dernière int6grale est fournie soit par le theoreme d’Ampere, si l’on connait le nombre de

spires de la lentille et le courant qui les traverse,

soit par une mesure au galvanom6tre balistique :

le solénoïde B immobile, est dispose de maniere que ses extrémités soient de part et d’autre de

1’entrefer, dans des r6gions de champ nul (3). La

variation du flux a travers ses spires, par inversion du courant dans la lentille a pour valeur

b. On mesure directement Bo au centre du champ,

(3) Cette condition n’est pas necessaire. Dans certains

cas (lentille fortement saturée), le champ peut avoir des

valeurs non nulles aux extremites .A et A’, du solénoïde.

On mesure alors I’aire 1, comprise entre les points A et A’,

et la variation de flux .11 P correspondante.

en determinant au galvanometre balistique la varia-

tion du flux d’induction .l’ctJ a travers la bobine B’,

par inversion du courant dans la lentille :

Détermination de K’ et K". - Connaissant B elle se fait d’une manière tout a fait analogue a la premiere methode de determination de K. Pour K’,

on mesure l’aire l:’, comprise entre la courbe Ei (z)

et l’axe des z, entre - x et le centre du champ,

par exemple :

On procede exactement de meme pour K".

20 Dans la demonstration de la formule (10) ci-dessus, nous avons suppose que les deux bobines servant a la mesure de B" avaient exactement la meme surface totale

S= N/3 03C0R2.

N En réalité, malgré tout le soin que l’on peut apporter a la fabrication du bobinage, il n’en est jamais ainsi; il existe tou- jours une petite difference de surface qui entraine

dans la mesure une erreur proportionnelle a B’, B"’, ....

Si l’on recommence le calcul qui nous a permis

d’aboutir a la formule (10) en posant que les sur-

faces des deux bobines ’ et sont respecti-

vement SI=S, S2=S+S, avec s . S (s>o ou o),

on trouve comme amplitude de la f. 6. m. r6sultante,

a. Dans un champ sym6trique, la correction est immediate : les d6riv6es paires et impaires de B

sont respectivement des fonctions paires et impaires

de z. On peut alors, num6riquement ou graphi- quement, separ er les résultats en une partie symé- trique

E?.s, > =

I ll-’’ ( ’B T_’lf ( ’J

= ( S) [ ( l"2 + /2 3 R2) ]

= 2

(JJZ21 lj’l+

6 40

BB4.)+...-

= E,s( - z),

qui correspond a une mesure correcte avec deux surfaces rigoureusement 6gales, et en une partie antisymétrique.

qui permet de determiner la valeur et le signe du

terme correctif s, lorsque B’ et JB" sont connus.

b. Dans un champ dissyn1étrique, on peut utiliser

une methode semblable, mais en effectuant une 44

(8)

autre s6rie de mesures, avec la meme frequence et

la meme amplitude de vibration, apres retournement de la lentille. On peut egalement mesurer l’aire

l’origine 0 6tant prise au point ou B’ s’annule

(B = Bmax = Bo). On a alors

ce qui permet d’effectuer la correction quand Bo, B’ et

Ie signe de s sont connus.

30 La figure 9 repr6sente, d6termin6e par cette

Fig. 9.

m6thode, la r6partition de B, B’ et B" sur 1’axe d’une lentille sym6trique non satur6e. Les dimen- sions des pieces polaires et des bobines exploratrices

sont pr6cis6es a 1’6chelle des z. On n’a dessine que la moitie de la courbe puisque la lentille est sym6trique.

La connaissance directe de B’ et B" permet de pr6ciser la position des points d’inflexion P, M’, N’

et la pente en ces points. En outre, la connaissance de B" permet de préciser la pente a l’origine de B(z),

et de determiner avec precision le rayon de courbure a l’origine de B (z).

APPENDICE.

Expression de la f. 6. m. induite

dans une spire circulaire

vibrant longitudinalement

dans un champ de revolution de meme axe.

Soit la spire circulaire C (fig. 10) de surface

S = Trr2 piacee dans un champ de revolution

~

d’axe Oz. Par raison de symétrie, l’induction B est une fonction B (p, z), ind6pendante de 0. Si l’on

pose

-j-

les expressions des composantes Bz et Bp de B

au voisinage de 1’axe s’écrivent

Fig. o.

Si n

d6signe le vecteur unitaire de la normale exterieure a S, le flux du vecteur induction a travers la spire est

La spire est perpendiculaire a Oz :

L’axe de la spire coincide avec Oz :

D’ou, d’apres (A. 1) :

20 Faisons osciller la spire parallelement a Oz

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