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Transport de charges dans un gaz, au voisinage d’une paroi et en présence d’un champ magnétique
A. Békiarian
To cite this version:
A. Békiarian. Transport de charges dans un gaz, au voisinage d’une paroi et en présence d’un champ magnétique. Journal de Physique, 1968, 29 (5-6), pp.434-442. �10.1051/jphys:01968002905-6043400�.
�jpa-00206669�
TRANSPORT DE
CHARGES
DANS UNGAZ, AU
VOISINAGED’UNE
PAROIET EN
PRÉSENCE
D’UNCHAMP MAGNÉTIQUE (1)
Par A.
BÉKIARIAN,
Direction des Études et Recherches d’Électricité de France, Clamart.
(Reçu
le 28 octobre1967.)
Résumé. - Un
système
diode à cathodephotoémissive permet
d’étudier l’influence d’unchamp magnétique
sur la rétrodiffusion des électrons émis dans uneatmosphère
d’hélium.Les résultats
expérimentaux
obtenus pour despressions
d’hélium variant de 10-6 à 300 torr confirment uneinterprétation théorique
desphénomènes
tenantcompte
de la réflexion des électrons sur la cathode.Abstract. 2014 A diode with a
photocathode
is used tostudy
themagnetic
field influence onback-scattering
of electrons which are emitted in a heliumatmosphere. expérimental
results,obtained for helium pressure
ranging
from 10-6 to 300 torr,support
a theoreticalapproach
which takes into account reflection of electrons
by
the cathode.1. Introduction. - Alors que les
ph6nom6nes pari6-
taux interviennent dans de nombreux
problemes,
leuretude est en
general
delicate a mener. D’unepart,
si l’onanalyse
l’influence de lapresence
d’uneparoi,
on
s’aperçoit qu’il
est difficile de définir defaçon precise
laparoi
elle-même. Leplan parfait
n’existepas, la
puret6 chimique
esttoujours relative,
or lastructure reelle de la
paroi peut jouer
un role nonnegligeable.
D’autrepart,
a supposer que l’on sache choisir unerepresentation math6matique convenable, susceptible
de traduire lesph6nom6nes physiques,
lesequations qui
la caract6risent sont souvent difficiles a r6soudre.11 est
pourtant
d’ungrand
int6r6td’examiner,
parexemple,
l’influence d’unchamp magn6tique
sur un’
gaz
comportant
desparticules charg6es
auvoisinage
d’une
paroi.
Nous avonsessay6 d’approcher
cetteetude,
li6e auxprobl6mes
de lamagnéto-hydro- dynamique,
dans les conditionsexperimentales
lesplus
purespossible
afin depermettre
uneanalyse
assez fine. Alors que dans une
experience
demagn6to- hydrodynamique
le milieu gazeux est chaud et contient descharges positives
etnegatives,
nous avonsseulement
envisage
unsysteme diode, comportant
une anode collectrice et une cathode
emissive, plonge
dans un gaz noble a
temperature
ambiante et soumisa 1’action d’un
champ magn6tique parall6le
a laparoi.
Ainsi nous n’avons a consid6rer que deuxesp6ces
departicules :
electrons et atomes neutres,et nous pouvons supposer la
temperature,
lechamp electrique
et lechamp magn6tique
uniformes. Deplus,
laparoi
ne se trouve pas recouverte par des condensats provenant d’un gaz ensemenc6 chaud.Toutes ces
dispositions simplifient grandement
l’inter-pr6tation theorique
que nous désirons donner des resultatsexpérimentaux qui
sont essentiellement ob-tenus a
partir
descaractéristiques
courant-tension dusystème
diode.Les
premiers
resultats de cetteetude,
en l’absencede
champ magnétique,
ontdeja
faitl’objet
d’unepublication [1].
Nous lesrappellerons
ici avant deles
compl6ter
parl’interpr6tation
desph6nom6nes
enpresence
d’unchamp magn6tique.
2.
Dispositif expdrimental.
- 2.1. CARACTERESGENERAUX. - La
presence
d’unchamp magn6tique
nous a fait choisir un
systeme
diode deconfiguration cylindrique,
car 1’effet Hall cr6erait aux frontieres d’unplan
deshétérogénéités
rendant delicate l’inter-pr6tation
des resultats.Apres
une s6ried’experiences
faites a 1’aide dethermocathodes
[2],
nous avonsprefere
utiliser unephotocathode
comme source emissive. Celle-ci nouspermet de
garder
unetemperature
uniforme dans1’espace
interélectrodes et d’avoir une cathode6qui- potentielle.
Deplus, 1’emploi
d’unephotocathode
conduit a de tres faibles densites de courant, ce
qui
r6duit sensiblement la
charge d’espace.
Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphys:01968002905-6043400
435
FIG. 1. - Schema du
systeme
diodeLe
dispositif adopte
finalement estrepr6sent6 figure
1. Laphotocathode
estsemi-transparente,
ellereçoit
lerayonnement
de l’int6rieur et 6met des electrons vers 1’exterieur ou ils sont collect6s par l’anode.La source de
rayonnement,
la cathode et l’anode constituent troiscylindres coaxiaux.
2.2. PHOTOCATHODE. - La
photocathode
estconstituée d’une couche mince d’or
d6pos6e
parevaporation
sous vide. L’orpr6sentant
un travail de sortie de l’ordre de 4 eV[3],
lerayonnement
aemployer
est donc unrayonnement
ultraviolet et le tubesupport
de laphotocathode
doit 6tre realise enquartz.
L’uniformité de lacouche,
n6cessaire pourproduire
une emission6lectronique uniforme,
a 6t6obtenue en maintenant le tube en rotation autour de
son axe
pendant
la duree del’op6ration
dedepot.
L’uniformite de 1’emission a pu 6tre v6rifi6e a mieux de 10
%.
Ledepot
a ete effectu6 dans les laboratoires de M. le Professeur Vernier aDijon.
Le rendement de la
photocathode
baisseapres
unepremiere exposition
a1’air,
mais reste ensuite tr6s stable. Par contre,l’6paisseur
de la couche emissive modifie 1’allure des resultatsexpérimentaux.
Si cettecouche laisse passer une fraction non
n6gligeable
durayonnement
ultraviolet,
l’anode 6met A son tour desphotoelectrons.
Lacaractéristique
courant-tension dusysteme
diode est alors double. Pour avoir des carac-t6ristiques
de typesimple (une
seule electrode 6mis-sive),
nous avons ete conduits a utiliser des couches d’une6paisseur
de l’ordre de 200A, pratiquement
opaques a l’ultraviolet.
2.3. SOURCE DE RAYONNEMENT ULTRAVIOLET. -
Nous avons utilise une
lampe
a vapeur de mercure a bassepression,
de fabricationQuartzlampen,
dont lerayonnement
estpratiquement monochromatique
pourla raie de
longueur
d’onde 2 536A.
2.4. ENSEMBLE EXPERIMENTAL. - La
partie
essen-tielle du
dispositif
est constituée d’une enceinte 6tanche contenant lesysteme
diode(fig. 2).
Danscette
enceinte,
il estpossible
de r6aliser a volonte leFIG. 2. - Schema de la
maquette expérimentale.
vide ou un
remplissage
de gaz apression quelconque grace
a des raccordements vers une pompe a diffusionet vers une reserve de gaz. Le tube central de
quartz
qui
porte laphotocathode
est chrome afin d’assurerl’opacit6
aurayonnement
de toute lapartie
du tubenon emissive et de r6aliser une sortie conductrice pour la
photocathode.
Le
champ magn6tique
n6cessaire a la suite desexperiences
estproduit
par un sol6noidecompens6,
coaxial a la
maquette.
La bobine ainsi que les diversFIG. 3. - Vue d’ensemble du
dispositif expérimental.
dispositifs
de mesure depression
sont visiblesfigure
3.Enfin,
le trace descaractéristiques
courant-tensionest assure par un
enregistreur X, Y,
la difference depotentiel
anode-cathode 6tant d6livr6e par unepile.
Les
caractéristiques,
relev6es pour diverses valeurs de lapression
et duchamp magn6tique,
constituent le moyend’investigation
duphénomène
6tudi6.3.
Ptude
dusyst6me
diode dans le vide. - Pour 6tudier lecomportement
des electronsapres
leuremission dans le gaz, il est n6cessaire de
poss6der
desinformations sur les conditions dans
lesquelles
s’effectue1’6mission elle-m8me. L’6tude de 1’emission
photo- electrique
resteplus
delicate que celle de 1’emissionthermoélectrique.
On sait que,lorsque
desphotons d’énergie
hv viennentfrapper
la surface d’un métal depotentiel
de sortieV,,,
des electrons sont 6mis avecdes
energies
variant de 0 a hv -e Vs.
Selon la theorie deHughes
etDubridge [4],
lar6partition
des electrons doit suivre une loitriangulaire
en fonction de1’energie.
En
fait,
on observe souvent des 6carts parrapport
acette
loi, notamment
avec des couches minces. Vu les moyens dont nousdisposons,
il nous est difficiled’atteindre avec
precision
la loi derepartition
deselectrons.
Aussi,
nous nous sommes attaches a d6ter- miner au mieux :-
1’energie maximale u1
des electrons6mis,
- la diff6rence de
potentiel
de contactanode-cathode,
et a verifier
qu’une
loisimple
de distribution des electrons d6crit lephénomène
observe de mani6re satisfaisante.FIG. 4. -
Caractéristique
standard(trait plein) comparee
a
plusieurs caracteristiques expérimentales (traits
ponctués)
pour le cas B = 0.437
L’étude des
caractéristiques
courant-tension obte-nues dans un vide de l’ordre de 10-6 torr
[5]
nous aincites a choisir une
repartition
carr6e en fonction de1’energie
entre 0 ethv - eVs,
tout en conservantI’hypoth6se
habituelle d’uner6partition spatiale
sui-vant la loi de Lambert.
L’accord entre resultats
expérimentaux
et resultatscalcul6s est alors satisfaisant
(fig. 4).
La difference depotentiel
de contact anode-cathodeapparait
de l’ordrede
0,3 V,
tandis que1’energie maximale u1
deselectrons est voisine de
0,6
eV.Les relev6s
expérimentaux
effectues enpresence
d’un
champ magn6tique
concordent avec la courbe standard calcul6e( fig. 5) lorsque
toutes ces courbessont
reportees
dans unsysteme
de coordonn6es r6-FIG. 5. -
Caractéristique
standard(trait plein) compar6e
aux resultats
expérimentaux ; - - - - B
= 45,8 gauss ;+ + + B = 39,4 gauss ; o o o o B = 29,2 gauss.
duites. La
géométrie cylindrique
doitcependant
6treprise
encompte lorsque
existe unchamp magn6- tique [5].
L’ensemble de ces resultats nous incite donc a conserver, dans la suite du
travail, l’hypothèse
for-mul6e,
relative a la structure de1’emission,
sans que pour autant nouspretendions
avoir determine avecprecision
lespectre
d’emission des electrons.4.
gtude
dusyst6me
diode enpresence
d’un gaz eten l’absence d’un
champ magndtique.
- 4.1. GENE- RALITÉS. - Lapresence
du gaz se manifeste de deuxfacons :
: d’une part, au sein du milieu gazeux, lesatomes freinent les electrons dans leur mouvement
acquis
sous 1’action duchamp electrique applique ;
d’autre
part,
auvoisinage
de laparoi,
les electronspeuvent 6tre
renvoy6s,
parcollision,
vers celle-ci ouils sont absorb6s ou r6fl6chis.
L’6tude des processus de collision électron-atome a fait
l’objet
de nombreux travaux[6-13].
Les collisionspeuvent
6tre d6crites assezsimplement
dans le casde 1’helium et notre choix s’est donc
port6
sur ce gaz.Les resultats concernant l’hélium se trouvent illustr6s
figure
6. La vitesse moyenne Vdprise,
dans un milieuFIG. 6. - Vitesse moyenne vd atteinte par les electrons
sous l’action d’un
champ electrique
enatmosphere
d’helium
(milieu infini).
uniforme,
par les electrons dans la direction duchamp electrique E,
estport6e
en fonction durapport Elp,
ou
p est
lapression
du gaz.Le retour d’61ectrons vers la
paroi
est encoreappele
« rétrodiffusion », car les electrons
apparaissent,
vusde la
paroi,
comme diffuses par le gaz. Les conclusions relatives a 1’6tude de cephénomène
ont 6t6 donneesen
[1]
ou l’on trouvera par ailleurs lesprincipales
references
bibliographiques
traitant de laquestion.
Ajoutons qu’une
etude de ce memeprobleme
a 6t6faite
depuis
a l’aide d’une simulationlagrangienne [18].
Rappelons
quel’interpr6tation
donnee parJ. J.
Thomson de cephénomène
permet de calculer lerapport
du courant collect6 par l’anode au courant6mis par la cathode suivant
1’expression :
ou c est
la;
vitessed’agitation
moyenne auvoisinage
de la
paroi.
D’autres auteurs[14] parviennent
a uneformule un peu diff6rente :
La m6thode que nous
employons
pourinterpreter
la rétrodiffusion est voisine de celle de
Thomson,
mais elle tient
compte
de la variation de la densite6lectronique
n suivant la normale Oz a laparoi
etde la
possibilite
de reflexion des electrons sur laparoi.
Le
systeme
desequations
detransport
de laquantite
de mouvement et de
1’energie permet
de calculer la densiteelectronique np
auvoisinage
de laparoi
et dedeterminer ensuite le rapport
J/Je.
4.2. CALCUL DE
np.
- Assimilons laparoi
emissivea un
plan
et supposons lechamp electrique
uniformeet
perpendiculaire
a laparoi
et le gaz isotherme a latemperature Tg. Supposons
en outrequ’au
loin dela cathode
(z
=oo )
le milieu(gaz
neutre etelectrons)
est uniforme. La densite
6lectronique
y est not6e n,,,et la vitesse moyenne v des electrons dans la direc- tion Oz est alors vd. En
pratique,
si lapression
du gaz estsuffisante,
ces conditions sont atteintes dans1’espace
interélectrodes.En tenant
compte
de ceshypotheses
et ensupposant
lafrequence
de collision v constante,1’equation
detransport
de laquantite
de mouvement relative auxelectrons,
6crite comme en[15], prend
la formesimplifiee :
ou u est la mobilite des electrons
u
=e/mv)
et T latemperature cinetique
des electrons.Dans ces memes
conditions,
la conservation de1’6nergie
d’un electron de masse m se traduit par1’6quation :
dans
laquelle w est
la vitesse de 1’61ectron et 8U laquantite d’6nergie 6chang6e
au cours des collisions électron-atome sur letrajet
dz. Cetteenergie
a 6t66valu6e dans un certain nombre de cas
particuliers :
- atome neutre au repos avant la collision
[15],
,- evaluation
approximative
tenantcompte
de la vitesse initiale des atomes[16],
- electrons et atomes maxwelliens
[17].
Nous avons finalement
adopt6,
pour1’energie
moyenne
echangee
parcollision, 1’expression :
correspondant
au calcul effectu6 en[16].
M est lamasse de 1’atome neutre,
Tg
latemperature
du gazet k la constante de Boltzmann.
L’6quation
de trans-port
de1’energie
s’écrit donc finalement :De
plus,
par definition :En éliminant ventre les
6quations (6)
et(7),
nouspouvons écrire :
et en tenant
compte
de(3),
nous obtenons une6qua-
tion relative a la
temperature :
qui s’6crit,
en posant :Cette derni6re
equation
ne se resout pas exactement, mais onpeut
tracer le reseau de ses solutions pour6gfA
donne
(fig. 7).
La courbecorrespondant
a la solution duprobl6me physique
doit passer parl’origine, point
FIG. 7. - Reseau des courbes solutions de
1’equation (10).
repr6sentatif
des conditions au loin de laparoi.
Orles courbes
apparaissent r6parties
en deux nappes dont laseparatrice
passe par 0. Cettes6paratrice
estdonc la solution cherchee. En 6crivant
1’equation
decette courbe sous la forme :
la densite
6lectronique
a laparoi
s’6crit :439
FIG. 8. - Resultats
expérimentaux
pour différentespressions
d’helium(B
=0).
4.3. CALCUL DU COURANT COLLECTE. - Nous SUp- posons, comme
J. J. Thomson,
que le courant retro-diffus6
peut
s’ecrire :mais
qu’il
est deplus
r6fl6chi enpartie
par la cathode.Si r est un coefficient de reflexion moyen pour 1’en- semble des electrons
rétrodiffusés,
laparoi
ne r6absorbequ’un
courant :et finalement le courant
net Jest
donne par :Cette
expression
recouvre aussi bien la formule(1) qui correspond
a r = 0 et h = 0 que la formule(2) (r
=0, h
=1/3). L’approximation
de Thomson re-vient a assimiler sur la
figure
7 las6paratrice
a laseconde bissectrice.
4.4. RESULTATS EXPERIMENTAUX. -
L’analyse
des. resultats
expérimentaux
montrequ’il
est n6cessairede tenir
compte
d’un coefficient de reflexion r. Encomparant ces resultats aux courbes calcul6es pour des electrons 6mis avec une
energie
moyenne de0,3 eV,
le coefficient r se trouve 8tre de l’ordre de
0,7 (fig. 8).
Ainsi
qu’il
a eterappel6
en[1],
ce resultat n’est pasincompatible
avec les resultats ant6rieurscompte
tenu de la faibleenergie
des electrons et de lapossibilite
d’une
adsorption d’oxygène
par la cathode.D’autre
part,
aucune influence de la reflexion n’a eteremarqu6e
au cours desexperiences
effectu6esdans le vide. Une reflexion non
sp6culaire
devraitperturber
les resultats enpresence
dechamp magn6- tique.
Ceci nous invite a consid6rer pour la suite de 1’6tude que la reflexion estsp6culaire.
5.
gtude
dusysteme
diode enpresence
d’un gaz et d’unchamp magnétique.
- Examinons maintenant l’influence simultan6e d’unchamp magnetique
Bparallele
a laparoi
et d’uneatmosphere
d’h6liumpresente
dans 1’enceinteexperimentale. Jusqu’a
unedistance de la
paroi
de l’ordre du libre parcoursélectron-atome,
le comportement des electronspeut
6tre d6crit par une etude
cin6tique
destrajectoires électroniques.
Au sein du gaz, lesequations
detransport macroscopiques permettent
de d6crire lesph6nom6nes qui
sedeveloppent
dans ce milieucontinu,
milieu
qui
devient uniforme a une distance suffisante de laparoi.
Au
voisinage
de lacathode,
lestrajectoires
deselectrons sont modifi6es par la
presence
duchamp magn6tique.
Certainspeuvent
revenir sur laparoi
sans avoir subi de collisions. Le courant
émis Je
separtage
donc enJ, (electrons
subissant unecollision)
et
J2 (electrons
revenant sur laparoi
sans subir de colli-sion).
Lesrapports I1/fe et J2/ Je
seront determines parune etude de
trajectoire.
Le gaz ne voitplus
arriver uncourant
Je
mais un courantJo = J1 + J1 + Jl’
...(fig. 9).
FIG. 9. - Schema pour 1’evaluation du courant
Jo :
5.1. CALCUL DU RAPPORT
JO/ J e.
- Si nous sup-posons que le coefficient r est
indépendant
de ladirection d’incidence et que la reflexion est
speculaire,
nous pouvons écrire :
et :
Donc le courant
Jo
s’ecrit :et finalement :
5.2. CALCUL
DE np.
- Lesequations
detransport
utilis6espr6c6demment
sont modifi6es enpresence
dechamp magnetique.
Elles s’6crivent :avec
Ces
equations apparaissent
formellementidentiques
aux
equations (6)
et(3)
si l’onremplace
dans celles-ciu par u
2,
J
parJz
et v par vz. Eneffet,
enu
1 + p (32’ ] par Jz
et v par vz. Eneffet, en
presence
d’unchamp B,
la vitesse moyenne des electrons et la densite de courantacqui6rent
unecomposante parall6le
a laparoi.
Les
equations (20)
et(21)
peuvent 6tre trait6escomme le
systeme (6) -(3) .
En posant cette fois :et :
La densite
6lectronique pari6tale
s’6crit encore :5.3. CALCUL DU COURANT COLLECTE. - En tenant
compte
de ce que :le
rapport
ducourant Jz
collect6 par l’anode aucourant
io
requ par le gazpeut
s’6crire apresent :
Les
equations (19)
et(23) permettent
donc de calculer le rapportJz/Je.
5.4. CALCUL DU RAPPORT
J2lJe.
- Le calcul dece
rapport
est effectue ensupposant
le libre parcours électron-atome X constant et enexprimant
laproba-
bilit6 pour
qu’un
electron ne subisse pas de collisionsur une
trajectoire
delongueur s par e-I
Dans un
angle
solide élémentairedonne,
le nombred’électrons 6mis avec une vitesse donnee r6sulte de la loi de
r6partition
choisie auparagraphe
3. Le calcul de lalongueur s
detrajectoire, puis
de e-s/Àpermet
de connaitre laproportion
d’61ectronsqui
revient surla cathode sans subir de collision. Une
integration
6tendue a tout le
demi-espace z
> 0 et a 1’ensemble des vitessespermet
de connaitre lerapport J 2/ J e.
Ledetail du calcul
numerique
est donne en[5].
5.5. RESULTATS EXPERIMENTAUX. - Nous avons
represente figure
10 les resultatsexpérimentaux
obte-nus pour differentes valeurs du
champ magnetiquc
etde la
pression
d’hélium. Ces resultats sontcompares
a ceux
qu’a
pu fournir le calcul mene comme il vient d’6tre dit. Pour effectuer cecalcul,
toutes leshypo-
th6ses ant6rieures ont ete
conserv6es,
enparticulier
la valeur
prise
pour r a ete de0,7
defaçon
a resteren coherence avec les resultats obtenus en l’absence de
champ magn6tique
ou en k’absence d’h6lium. La confrontation des resultatsexperimentaux
et des resul-tats du calcul semble satisfaisante.
441
FiG. 10. -
Caractéristiques
calcul6es(trait plein) comparees
auxcaracteristiques
releveesexpérimentalement (trait interrompu).
6. Conclusion. - Le bon accord constate entre les resultats
expérimentaux
et les courbes calcul6es permet de penser que la methode de calcul utilis6e convient bien a1’interpretation
deph6nom6nes
dutype
consid6r6.Rappelons
que cette m6thode consiste essentiellement adistinguer
deux domaines dans1’espace
au droit dela
paroi.
Dans l’un 1’6tude destrajectoires,
dans 1’autrela resolution
d’6quations macroscopiques permettent, apres raccordement,
de traiter leprobl6me.
La meme m6thode devrait 6tre
appliquee
avecsucc6s au cas d’un gaz ionis6 en tenant
compte
ducourant
ionique
dans1’expression
du bilan de courant.Par
ailleurs,
lapresente
etudesouligne
la necessite de ne pasnegliger
la reflexion des electrons lents surla
paroi
emissive et l’int6r6tqu’il
y aurait a connaitre de maniereplus precise
lespropri6t6s
réfléchissantes desparois m6talliques
en fonction de1’energie
deselectrons dans le domaine
envisage,
de1’epaisseur
dela couche mince et de la
presence plus
ou moinsgrande
de gaz adsorb6 dans cette couchem6tallique.
Remerciements. -
Je
tiens à remercier ici M. le Professeur Delcroixqui
m’aguide
dans cetravail,
M. P. Ricateau du C.E.A. pour d’enrichissantes dis- cussions et de tres fructueux conseils et M. le Professeur Vernier pour 1’aide
qu’il
m’aapport6e
dans lapr6- paration
desexperiences.
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