Sur la formation de l'arc électrique dans le vide

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Submitted on 1 Jan 1963

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Sur la formation de l’arc électrique dans le vide

M. Goldman, A. Goldman

To cite this version:

M. Goldman, A. Goldman. Sur la formation de l’arc électrique dans le vide. Journal de Physique,

1963, 24 (5), pp.303-306. �10.1051/jphys:01963002405030300�. �jpa-00205471�

303.

SUR LA FORMATION DE L’ARC ÉLECTRIQUE DANS LE VIDE

Par M. GOLDMAN et A. GOLDMAN,

Laboratoire de Synthèse Atomique ^et d’Optique Protonique, Ivry (Seine).

Résumé.

L’étude des rayons X émis lors d’une décharge dans le vide et des caractéristiques électriques qui ^lui correspondent permettent, ^d’une part, de confirmer que, dans le type ^de décharge étudié, ^{l’arc est} engendré essentiellement par ^une vapeur anodique, et, ^d’autre part, ^de représenter

les phénomènes observés par ^un schéma mathématique simplifié.

Abstract.

The study ^of X-rays ^emitted during ^{a vacuum} discharge and of the corresponding

electric characteristics allow, first, to confirm that, ^{for the} conditions studied, ^{the arc is essen-}

tially produced ^{by a vapour issuing} from the anode and, secondly, ^to give ^a mathematical form for the observed phenomena.

PHYSIQUE 24, 1963,

Une des applications ^{de la} décharge disruptive

dans le vide est la production d’éclairs intenses de rayons X (1). Inversement, l’étude de l’émission de ces rayons X peut permettre d’acquérir ^une

meilleure connaissance de l’amorçage ^{de l’arc} électrique ^{dans le vide.}

Un schéma deiprincipe ^{des tubes de} radiographie

instantanée est représenté ^{sur la} figure ^{1a. Les.}

impulsions électriques qui engendrent les éclairs de rayons X ^sont fournies par la décharge ^d’un sys- tème capacitif, chargé ^au préalable à la tension dis-

ruptive ^du tube (fig. 1b). ^{L’onde de} décharge peut

être apériodique ^ou oscillante (fig. 5) ; ^{dans cer-}

taines conditions, l’onde oscillante peut ^donner

naissance à quelques éclairs successifs de rayons X.

FIG. 1a.

En pratique, ^{deux sortes de tubes sont utilisés :}

Les tubes scellés dans lesquels ^la pression ^est généralement de l’ordre de 10-7 à 10-9 mmHg ;

les tubes à vide entretenu ^dans lesquels ^{on main-}

tient une.,pression ^{de 10-6 à 10-6} mmHg.

l’ (i) ^Une importante bibliographie ^{sur la} production ^et

l’utilisation des éclairs de rayons X ^{a été} publiée par W. Schaafis dans Ergebnisse ^der Exakten ’Naturwissen-

scha f ten, ^vol. 28, Springer-Verlag (Berlin, 1955) ; ^{voir aussi}

les comptes rendus des congrès ^de photographie ^{et cinéma-} tographie ultra-rapides.

FIG. 1 b.

I. Phénomènes relatifs à la décharge.

^ÉRO-

SION DES ÉLECTRODES. ^- Qu’il ^{soit scellé ou à}

vide entretenu, ^{un tube neuf ne} fournit des éclairs intenses et réguliers qu’après ^une période ^{dite de}

formation (une vingtaine d’éclairs). ^Le dégazage

n’est probablement ^{pas seul en cause car, si on}

laisse entrer de l’air dans un tube à vide entretenu

déjà formé, ^il suffit de réduire la pression ^{à une}

valeur convenable pour que le tube se comporte

normalement dès les premiers éclairs. Un autre

phénomène peut ^{être mis en cause : l’état de sur-}

face de l’anode sur laquelle ^on peut ^{constater une}

érosion superficielle après ^{un certain nombre}

d’éclairs (fig. 2, p. 304). ^Les micropointes, ^formées

par les décharges qui ^ont précédé, augmentent ^le champ ^{à leur} voisinage ^et les électrons viennent s’y

concentrer.’ L’anode ^{se trouve} échauffée localement et une volatilisation superficielle peut ^se produire.

Même après quelques microdécharges [1], ^nous

avons observé un dépôt ^{du matériau} anodique ^sur

la cathode. Par contre, ^{l’érosion de} la cathode était

faible ; cependant, ^avec des cathodes oxydables

dans des tubes à vide entretenu, nous avons pu

déceler, ^sur l’anode, ^{des traces} d’oxydes _provenant

de la cathode.

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphys:01963002405030300

304

FIG. 2.

Macrophotographie latérale d’une pointe ^ano- dique ^en tungstène après 150 éclairs.

SURFACE D’ÉMISSION DES RAYONS X.

NOUS

avons analysé la surface émissive des rayons X par

une technique ^très simple qui ^{donne des} images ^du foyer d’émission des rayons X : l’autoradiographie.

En prenant ^des autoradiographies d’une série d’éclairs semblables avec des écrans de plus ^en plus épais, ^on élimine, ^dans chaque cas, les rayons les plus ^mous [2] ^{et l’on} peut suivre ainsi l’évolu- tion de la surface émissive pendant ^une décharge.

En utilisant des écrans d’épaisseur décroissante à

partir ^{de la valeur} pour laquelle ^{tout le} rayonne- ment est pratiquement absorbé, nous avons obtenu des images ^{focales de} plus ^en plus grandes. Puisque

la tension aux bornes du tube décroit après ^un

maximum d’amplitude ^{vers le début de la} décharge (fig. 5), nous avons ainsi établi que les électrons sont très concentrés au début de la décharge ^et que leur surface. d’impact augmente ensuite, ^vraisem-

blablement par eif et de charge d’espace.

Effectivement, après ^un grand ^nombre d’éclairs,

l’anode présente ^un étranglement caractéristique (fig. 2) produit, décharge après décharge, par

l’impact ^des électrons, probablement ^{de ceux} qui atteignent ^l’anode lorsque le courant parvient ^{à son} amplitude ^maximum (fig. 5).

Cependant, nous avons obtenu des images plus grandes que la surface d’émission, projetée ^{sur un} plan ^{normal à l’axe du} tube, ^en opérant ^{sans écran}

ou avec écrans peu épais ^et plus spécialement ^avec

des anodes en forme d’aiguille pour ^{mettre le} phé-

nomène plus facilement en évidence. Il peut ^être

attribué à deux causes : la dilatation de l’anode ou

la _vapeur métallique ^condensée qui ^l’entoure.

RETARD A L’AMORÇAGE ^{ET DURÉE DE LA}

DÉCHARGE.

W. P. Dyke ^et J. K. Trolan [3], [4], [5] ^ont montré, entre autres choses, ^{sur des tubes}

à vide très poussé, que l’intensité du courant est le facteur primordial ^pour l’amorçage ^{de la} décharge

et que ^le retard à l’amorçage (intervalle ^de temps qui ^{s’écoule entre} l’application de la tension et le début de la décharge) ^{est une fonction} décroissante de ce courant.

En ce qui ^{concerne la durée de la} décharge, ^elle

est une fonction décroissante de la tension appli- quée ^{au tube} [6]. ^De plus, ^elle augmente ^{avec la dis-}

tance interélectrode (fige 3), ^{toutes choses restant} égales par ailleurs, ^notamment la tension appli- quée Uo.

FIG. 3.

Variation de la durée de la décharge (700 kV,

1 050 J) ^en fonction de la distance interélectrode.

Si l’on rapporte la durée de la décharge autemps

de propagation ^{de la} vapeur anodique jusqu’à ^la cathode, ^un calcul élémentaire montre, qu’en champ ^{uniforme et en} l’absence de charge d’espace,

elle varie linéairement avec la distance interélec- trode d :

Dans cette relation : e et m représentent ^la charge ^{et la masse d’un} paquet ^d’atomes anodiques portant ^une charge élémentaire (le ^{taux d’ionisa-}

tion de la vapeur anodique pourrait ^{être au} plus ^de 1 0/00 ^{avec une anode en} tungstène portée ^à

300 kV), vo ^est la vitesse initiale de ces ions, sup-

posée parallèle ^à l’axe du tube.

ROLE DE L’ÉLECTRODE D’AMORçAGE. ^{--- LeS}

tubes de radiographie instantanée sont utilisés,

notamment jusqu’à ^{300 ou 400} kV, ^{avec une élec-}

trode d’amorçage (fig. 1a). ^La décharge primaire,

que l’on produit ^entre la cathode et cette électrode

sur laquelle ^on applique ^une impulsion ^de tension,

fournit un jet d’électrons initial, ^{mais on} constate

que l’amorçage par électrode auxiliaire entraîne

une légère diminution du pouvoir ^de pénétration qui pourrait être due à une neutralisation limitée de la charge d’espace par ^une vapeur cathodique,

entraînant une faible chute de potentiel ^{aux bornes}

du tube.

Il est à noter que les ions positifs ^{venant de la}

cathode pourraient difficilement être à la base du mécanisme principal ^de l’amorçage. ^En effet, ^cette hypothèse ^ne serait pas compatible ^{avec les résul-}

tats suivants : la durée de la décharge ^diminue quand ^{on fait croître la tension} appliquée, ^{et le} champ disruptif ^diminue quand ^on augmente ^la

distance interélectrode [7], [8], alors que les ions de la vapeur cathodique ^{ont à remonter un} potentiel

de plus ^en plus grand.

Par contre, ^{il n’est} pas impossible que l’arc soit formé par la combinaison d’une vapeur cathodique

et d’une vapeur anodique, la dernière jouant ^un

rôle prépondérant.

II. Interprétation ^des phénomènes.

D’après

ce qui précède, ^on peut donc penser que les aspé- rités ^{de la} pointe anodique peuvent ^être volatilisées par ^{un .courant} initial très faible, par des pré- décharges, par des particules métalliques ^arrachées

de la cathode par le mécanisme de L. Cranberg [9], [10] ^{ou bien encore} par superposition ^{de ces trois}

processus. Par suite de ^sa température élevée, ^{de sa} grande ^vitesse initiale, ^{des chocs} électroniques ^{et du} champ intensé, ^une partie ^{de cette} vapeur anodique

serait ionisée, puis attirée par la cathode (fig. 4).

Nous assimilerons cette vapeur à ^une colonne où la charge d’espâèe ^est neutralisée, ^ce qui peut

entraîner une augmentation ^du champ ^interélec-

trode [11]. ^En progressant ^{vers la} cathode, ^{le front}

de la vapeur réduit la région ^de charge d’espace.

Lorsqu’il parvient ^{à la} cathode, ^l’arc électrique ^est

formé et la tension ^aux bornes du tube est très faible : celui-ci se comporte ^{alors comme un tube à}

gaz.

Dans une note précédente [12], nous avons déter- miné les fonctions caractéristiques ^{de la} décharge

en assimilant le tube à une diode cylindrique ^de

rayon anodique ^{ra et} de rayon cathodique ^rc.

La densité maximum du courant est de la forme :

FIG. 4. - Décharge photographiée par la fenêtre ter- minant le tube à son extrémité cathodique. ,

mais, si l’on admet que la vapeur anodique ^réduit progressivement l’intervalle interélectrode en pro- gressant ^vers la cathode à une vitesse moyenne

v [13], [14.], [15], la relation (2) peut ^{s’écrire :}

On a aussi :

puisque ^le courant est fourni _par la décharge ^d’un

condensateur de capacité ^C ( fig. 1 b) chargé ^initia-

lement à la tension Uo ; S désigne ^la surface émis- sive de la cathode.

L’élimination de j ^{entre les relations} (3) ^et (4) permet ^de déterminer successivement les expres- sions de la tension et du courant caractéristiques ^de l’arc électrique pendant ^{sa formation} (fig. 5a).

,x, t’, t", ^{m et n étant des} paramètres indépendants

du temps.

On _remarque, ^sur les courbes de la figure 5a, que :

i initial # ^{0. Cette anomalie} peut ^{être attribuée}

306

FIG. 5.

Variations de la tension et du courant de décharge ^{au cours} d’un éclair de rayons X.

a) ^Courbes théoriques.

, ,

b) ^Courbes expérimentales (après ^la première alternance, le tube se comporte ^{comme un tube à} gaz ^en

régime oscillant ; le déphasage ^{entre u} et a n’est grand que dans la première alternance). ^{A droite de la} figure, lire log ^{t au lieu de t.}

au fait que, dans ^nos calculs, nous avons négligé

l’inductance du circuit. De plus, ^on peut supposer

[16] que la surface émissive de la cathode augmente

avec le temps ^{au début de} chaque décharge ; ^en effet, ^{si l’on} pose S ⁼ st, s ^{étant un} coefficient

constant de proportionnalité, ^{on trouve} des expres- sions plus compliquées pour ^u et i, mais des résul- tats plus satisfaisants pour le début de la décharge.

Manuscrit reçu le 28 février 1963.

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