Les divers modes de fonctionnement des compteurs à étincelles du type (fil-plan) utilisés dans l'air

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Les divers modes de fonctionnement des compteurs à

étincelles du type (fil-plan) utilisés dans l’air

Jacques Maurel, Daniel Blanc

To cite this version:

141 A.

LES DIVERS MODES. DE FONCTIONNEMENT DES COMPTEURS A

ÉTINCELLES

DU TYPE

_(FIL-PLAN)

UTILISÉS

DANS L’AIR

Par

_JACQUES

MAUREL et DANIEL

_BLANC,

Centre de

_Physique

Nucléaire de la Faculté des Sciences de Toulouse.

Résumé. 2014 Les tensions minimales pour

lesquelles apparaissent

les

_{prédécharges,}

les _étincelles, l’effet couronne et l’arc _permettent de distinguer quatre modes de fonctionnement, en fonction de la distance d du fil à la cathode :

1° d _d0. En _augmentant la tension V entre les électrodes, on observe des étincelles,

puis

l’allu-mage de l’arc. Les détecteurs étudiés par Greinacher et ses élèves _{appartiennent} à cette _catégorie. 2° _d0 d _d1. En _augmentant la tension V, il y a d’abord des étincelles, puis allumage de l’effet couronne autour du _fil, enfin _allumage de l’arc. Les _compteurs de _Chang et Rosenblum

fonc-tionnent de cette manière.

3° d1 d d2.

L’apparition

des étincelles est

_précédée

de celle des

_{prédécharges,}

ou «

strea-mers ».

_Lorsqu’il

fonctionne en _{prédécharges,} le _compteur est _autocoupeur.

4° d > d2. Les étincelles _{apparaissent alors que la} couronne est _déjà allumée.

Les distances

_{caractéristiques}

_{d0 et d1} sont des fonctions sensiblement linéaires du diamètre a

du fil. Au seuil de l’effet couronne _correspond une valeur _critique Ec du _champ

_électrique

sur le fil.

Ec, en

première

approximation,

est _indépendant de d ; il varie en fonction de a selon une relation de la forme :

Log

(aEc)

= C ₊ B _/Ec

B et C étant des constantes.

Abstract. 2014 Minimum voltages for which streamers,

sparks,

the _corona

discharge

and the _arc

appear, shows 4 modes of functioning, according to the distance d from the wire to the cathode :

(1) d

d0.

When the _{voltage V} is increased between the electrodes _sparks are _observed,

then _striking of the arc. Detectors studied

_by

Greinacher and his students _belong to this

category.

(2)

d0 d d1. When the _voltage V is increasing, first

_sparks

appear, then the

lighting

of the

corona around the wire, and at last the lighting of the arc. _Chang’s and Rosenblum’s counters work in this _way.

(3)

d1

d

d2. The appearence of the

sparks

is

_{preceded by}

that of the streamers. When it

functions

_{with streamers the}

counter

is

self

_quenching.

(4) d > d2. Sparks appear while the

corona

is already started.

Characteristic

distances d0

and d1 are

practically

linear

functions

of the

diameter

a

of the wire.

At the threshold of the corona _discharge there is a critical value Ec of the maximum electric field

on the wire.

Ec is, to a first

_{approximation, independent}

of d. It varies _according to a,

following

a relation

in the form of

Log

(aEc)

= C ₊

B/Ec

B and C being constants.

PHYSIQUE APPLIQUÉE SUPPLÉMENT AU NO 11.

LE JOURNAL DE PHYSIQUE TOME _25, NOVEMBRE _1964, PAGE

Introduction. -- H. Greinacher

[1]

_a décrit _en

1934 les

_premiers

détecteurs de

_particules

basés sur

un

phénomène

d’effluve

électrique, puis

les

premiers

compteurs

à étincelles. Ces détecteurs sont sen-sibles aux

particules

oc, g

et gamma, mais leurs

caractéristiques

de

_comptage

sont médiocres. En

_{1945, Chang}

et Rosenblum

_[21

ont

_présenté

un détecteur

plus

intéressant dont l’anode est un

fil tendu

_{parallèlement}

à une cathode

métallique

plane ;

l’existence,

autour du

_fil,

d’une

_décharge

par effet couronne stabilise le fonctionnement du

compteur.

On trouvera dans

_[3]

une mise au

point

générale

concernant les

_compteurs

à étincelles. Les détecteurs de ce _genre ont

_pris

un nouvel

intérêt

_depuis

le

_{développement}

des chambres à

étincelles. Le mécanisme de leur fonctionnement

permet

de mieux

_comprendre

le mode

_{d’opération}

des chambres à

_{étincelles, [4],}

et

_renseigne

sur de

nombreuses

_{particularités}

des

_décharges

dans les

gaz. Toutes ces raisons nous ont incité à effectuer une étude

_{systématique}

de

_compteurs

_analogues

à ceux de

_Chang

et Rosenblum : un fil

_anodique

de

diamètre a

est tendu

_{parallèlement}

à une cathode

plane, large

de 20 mm ; l’ensemble est dans l’air

et la tension _{de vapeur} d’eau est maintenue à la valeur constante de 9 torr. La distance d

_séparant

les électrodes est modifiable à volonté.

Le

_système

_{de coupure} externe est un circuit

_RC,

en série avec l’anode

_{(R =}

5 x 106

_ohms,

C = 10-11

Farad).

Un second circuit

analogue

(rc)

est

_placé

en série avec la cathode

(fig. 1) ;

sa

cons-tante de

_temps

est

_égale

à celle du circuit

_anodique,

mais nous avons

pris

r =

R/50,

afin d’atténuer

dans un

_rapport

50 les

impulsions prélevées

sur la cathode et de

_pouvoir

les examiner sur l’écran

d’un

_{oscillographe}

cathodique

_[5].

142 A

FIG. 1. - Circuit

électrique

associé au _compteur à étincelles.

En mesurant les seuils _{de tension pour}

_lesquels

apparaissent

les

_{prédécharges,}

les

_étincelles,

l’effet couronne et

l’arc,

nous avons mis en

_évidence

quatre

modes de fonctionnement différents du

dé-tecteur..

En l’absence d’irradiation : Seuils de l’arc et de l’effet couronne. -

Lorsque

l’on

_augmente

la

diffé-rence de

potentiel

V entre les

électrodes,

deux

_types

de

_décharges

_peuvent

se

_{produire. Lorsque}

_les

électrodes sont très

_voisines,

le seul

_phénomène

observable est un arc

_électrique,

dont la tension de

seuil Va est bien

déterminée,

tant

_{qu’il n’y}

a _pas de détérioration des

_électrodes,

tout au moins. On

observe d’ailleurs un arc discontinu : il

s’établit,

FiG. 2. - Variation des tensions de seuil de l’arc

(a)

et

_(a’),

de l’effet couronne

_(c),

des étincelles

_(e)

et

_(e’)

et des

prédécharges (p)

en fonction de la distance d entre les électrodes

_(a

== _0,1 mm).

puis

est

_interrompu

_{par le} circuit de coupure

externe

_qui

diminue la tension entre les

_électrodes,

se rétablit

_ensuite,

et ainsi de suite.

Lorsque

d est

_supérieure

à une valeur

do

bien

déterminée,

une

_décharge

_{par effet} couronne

s’allume _pour une tension Fic inférieure à la tension

d’arc Va. Le seuil Vs de l’effet couronne est mesuré de

_{façon précise}

_par

_{l’apparition}

de « burst

pulses »

[6],

observables sur l’écran de

l’oscillographe

cathodique (fig. 1).

Les courbes

_{(a), (a’)}

et

_(c)

de la

_figure

2

présen-tent la variation de Va et de

_{Vs, respectivement,}

en fonction de

_d,

_{pour a,} =

0,1

_mm.

Va

et Vc _ne

dépendent

pas de la nature des électrodes : nous

l’avons vérifié avec des cathodes de

cuivre,

de

rhodium,

d’acier

_inoxydable

et de

_tungstène,

avec des anodes de

_tungstène

et

_d’alliages

(nickel-chrome).

La

_figure

3 donne la variation

_{de do}

en fonction de a. La courbe est sensiblement une droite _pour

a >

_0,07

mm.

FIG. 3. - Variation de la distance

caractéristique

do

1 _en fonction du diamètre

a du fil.

Valeur

_critique

du

_champ

sur le $1

_{correspondant}

au seuil de l’effet couronne. - Pour le seuil de

l’effet _couronne, on

_peut

considérer que la

_charge

d’espace

est nulle : la

_répartition

du

_châmp

élec-trique

entre les électrodes est

_gouvernée

_par

143 A

(0

x

_d)

_{( fig.}

_4),

l’intensité du

_champ

est

donnée par :

avecD2

_{= d(a}

_{-f- d).}

Cette formule

_permet

de calculer l’intensité Ea

du

_champ

au

_{point 0,}

sur le

_fil,

_{pour le} seuil Vc d’effet _couronne, et _{pour diverses valeurs de} a et

de d. On trouvera les résultats obtenus sur la

figure

5 : pour a

donné,

Ee

croît très lentement avec

_d,

mais la variation relative reste inférieure

FIG. 5. - Variation de l’intensité Ec du champ électrique

sur le _fil, en fonction de d, pour diverses valeurs de a, la tension étant égale au seuil de l’effet couronne.

FIG. 6. - Variation de la valeur critique du

champ

élec-trique pour le seuil de l’effet couronne en fonction du

diamètre a du fil.

à 2

_%

_pour toutes les

_distantes

_que nous avons utilisées.

En

_résumé,

_{de même que dans le} cas d’électrodes constituées par

deux

_{cylindres concentriques,}

ou par deux

cylindres

parallèles

[7],

la

décharge

par effet couronne s’allume

lorsque

l’on

_atteint,

au

point

0 du fil

_{( fig. 4)}

une valeur

critique

Ee du

champ

électrique,

indépendante de d et

variant seulement avec le diamètre a du

_fil.

Le seuil Il c est _{donné par :}

Prenant pour 2?c les valeurs moyennes

corres-pondant

aux droites horizontales de la

figure

5,

nous avons

tracé,

sur la

figure 6,

la variation de

.Ec

en tonction de a..

’

Calcul de la valeur

critique

du

_champ.

- On

admet

_{généralement}

que le critère

d’apparition

de

J’effet couronne est de la même forme _{que le} critère de Townsend :

gamma étant le coefficient d’émission

secondaire,

31 le coefficient de

_{multiplication électronique.}

Si nous _supposons

qu’en

tout

point

de l’axe Ox

.

les électrons sont en

équilibre

avec le

_champ

élec-trique,

3/ est de la forme :

ce étant le

premier

coefficient de Townsend.

Dans l’air,

sous la

_{pression atmosphérique,}

il est

légitime

d’écrire _que a est lié au

_{champ électrique}

par une relation de la forme :

’

A et B étant deux constantes.

_D’après

_[81,

la

rela-tion

₍₄₎

constitue une bonne

_{approximation,}

_pour

l’ensemble des valeurs des

_{champs électriques}

_que nous avons à considérer dans nos

_{expériences.}

Dans la relation

_(3),

_{il n’est pas nécessaire de}

prendre

comme limite

_{d’intéçration}

F abscisse d de la cathode : le

_phénomène

de

_{multiplication}

élec-tronique

est en effet limité au delà de

_J’anode,

à une zone étroite dont la

_largeur

est de

_quelques

dixièmes de millimètres

_(voir

_plus

_loin).

Nous

pouvons

prendre

comme borne

supérieure

d’inté-gration

J’abscisse _{zo pour}

_{laquelle ce =}

_1,

d’où :

D’autre

_part,

_{d’après (1),}

144 A

fil. Pour x

inférieur à

_{xo, il} est

légitime

de

négliger,

au

dénominateur,

le terme

_{(x2 Jd2)}

_par

_rapport

à

_{(x/d). D’après}

_(4),

nous obtenons alors :

et :

Le critère

_{d’apparition}

de l’effet couronne est :

Il résulte de ce

_{qui précède}

_{que :}

10 La valeur

_critique

Ec

du

_champ

est

indé-pendante de d,.

20

_Ea

est liée à a _par une relation de la forme :

B et C étant des constantes.

La

_{figure 7,}

où sont

_groupés

nos résultats

expéri-mentaux,

montre _que cette relation est bien vérifiée

FIG. 7. - Variation de

Log (aEc)

en fonction de

_{11Er,}.

Remarque.

2013

Ec

croit

en réalité très lentement

en fonction de

_{d (fig.}

_5).

On

d;oit

donc s’attendre à ce _{que, pour} a

_donné,

le coefficient d’émission

secondaire _gamma varie avec d. Il est. intéressant de

_préciser

cette variation en

calculant

ys(a,

d)

pour le seuil de l’effet couronne,

indépendamment

des

_{approximations}

faites dans ce

paragraphe.

Dans ce

_but,

nous avons

_composé

la

courbe

donnant

_E(x)

en fonction de _{x, pour}

_Vc,

avec

celle

donnant oc en fonction du

_{champ électrique}

E ;

cela nous a

_permis

de construire la courbe donnant x en fonction

_{de x,}

à

_partir

de la seule

_hypothèse

de

l’équilibre

des électrons avec le

_champ

électrique.

On trouvera sur la

_figure

8 la variation de a en

fonction

de x pour a =

0,1

_mm et d = 2 _mm.

Comme

nous l’avons dit

_{plus haut,}

le

_phénomène

de

_{multiplication électronique}

est bien limité à une zone très étroite

_près

de l’anode.

FIG. 8. - Variation du

premier

coefficient de Townsend

en fonction de la distance au _{fil, pour le seuil de l’effet} couronne. ,

La

_figure

9 donne

_ys(a,

_d)

en fonction

_{de d,}

pour ==

0,1

mm : _{gamma passe par} un maximum

pour d - 1,8

mm. Cette valeur coïncide

rigoureu-sement avec la distance

critique d1 (voir plus

loin).

Cette

_égalité

a été vérifiée _pour toutes les autres

valeurs de a

_utilisées,

_quelle

_{que soit} la nature de

l’anode et celle de la cathode.

FIG. 9. - Variation _en fonction de d du coefficient

d’émis-sion secondaire pour le seuil de l’effet couronne,

a = _{0,1 mm. Cathode de cuivre. Anode de (Ni-Cr).}

Sous irradiation de

_particules

a : Seuils des

étincelles et des

_{prédécharges.}

-

Sous irradiation

de

_particules

_cc, les seoils de l’arc et de la couronne

145 A

et des

_{prédécharges}

_[9],

dont-les seuils sont

Ve

et

_Vp,

respectivement.

Comme pour tout détecteur de

_particules,

les

phénomènes apparaissent

progressivement,

et on se

heurte,

pour définir Ye et

Yp

à des difficultés

ana-logues

à celles que l’on rencontre dans la déter-mination du seuil de

_Geiger.

Nous avons convenu

d’adopter

comme seuils les tensions pour

_laquelle

l’efficacité du

_compteur

est de

_10-3,

l’efflcacité

étant

_prise

_égale

à 1 au milieu du

_palier

_de

comp-tage.

Il convient de

_souligner

_{que le} choix d’une valeur

_plus

taible de

_{l’efficacité,}

_10-4,

_par

_exemple,

ne modifierait les seuils _{que de}

_quelques

volts.

Une source de

210pO,

_{pratiquement ponctuelle,}

est

_placée

dans le

_plan

de

_symétrie

du

_compteur

passant

par le

fil ;

la distance de la source au fil

était _{telle que les}

_particules

oc

_pénétrant

dans

le

volume

_{sensible, possèdent}

leur ionisation

spéci-fique

maximale.

Pour d inférieure à une valeur

_{caractéristique dl,}

on n’observe _{que des}

_{étincèlles ;}

la variation de

Vie

en fonction de d est

_analogue

à celle de

_{V (fig.}

_2).

Ve

est une fonction sensiblement linéaire du para-mètre

...

1 On

pourrait

définir,

comme

_plus

_haut,

un

champ

_critique

_{pour le seuil} des

_étincelles,

mais il n’aurait _pas le caractère

absolu du

_champ

_critique

_{pour l’effet} couronne

puisque

la notion de seuil est

_plus

arbitraire et

_qu’il

est lié aux

conditions

d’irradiation

(nature

de la

source, distance au

_{compteur, etc...).}

Pour d

_supérieur

à

_dl,

il

_apparaît

des

prédé-charges.

Ve est alors une fonction sensiblement

linéaire de d. La variation du seuil

Vp

des

prédé-charges correspond

à l’existence d’une valeur

cri-tique

du

_{champ électrique, égale,}

_{pour la} même

valeur de _a, au

_{champ critique correspondant}

aux

étincelles

_{pour d}

_d1.

’

Comme Va et

_Vs,

Ve et

_VD

sont

_{indépendants}

de

FIG. 10. - Variation de la distance

caractéristique c4

en fonction du diamètre a du fil.

la nature des électrodes. Il en est de même _pour

_dl,

dont la

_figure

10 donne la variation en fonctiori de a

Les

_quatre

modes

de fonctionnement du

comp-teur. - Les

quatre

modes de fonctionnement

apparaissent

sur la

_figure

2 :

10 d

_do.

- En fonction de

V,

on observe

d’abord des

_{étincelles, puis l’allumage}

d’un arc.

C’est dans cette zone _que fonctionnaient les comp- .

teurs à étincelles étudiés _par Greinacher

_[1]

et _par

ses élèves

_[3],

avec des électrodes de formes

diffé-rentes

_(sphères,

_pointes,

_etc...).

On trouvera sur

la

_figure

11 une

caractéristique

de

_comptage

corres-pondant

à ce mode de fonctionnement : il

n’y

a _pas de

_palier,

et la faible différence entre les valeurs

de Ve et

Vo

est à

_l’origine

de l’instabilité du

détec-teur. , FIG. 11. -

Caractéristique

de

comptage

du détecteur

pour d

do

(a

= _0,1

‘mm, d

= _0,4

_mm).

20

_do

d

_dj.

- En

augmentant

V,

on

observe successivement

_{l’apparition}

des

_étincelles,

puis l’allumage

de la

_décharge

_{par effet couronne,} enfin

_l’allumage

de l’arc. Les

_compteurs

de

_Chang

et Rosenblum

_[2]

fonctionnent

dans

cette

_région.

La

_figure

12

_présente

une

_{caractéristique}

de

comp-tage

obtenue dans ces conditions :

l’allumage

de la ,

couronne _{marque le} début du

palier,

et

_l’allumage

de l’arc on détermine la fin. 30

_d1

d

_d2.

-

L’apparition

des étincelles

est

_précédée

de celle de

_{prédécharges.}

Pour V >

_Ye,

la

_fréquence

des

_{prédécharges diminue;}

ces

pré-décharges

se transforment

_{progressivement}

en

étincelles,

comme

_l’indique

la

_figure

13. Cette

région

a été très étudiée par

Laborie, qui

a montré

que,

pour les

prédécharges,

le

compteur

est

auto-coupeur

[10].

446 A

FIG. 12. -

Caractéristique

de comptage du détecteur

pour do d dl

(a

= 0,1 mm, d = 0,6 mm). FiG. 13. ---

Caractéristiques

de comptage du détecteur

pour dl

d

_d2

(a = _0,1 mm, d = 2 _mm). · : _{étincelles ; + :}

prédécharges.

4° d >

_d2.

-

Les

étincelles

_apparaissent

alors

que la couronne est

_déjà

allumée. La

_figure

14

représente

le

_palier

de

_{comptage :}

il existe un

_palier

dit aux

prédécharges,

d’autant

plus long que d

est

plus grand.

Pour V >

_Ve,

on observe un

_mélange

de trois

_type

_{d’impulsions [10] :}

-- des

prédécharges

isolées,

dont la

_fréquence

diminue

_lorsque

V

_{augmente ;}

- des

prédécharges

suivies

_{d’étincelles ;}

- des

étincelles,

sans

_{prédécharges}

_apparentes.

FIG. 14. -

Caractéristique de _comptage du détecteur

pour d> do;.

(a = _{0,1 mm, d} = _{2,7 mm).} . : _{étincelles ;} + : prédécharges.

Dans une étude

ultérieure,

nous

_préciserons

le mécanisme des divers modes de fonctionnement du détecteur.

Ces recherches ont bénéficié d’un Contrat du Commissariat à

_l’Énergie

_{Atomique (S.}

C. R. G.

R.).

Manuscrit reçu le 14 _janvier 1964.

BIBLIOGRAPIIIE

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30.