HAL Id: jpa-00233574
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Étude d’un appareil à grand pouvoir de résolution pour
rayons cosmiques
Roland Maze
To cite this version:
ÉTUDE
D’UN APPAREIL
AGRAND POUVOIR
DERÉSOLUTION
POUR RAYONS
COSMIQUES
Par M. ROLAND MAZE.
Laboratoire de Chimie
Physique,
Faculté des Sciences.Sommaire. 2014 Nous avons étudié les différents procédés de détection des fluctuations de potentiel
produites par les décharges de
compteurs
de Geiger-Muller en vue de l’enregistrement de coïncidences et mis au point un système à réaction dérivé de celui de Neher et Harper permettant un comptage fidèle et rapide. D’autre part, pour mesurer des phénomènes cosmiques rares dans les mines polonaises de Wieliczkanous avons augmenté le pouvoir séparateur du système en mettant en valeur les coïncidences par un procédé simple, et réalisé un appareil a 4 étages.
1.
Système
de détection etd’amplification.
-Le
premier
procédé
de détection desdécharges
pour descompteurs
contenant del’hydrogène
ou del’hy-drogène
et des gaz rares dont lescaractéristiques
sont excellentes(1)
nécessitel’emploi
de résistances de fuiteélevées,
de l’ordre de 109 ohms(lig.1),
en diminuantla valeur de cette
résistance,
lepalier
decomptage
devient de
plus
enplus
petit
et lescaractéristiques
ducompteur passent
durégime
decomptage
normal aurégime
dedécharge
continue ou instable.Fig. 1.. Fig. 2.
Le
temps
derecharge
du fil estproportionnel
à la résistance de fuite et à lacapacité
totale fil parrap-port
à la masse.Nous avons mesuré les
temps
à l’aide d’unoscillo-graphe
cathodique,
la courbe de la variation dupoten-tiel sur le fil a la forme suivante
(fig. 2),
la tension s’abaissependant
ladécharge
à la tension du seuil decomptage
la constante detemps
RG du circuit est environ 2.10-2 sec et letemps
total de restitution de~ . ~.0-~~ sec.
Pour un
compteur
donnant, ivehocs par sec, lapro-habilité p pour que les chocs soient
séparés
par untemps
supérieur
à Test y
= c-T N etpour le
compteur
.1’ ,
d .
d ,B
chocs
0 utilisé dans nos essais donnant ’2UO
chocs -
0, 84 .
mm P
10
desdécharges
seproduisent
au moment où la 100tension abaissée à la tension au seuil de
comptage
Vo
n’aura pas
repris
la valeur initiale V et lagrille
de lalampe
reçoit
des chocsd’amplitudes inégales (fig.
3).
B~/
:Fig. 3.
Comme la
lampe
n’est pas fortement saturée pour les chocs normaux et par suite de son faible coefficientd’amplification
pour des valeurs depolarisation grille
voisines de
0,
lespetites
fluctuations depotentiel
grille
se traduisent par de faibles variations de
potentiel
plaque
et nous observons des chocsamplifiés inégaux
dans le circuit de sortie.Les coïncidences
produites
par mise enparallèle
d’étajes analogues
sur une résistance(Rossi)
sontiné-gales
et dans une certaineproportion
dépendant
beau-coup du
réglage,
nous avons uneperte
de coïnci-dences d’autantplus
élevée que le nombre decomp-teurs mis en coïncidence est
grand.
Il est donc nécessaire pour réduirc cette
perte
et avoir une bonne discrimination entre les coïncidencesdoubles,
triples,
etc. de dimiiiuer letemps
derestitu-tion des
compteurs
etd’appliquer
auxlampes
misesen
parallèle
des chocs due mêmeamplitude
paramplifi-cation
préalable
suffisante pour saturer ceslampes
danstous les cas.
Dans le but de diminuer le
temps
derestitution,
onpeut utiliser
comme résistance de fuite celle offerte parune cellule
photoélectrique
ou diode saturée(1),
la (1) Max CosYNs.163
courbe est
rectiligne
et letemps
derecharge
a lava-leur encore insuffisante de 2.102013~ sec.
Considérons maintenant le
système
Neher et Har-per(1) (fig. 4)
permettant
le fonctionnement de toutcompteur
à l’aide de faibles résistances de fuite. Leprincipe
est lesuivant,
lecylindre
ducompteur
est relié directement à la
grille
d’unelampe
polarisée
suffisammentnégative-ment pour avoir un débit
nul,
le fil est relié à laplaque portée
aupotentiel
nécessaire au
comptage,
1 fï00 Ven-vi ron.
Fig.4. Fig. 5.
Une
penthode
dutype
t). C. H. Américain convientparfaitement.
Pendant ladécharge,
lagrille
reçoit
descharges
positives,
lalampe
s’ouvre et lepotentiel
du fil s’abaisse dans le mêmetemps
au-dessous du seuil decomptage,
cequi
a pour effet de couper ladécharge,
puis
lesystème
revient à l’état initial.La courbe de variation du
potentiel plaque
n, la forme suivante(fig.
Il).
La liaison du
cylindre
à lagrille
a pour effetd’in-troduire une
capacité
entregrille
et masse et la liaison du fil à laplaque
augmente
due 10 cm lacapacité grille
plaque.
Aussi pour un
compteur
de diamètreégal à
32 mmet de
longueur
utile - 34 cm, letemps
de restitutionest ~.10-3 sec.
La courbe de retour n’est pas
exponentielle,
cecis’explique
par le renvoi decharges positives
sur lagrille
par lacapacité grille plaque,
maintenant ainsi lalampe
ouvertependant
untemps
plus long
que laconstante de
temps
du circuit propre.Ce fait est très
important
etexplique également
pourquoi
letemps
de restitution dusystème
varie très peu en fonction de etRyl,
Pour une
lampe
6. C. 6. et les valeurs- 4Q tension écran 1 00
V,
le fonctionnement dusystème
a lieu trèsprès
dupoint
d’ouverture de lalampe
sur uneplage
étroite depolarisation
-6,~ ~T
à - 7 V.
Les chocs faibles n’ouvrent pas assez la
lampe
pour que ladécharge
soitcoupée,
lecompteur peut
cracher. lerégime
est instable.Pour
Rpi = 2Q, Rg1
= 4Q,
laplage
est de 2V avec un maximum de stabilité vers-8,~ V,
cetteplage
croît surtout en fonction de
Rg1
et pour 20 QRpi
= 4Q est de~?0 ~’,
le fonctionnement est alors(t) NEHER and HARPE. Rev., 1936, 49, 940.
stable pour de bons
coinpteurs
et lescompteurs
à l’acétone.Le
temps
de restitution reste à peuprès
constant,
7 ,10-3 sec,
la tension s’abaissant au-dessous du seuil1,’o
1 1
de
comptage
de laquantité § 3
à - (V-
Vo)
letemps
pendant
lequel
il nepeut
y avoir de nouvelledé-charge
outemps
mort dusystème
peut
êtresupérieur
autemps
mort ducompteur
correspondant au balayage
des ionspositifs.
Dans le cas de
comptage
rapide
departicules
émisespar des sources
radioactives,
nous avous observé eneffet des chocs
d’amplitudes
très variables à laplaque
de lalalnpe,
maiscependant
enmajorité
assezgrands
pour saturer une secondepenthode
G. C. 6. dont larésistance de
grille
estsupérieure
à 50 000 w aveccapacité
de liaison de 20 cm, pour lespetits
chocs lerisque
deproduction
dedécharges
continues est accru, la baisse de tension n’étant pastoujours
suffi-sante pour couper ladécharge.
Cesrisques
seprésen-tent
également
si l’on désire utiliser des filslongs
etnécessairement blindés pour réunir le
compteur
à lalampe.
Comme dans le casprécédent,
la tension au-dessus du seuilVo
joue
un rôle trèsimportantau point
de vue del’amplitude
deschocs,
il en résulte unedépendance
deréglage
desétages
suivants et unepos-,,ibilité de
perte.
V
Fig. 6.
Dans le but d’accroître la chute de tension à
chaque
décharge,
de diminuer letemps
de restitution et d’avoir desamplitudes égales, quelle
que soit la tension audes-sus du
seuil,
nous avonsappliqué
ausystème
Néher une réactionsproduite
par une secondelampe.
Considérons le
système
suivantcomprenant
unepremière lampe système
Néher suivie d’une secondelampe
dont lagrille
est aupotentiel
zéro et sacons-tante de
temps
T2 = sec, lesimpulsions
enA, B, C, D,
E ou la forme suivante(sans
considérer lesamplitudes) (fig.
6).
En enlevant la résistance de 20
mégohms
en E et enreliant la
plaque
D par unecapacité
de 50 cm à lagrille
A de lapremière
lampe,
onpeut
admettre164
On constate par la suite que la forme E est peu
défor-mée si l’ensemble est à réaction. En
pratique,
on cons-tate que la somme est la suivante en A(fig. 7) :
lagrille
de lalampe
est soumise à unpuissant
chocposi-tif
qui
lasature,
puis
devientnégative
pendant
letemps
de ~.~0-~ sec, la fluctuationplaque
est voisine de 1 500V (tension
ducompteur).
La courbe de retour
prise
à laplaque,
lagrille
étantnégative
nedépend
plus
que de la constante detemps
du circuit
plaque
et la tension du seuil decomptage
est restitué en 3.10-~ sec. Pour des tensions très voi-sines deVo,
lesystème
fonctionneparfaitement
et il ya
toujours
saturation.Fig. 7. Fig. 8 et 8 bis.
Si l’on
approche
une source radioactive ducompteur,
on voit àl’oscillographe
des courbes de restitution s’arrêter aupoint (a) correspondant
àVo
et unenou-velle
décharge
seproduit,
letemps
mort dusystème
n’est donc pas inférieur à celui ducompteur.
Il est à noter que letemps
dedécharge
est sensiblement 50 foisplus
petit
ici que celui d’uncompteur
branchésur une résistance de fuite élevée.
La
probabilité
de chocs noncomptés,
à raison de6 000
décharges
possibles
à laminute,
est deI00
Pour une constante detem ps 1’2
supérieure
à ~. 10 ~ sec,la
grille
estnégative pendant
untemps
plus
grand
que3.10-4 sec, la restitution
plaque
restant lamême,
c’est alors le retourgrille qui
détermine letemps
mort d 11système, supérieur
cette fois à 3.10-~ sec(fig. 8).
Pour Ta inférieur à 6
10-6,
lagrille
estnégative
pendant
untemps
plus
petit
que 3.10-4 sec, la resti-tutionplaque
est forcée(fig.
8bis).
On voit que le
réglage
optimum
est celui pourlequel
lagrille
estnégative pendant
untemps
égal
à celui de la restitutionplaque
enrégime
libre(fig. 7).
Les
propriétés
dusystème
sont donc les suivantes :L’amplification
est considérable. Lesamplitudes
des chocs sonttoujours égales
pour des variations detension du
compteur
entre le seuilY~
et celle de fonce tionnement normal V. La sensibilité estgrande,
leslampes
étant saturéespar les décharges
seproduisant
pour des tensions voisines de
quelques
volts de la tension du seuil decomptage
réel.Le
système
n’est pas favorable à laproduction
dedécharges
continues ouparasites,
nous avons fait desexpériences
à l’aide de mauvaiscompteurs,
quelques-uns d’entre eux, branchés sur un
système
Néher,
don-naient unedécharge continue,
et fonctionnaient encompteur
snr lesystème
à réaction.,
Les tensions
plaque
et écran des deuxlampes
peu25
vent varier de
25
sans effet.L’utilisation
de fils100
blindés de 50 cm de
capacité
par mètre sur une lon-gueur de 3 m double letemps
derestitution ;
il y
atoujours
saturationcomplète.
Il est nécessaire de
placer
des écransélectrostatiques
entre lescompteurs
mis encoïncidence,
les variationsdu
champ
étantimportantes :
dedécoupler
laplaqne
de lapremière lampe
de la hautetension,
et d’éviter les inductions dansl’appareil.
2.
Augmentation
dupouvoir séparateur.
-Les coïncidences sont mises en évidence dans le circuit
plaque
commun auxlampes
terminales dechaque étage
(système Rossi)
(fig. 9).
Ceslampes
sont ouvertes etreçoivent
desimpulsions négatives.
~
HT
Fig. 9.
Le
pouvoir
séparateur
est inversementproportionnel
autemps
pendant lequel
lesystème
se maintient dansun état transitoire déterminé par le
blocage
d’unelampe,
il est donc limité autemps
de restitution ducircuit
plaque
commun enrégime
libre,
de l’ordre de 7. ~0-f secpour 4
étages
enparallèle.
Augmenter
lepouvoir
séparateur
revient alors à forcer le moinspossible
lerégime plaque
enappli-quant
des chocs de courte durée sur lesgrilles.
Il faudra s’assurer que les fluctuations dutemps
de latence descompteurs
(temps
entre la formation de lapremière paire
d’ions et le début de la chute deten-sion) restent
négligeables
parrapport
autemps
de résolution.Nous prenons les chocs
négatifs
à laplaque
P reliée à la haute tension dusystème
à réaction.En diminuant la constante de
temps 72
du circuitgrille
G,
onpeut
espérer obtenir
unphénomène
rapide;
enfait,
pour une constante detemps
’t2 =10-~ sec, la165
vient de ce que, au
régime
libre de lagrille
s’ajoute
lerégime
forcé par lesystème préliminaire
et ce cas estgénéral.
On
peut
faire le calculapproché
du processus de déformation du choc ensupposant
que les courbes dedécharge
et restitution sontexponentielles
en P(fig. 10)
ennégligeant
le courant degrille.
Fig. i0.
Soit T le
temps
dedécharge
total dusystème
préli-minaire et ri sa constante de
temps,
l’équation
de la courbe dedécharge
estCelle de la courbe de restitution
Le
potentiel
enG2
est donné par la relation(C’g2
étant lacapacité parasite grille
masse).
Les deux
intégrales
sont :L’existence de a pour effet de diminuer
légère-ment
l’amplitude
etd’augmenter
la constante detemps
du deuxième circuit.Pour diminuer Ta il sera
préférable
de décroîtreRg2
engardant
constantCg2,
l’inverse donnerait la limiteRg2C’g2
et uneamplitude
nulle.Nous considérons le cas ou Ti
> ;~ .
La
première
courbe(1)
résulte de la différence des ordonnées des deuxdécharges exponentielles
partant
du mêmepotentiel
initial mais dont l’une décroîtplus
vite que l’autre.Pendant le
temps
T si 1"2 est trèspetit
la fonctionpeut
passer par un maximum mais ne coupejamais
l’axe des
temps.
Par contre la deuxième courbe résulte de la
diffé-rence des ordonnées des deux
exponentielles
de resti-tutionpartant
despotentiels
respectifs
de fin dedécharge,
elle traverse l’axe destemps
pour la valeur1 rp ,
Fig. i 1 .
Faisons varier la constante de
temps
1’2depuis
r, ,L’espace
to décroît d’abord trèsrapidement depuis
l’infini,
puis
la variation devient presque linéaire et tend vers une limite pour lespetites
valeurs de cette limite étant letemps
dedécharge
total de la courbe initiale(fig.
1,-».
~
Fig.12.
T = 10-5 ’r1 - 10-2 T2 =10-7
durée totale du choc = 3.10--~ s.
Les mesures à
l’oscillographe,
muni d’unamplifica-teur
proportionnel,
de la durée -. des chocs ont donné les résultats suivants.Le
temps
dedécharge
dusystème
préliminaire
était166
A noter que le
pouvoir
de résolution mesuré par le nombre de coïncidences fortuites estégal
à secpour ~3 - ce
dui correspond
à lalongueur
de la courbe dans le circuitplaque.
Considérons maintenant le cas où la déformée étu-diée serait
amplifiée
par lalampe
L2
suivie cl’tiiielampe
l,3
liée par uncouplage
résistancecapacité
deconstante de
temps
---- R~3C9~ et
fonctionnant dans lapartie
linéaire de lacaractéristique.
Fig. 13 et 13 bis.
Les deux
équations
sont les suivantes pour lepoten-tiel variable
193 :
.. rIt t
pour
A KR
¡
K = coefficientd’amplification,
A’ - p = résistance
interne,
p résistance de
Plaque.
Si T, > ’t’2 > T3 1a
première
fonction est de la forme :Pour et
petits
parrapport
à Ti la valrur de(a)
1 i
’
est
négligeable, l’exponentielle
Ce
"’devient
rapide-t t
ment nulle et
l’expression
aeu
’ peut
être assimilée àune droile confondue avec l’axe des
temps,
onpeut
obtenir les courbes résultantes il
partir
descompo-santespar
constructionfig.
1: et 43On voit que les formes
peuvent
être très diverses maisqu’il
estpossible
d’avoir un choc initial de durée inférieure à T et même aussipetit
que l’onvoudra,
il suffit pour cela que -.2 soit très voisin de :3.Une discussion
s’impose
quant
au choix de ~2 ~ 73ou Ts > ’!2 surtout au
point
de vueamplitude.
La
multiplication
desétages
déformants est donc favorable à l’obtention de chocsrapides,
mais le pro-blème nepeu
êtreséparé
desphénomènes
seprodui-sant dans les
étages
préliminaires
et doit être vu dans son ensemble.Remplaçons
dans le circuitgrille
C~
la résistance par une self l. de résistance licouplée
ausystème
pro-liminaire par une
capacité
C.Soit C,
lacapacité
rési-duelle de la self et du circuitgrille, q
lacharge
traver-sant C à
l’instant t,
q, et q, lescharges
traversant Let
C,,
et calculons lepotentiel
variableV,
en 1’,
en fonction dupotentiel
en 7~. Nous ayons et de(1)
on tire et de(2)
d’où :167
Posons :
Eig. 14.
En
pratique
Ips
conditions sonttoujours remplies
pour quel’intégrale
del’équation
sans second membre soit oscillatoire amortie.L’intégrale complète
estEn
général
les valeursapprochées
sont les sui-vantes :. ’10 ,. - ...,...
T,,
= ce(G’ -f- C,) demi-pseudo-période
Soit
On trouve : ’.
On voit que la fonction est sinusoïdale amortie de
pseudo période
aussipetite
que l’onvoudra,
la cons-tanteKt
étanttoujours
petite
parrapport
àI~~
l’in-fluence du
phénomène préliminaire
estnégligeable
et leproblème
d’obtention de chocsrapides
est renduindépendant.
Fig.15.
D’autre
part
le calcul donne pouramplitude
maxi-mum la valeur1,7.10-4 A,
uncouplage
capacité
résis-tance donnerait pour la même
amplitude
un choc de duréeégale
à2,5.
10-1 sec ensupposant
que letemps
dedécharge
total soit de 10-1 sec.En observant le
phénomène
àl’oscillographe
aupoint
G2
pour unpotentiel
degrille
trèsnégatif
onconstate bien le «
drapeau
o oscillatoireprévu,
mais dès que l’on ramène lapolarisation
vers zéro lagrille
1.
168
collecte des
charges,
un courant inverse seproduit
amortissant
complètement
l’oscillationjusqu’à
uncer-tain
potentiel négatif
où celle-cipeut
avoir lieu. Enfin pour unpotentiel
degrille
voisin dezéro,
iln’y
aplus
dedrapeau,
l’amortissement estcomplet
pour toute la
régi on
positive
de la conrbe résultante. Mais le choc initialnégatif garde
sinon la mêmeamplitude,
du moins sensiblement la même durée7’2
ce
qui
résoudcomplètement
leproblème
(fig. I ~).
En
pratique,
àamplitude égale,
ceprocédé
donne unchoc 10 fois
plus rapide
que lecouplage
déformant à résistancecapacité
etpermet
unegrande
indépen-dance vis-à-vis du
système
préliminaire,
il nous apermis
d’abaisser lepouvoir
de résolution à une valeurégale
ou inférieure à 5.10-6 sec, cequi
doit donner pourtrois
compteurs
produisant
UUdécharges
par minuteune coïncidence fortuite pour 10’ heures.
En résumé
l’emploi
d’une selfpeut
être trèsavanta-geux toutes les fois que l’on voudra déformer un choc
négatif
lent et obtenir un chocsrapide
destiné à blo-quer unelampe
dont lepotentiel grille
est voisin de zéro.Ce
procédé parait indiqué
à la suite d’unsystème
Neher,
il est ainsipossible
de constituer unappareil
simple
àgrand pouvoir séparateur possédant
seule-ment 2lampes
parétage.
Nous avons réalisé un
appareil
entièrementali-menté sur secteur et dont toutes les
lampes
sontsatu-rées pour
chaque décharge
à l’aide dusystème
prélimi-naire décrit
(fig. 16).
La haute tension nécessaire aux
compteurs
est sta-bilisée par unepenthode (procédé
Evans modifié par Ashworth(1))
dont lepotentiel
écran est lui-même stabilisé par unelampe
aunéon,
une variation desec-teur de 10 V donne à la sortie une fluctuation de
0,1
V.Les coïncidences sont
amplifiées
par unepenthode
bloquée
dont lepotentiel plaque
est de 1 600V,
lepuissant
chocnégatif produit
donne naissance dans(t) EvArie. R. S. 1., 193i, 5, 311; ASHWORTH MOUZON. R. S. I.,
993 î, 6, 927.
une self élevée à une onde de
longue période
dont lapartie
positive
est propre à l’ouverture duthyratron.
Celui-ci est alimenté par la tension non
filtrée,
la cellule defiltrage
éliminant ainsi laperturbation
pro-duite par le débitbrusque
La coupure de ladécharge
se fait par mise à la masse dupoint
deliaison,
relaisrésistance de
charge,
dont lepotentiel
s’abaisse dès que lalampe
s’ouvre,
onpeut régler
le circuit pour quel’étincelle soit inexistante.
Fig, 17. -
L’appareil compleL.
Le
grand pouvoir
séparateur
est obtenu à l’aide deselfs de 500.10-6
Henry placées
dans desblindages
ainsi que les
capacités
de liaison pour éviter l’inductiondes
systèmes
préliminaires.
,Ce travail a été effectué au Laboratoire de Chimie
Physique
de la Faculté desSciences,
sous la directionde M. Pierre
