HAL Id: jpa-00241826
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Submitted on 1 Jan 1913
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Recherches sur l’ionisation par les rayons X
F. Lebeau
To cite this version:
F. Lebeau. Recherches sur l’ionisation par les rayons X. J. Phys. Theor. Appl., 1913, 3 (1), pp.111-123.
�10.1051/jphystap:019130030011101�. �jpa-00241826�
111
Car les termes
sont nuls ou négligeables si la durée du vol T est assez longue.
Une fois la trajectoire déterminée comme il a été dit plus haut,
tous les termes de l’inégalité (8) sont pratiquement calculables;
donc, quel que soit le vent, on peut vérifier s’il permet ou non le vol
à la voile.
Remarquant que l’avant-dernier terme de (8) (pertes dans les vi- rages) et surtout le dernier (pertes dues à l’accélération verticale de
l’oiseau) sont relativement petits, si la trajectoire a été bien choisie,
on peut dire que, en l’absence d’un vent vertical :
Le vol cc la voile est possible dès que la de l’accélération totale du vent atteint 30 à 50 centi1nètres par sec.-sec.
RECHERCHES SUR L’IONISATION PAR LES RAYONSX;
Par M. F. LEBEAU.
Des recherches expérimentales récentes ont mis en évidence les
fluctuations des rayons y. Edgar Meyer(’) a montré que le courant
produit dans une chambre d’ionisation par un faisceau de rayons y émis par une source punctiforme de radium varie irrégulièrement au
cours du temps autour d’une certaine valeur moyenne. De l’étude des variations de la fluctuation moyenne en fonction de l’angle solide
du faisceau utilisé, on peut déduire des conclusions importantes sur
la structure des rayons y. Ces recherches fournissent également des renseignements sur le mécanisme même de l’ionisation par ces rayons.
’
Il était intéressant d’essayer, en utilisant des rayons X, d’obtenir
des fluctuations provenant de variations dans le nombre de molécules ionisées par un faisceau d’intensité constante. Dans ce but, 1B1. Lan- (1) Edgard MEYER, Sil;:;unfJsbeJ’ichte der l3ec°l. Akad. d. 32, 1910 ; Ph!Jsik.
ZeitschJ’ift, janvier 1912; Annalen cleo Physik., 3 i, 1912.
Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphystap:019130030011101
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gevin m’a indiqué la méthode suivante. Il est possible, comme l’a
montré M. Langevin dans sa Thèse, de produire, en se plaçant dans
des conditions convenables, des décharges d’une bobine d’induction
identiques les unes aux autres. Le faisceau de rayons X produit par le passage d’une seule de ces décharges dans un tube de Rôntgen ’
libère toujours, dans une chambre d’ionisation donnée, une même quantité d’électricité. En diminuant suffisamment le nombre d’ions
produit par une de ces décharges, on peut espérer pouvoir mettre en
évidence des fluctuations dans ce nombre d’ions autour d’une valeur moyenne. Mais, pour déceler ces petits écarts autour de la moyenne, il sera nécessaire de multiplier le nombre de ces ions initiaux par un
dispositif d’ionisation par choc, comme celui employé pour la pre- mière fois par Rutherford pour les rayons «,.
Dispositif expérimental. - Pour avoir des décharges isolées se répétant identiques à elles-mêmes, il faut réaliser les conditions in-
diquées par M. Langevin : supprimer aussi complètement que pos- sible l’étincelle de rupture du circuit primaire de la bobine en fai- sant une rupture extrêmement brusque ; on a intérêt, dans ce but, à disposer aux bornes de l’interrupteur une forte capacité; un tube
doux donne des décharges plus régulières qu’un tube dur. J’ai utilisé
un interrupteur industriel à couteaux dont les ressorts très puissants
. Fi&.l.
donnaient, quand on les manoeuvrait rapidement, uue rupture très
brusque. La capacité du condensateur que j’ai employé était de Il
microfarads. Le courant dans la bobine a varié, suivant les expé- riences, entre 10 et 1. 7 ampères. Dans ces conditions, je n’ai pu ar-
. river à supprimer complètement l’étincelle de rupture. Aussi les dé- charges obtenues n’étaient pas rigoureusement identiques. Elles
variaient cependant assez peu, comme le montrent les mesures
reproduites plus loin.
113
La chambre d’ionisation est représentée schématiquement fig. 1.
Elle est cylindrique, en laiton. Elle présente trois ouvertures A, B,
C qui peuvent être bouchées par des lames d’aluminium de 1 mm,5
d’épaisseur. La partie supérieure est constituée par un couvercle qui
, FIG. 2.
’
peut être retiré et qui porte la cloche de garde F et le plateau D
isolé à l’aide d’un morceau d’ambre Il. Un bouchon d’ébonite E,
de 5 centimètres de diamètre extérieur, isole le corps de la cage dè la cloche de garde. On pouvait faire varier la distance du pla-
teau isolé à la paroi inférieure de la boîte ; ce plateau était en
laiton et avait 8 centimètres de diamètre. Le tube G permettait
de relier la boîte à une pompe Moulin qui servait à faire le vide.
Les deux électrodes de la chambre d’ionisation étaient l’une le
plateau isolé D relié à l’électromètre, l’autre le corps de la boîte.
Les distances entre la cage et la cloche de garde étaient telles que la décharge disruptive ne pouvait y éclater avant d’éclater dans l’es- pace compris entre D et G. Les fenêtres d’aluminium A et B ser-
vaient pour l’entrée du faisceau des rayons X quand ce faisceau
était envoyé parallèlement au plan des électrodes. La fenêtre C per- mettait d’envoyer le faisceau normalement aux électrodes.
Le montage électrostatique était fait avec les précautions habi-
tuelles. L’électromètre E ~), du type àloulin, avait une sensibi-
lité de i13 centimètres par volt ; son aiguille était portée à 88 volts
à l’aide de la batterie B~. Pour les mesures de charges, il était utilisé
comme balistique, afin d’augmenter la rapidité des mesures : je li-
114
sais, non pas la déviation permanente, mais la première élongation. Un
coefficient d’influence Moulin-Beaudouin C, de 30 unités ES, pouvait
être réuni au quadrant isolé ; il permettait de mesurer approxima- tivement, à l’aide du potentiomètre P, la sensibilité aux charges.
Cette sensibilité était d’environ 190 millimètres (première élongation),
pour 0,1 unité ES. -
Le tube à rayons X était placé dans une boîte en plomb réunie au
sol. Une ouverture permettait le passage des rayons; à l’aide de
diaphragmes en plomb convenables, je pouvais délimiter un faisceau
de rayons.
Régularité des décharges. - Pour m’assurer de la régularité des décharges, j’envoyais le faisceau de rayons X produit par une
décharge, soit latéralement, soit normalement, dans la chambre d’ionisation remplie d’air à la pression atmosphérique ; je mesurais
la charge recueillie sur le plateau isolé en établissant entre les élec- trodes un champ suffisant pour qu’il y ait saturation. Afin d’avoir
une mesure précise de l’irrégularité des décharges, j’opérais ainsi : je faisais une série de n décharges et notais les n déviations de l’élec- tromètre. Je calculais la moyenne N et les écarts 5 des déviations individuelles avec la moyenne; la valeur de c - iÔ2
me donnait
n
une mesure de l’irrégularité des décharges ; si la régularité du tube
ne varie pas, la valeur 6 _-__ Ñ ne doit pas varier quand les mesures
sont faites à la pression atmosphérique. La régularité des dé- charges a été vérifiée fréquemment. Elle varie avec l’état du tube,
état qui se modifie légèrement après un grand nombre de décharges,
surtout quand le tube a été vidé récemment. Au début de mes
expériences, la valeur N était meilleure qu’à la fin; elle variait de
,
,
0, 03 à 0, 04. Voici comme exemple une série de dix mesures ; les
déviations sont mesurées en millimètres de l’échelle :
115 Ces mesures correspondent à un tube mou. A la fin de mes expé- riences j’ai utilisé un tube plus dur ; la régularité était moins
grande : § 1 variait entre 0, 10 et 0, 1~. Voici une série de mesures :
Détail des expériences. - Ayant obtenu des décharges suffisam-
ment régulières, j’ai entrepris les mesures à basse pression en me plaçant dans les conditions utilisant l’ionisation par choc. Voulant avoir une ionisation initiale faible, l’ionisation étant proportionnelle
à la pression, je me suis placé à des pressions inférieures à 2 milli- mètres de mercure.
J’ai envoyé successivement les rayons X latéralement et normale- ment. Dans le cas de l’envoi latéral, j’ai fait une série d’expériences
en essayant d’éviter, autant que possible, à l’aide de diaphragmes convenables, l’action des rayons X sur les parois métalliques autres
que les faces d’entrée et de sortie. Dans une deuxième série, le fais-
ceau des rayons X frappait tangentiellement soit la paroi inférieure
de la chambre d’ionisation, soit le plateau supérieur qui constituait l’électrode isolée. Le premier dispositif avait pour but d’éviter autant que possible l’émission de rayons cathodiques secondaires, et devoir
ainsi ce qui se passait dans l’action directe des rayons sur le gaz.
1. - LE FAISCEAU DES RAYONS ARRIVE LATÉRALEMENT. - A.
rayons ne frappent pas les électrodes. - J’ai constaté, en opé-
rant à diverses pressions et avec des champs variés, suffisants pour
produire l’ionisation par choc, que les mesures restaient à peu près
aussi régulières qu’à la pression atmosphérique. Il semble cependant
que, pour de fortes multiplications, c’est-à-dire pour un nombre d’ions initiaux faibles, la régularité est un peu moins grande qu’à la pression atmosphérique. On ne peut néanmoins conclure à la cons-
tatation dans ce cas de fluctuations dans l’ionisation du gaz par les rayons : car la différence entre les valeurs de 1 § est faible; et l’on n’a
116
pas la certitude absolue qu’il n’y ait pas production de rayons catho-
diques secondaires : les fenêtres d’aluminium par où pénètrent et
sortent les rayons peuvent en effet en émettre. Voici un exemple
d’une série de mesures de ce genre. La distance d du plateau isolé
à la paroi inférieure de la boîte d’ionisation était de 2 centimètres.
La pression p était de 0°°’~,97, la différence de potentiel V entre la
boîte et le plateau isolé de 440 volts.
à la pression atmosphérique §f N= 0,04.
Etant donnée la bonne régularité de ces mesures, j’ai pu vérifier,
dans ses grandes lignes, pour le cas particulier dont je m’occupais,
la théorie de l’ionisation par choc donnée par Townsend (1). J’ai pu, à
pression constante, dresser une courbe de la charge recueillie sur le
plateau isolé en fonction du champ pour différentes distances des électrodes. J’ai pu également obtenir, pour différentes valeurs de la différence de potentiel, supérieures ou inférieures au potentiel dis- ruptif minimum, la variation de la charge recueillie en fonction de la
pression, à champ constant. Les courbes obtenues ont l’allure clas-
sique des courbes deioxvnsend. On peut en déduire de façon appro- chée les coefficients x et ~ définis par Townsend comme le nombre d’ions produits par choc par un ion négatif ou positif par centi- mètre de parcours. Pour cela il faut supposer une ionisation uni- forme dans une couche limitée par des plans parallèles au plan des
électrodes et il faut également supposer un champ uniforme dans
l’espace entre les électrodes. Cette dernière condition n’étant pas réalisée par suite de l’absence d’un anneau de garde dans le plan
même de l’électrode’isolée, les coefficients x et ainsi déterminés
(1) Pitilosophical tome 1, ~901 : tome III, 1902 ; tome V, 1903.
117 ne peuvent être exacts et égaux à ceux trouvés par Townsend. C’est bien ce que j’ai constaté; les valeurs obtenues sont cependant de
l’ordre de grandeur voulue. Le coefficient ~ était plus petit que celui de Toywnsend. D’accord avec ce résultat, j’ai vérifié au cours
des expériences que le potentiel disruptif dans mon appareil était
un peu supérieur au potentiel disruptif entre plateaux parallèles, le champ étant constant dans l’intervalle.
B. Les rayons frappent les électrodes. - Lorsque les rayons X
frappent les électrodes, j’ai pu, au contraire, constater des fluctua- tions importantes. La valeur absolue de ces fluctuations augmente quand la multiplication par choc est augmentée; leur valeur relative
croît également dans ces conditions. Voici un exemple d’une série de
mesures : ,
J’ai constaté que lorsque, à pression constante, je faisais croître
le champ, c’est-à-dire lorsque j’augmentais la multiplication, l’im- portance des écarts augmentait. Après avoir calculé le fi de chaque
série de mesures, je retranchais de ce carré moyen le carré moyen Q
des écarts que donnait le tube à la pression atmosphérique. J’obte-
nais ainsi le carré moyen des écarts corrigé TT.
Je prenais alors la valeur de la fluctuation
118
Voici une série de résultats : N représente la moyenne de vingt mesures . F. représente la fluctuation moyenne calculée comme il est
indiqué plus haut. V est le potentiel de charge des électrodes en
volts.
J’ai obtenu des résultats analogues dans les conditions suivantes.- à une pression très voisine de la pression critique et pour une différence de potentiel voisine de la différence de potentiel disrup- tive, une faible variation de pression peut provoquer une variation
très notable dans le coefficient de multiplication de l’ionisation par choc. L’appareil présentant une très légère fuite, la pression a va-
rié en deux heures environ de Om~’,00~ ; j’ai fait une série de mesures
toutes les demi-heures. Le potentiel était resté constant et égal à
387 volts.
. Je n’ai pu rechercher systématiquement de façon précise comment
variait la fluctuation i en fonction de la grandeur de la surface mé-
tallique sur laquelle agissaient les rayons. En effet, cette surface dépend entre autres variables de l’obliquité des rayons par rapport
au plan de l’électrode ~ il était pratiquement impossible de la déter-
miner avec précision dans le dispositif employé.
J’ai cependant constaté que, à mesure que je diminuais l’angle so-
lide utilisé du faisceau de rayons, et l’intensité de ce faisceau et que par conséquent j’augmentais la multiplication par l’ionisation par
choc, la fluctuation augmentait. J’ai pu arriver, dans quelques cas,
à me placer très près du potentiel disruptif (certainement moins de
2 volts et très probablement moins de 1). J’ai eu ainsi des disconti- nuités extrêmement nettes entre les nombres obtenus pour les dé-
charges. Dans les conditions où j’opérais alors, j’avais, quand
119
j’isolais l’électromètre, un courant permanent notable. Ce courant
permanent n’était pas continu ; il procédait par bonds irréguliers,
tous du même ordre de grandeur. Ces bonds irréguliers étaient au
nombre de quatre à cinq par minute environ. La durée d’une me- sure, temps nécessaire à isoler l’électromètre, à produire la dé- charge, et temps pour le spot à effectuer sa première élongation
était de 8 secondes sensiblement. J’avais donc le temps de faire
une mesure dans l’intervalle entre deux bonds spontanés ; il fallait seulement éliminer toutes les mesures incorrectes, c’est-à-dire toutes celles pour lesquelles le spot éprouvait une accélération posi-
tive au cours de sa première élongation. Voici une série de quinze
mesures :
J’ai obtenu dans certains cas quelques mesures présentant une régularité remarquable. Voici une série de cinq déviations consécu- tives dont les valeurs ne semblent pas réparties au hasard dans l’échelle des nombres, car elles sont égales, avec une très bonne ap-
proximation, aux valeurs données par une formule du type :
D représente la déviation, A et B deux constantes, n de petits nombres
entiers.
120
Interposant alors sur le trajet des rayons un écran en fer qui en
absorbait environ 0,9, tout le dispositif restant par ailleurs iden-
tique, j’ai obtenu des déviations toutes multiples d’un même nombre entier, aux erreurs d’expériences près :
Une telle.série de mesures régulières ne peut être continuée long- ,
temps; soit par suite de très faibles variations de pression ou de vol-
tage des accumulateurs, soit plutôt par un effet de surface du genre , des effets de fatigue du phénomène photoélectrique (effet que je
n’ai d’ailleurs pas pu constater de manière sûre), une régularité
aussi bonne que celle des mesures reproduites ci-dessus ne se main-
tient pas longtemps. Cependant dans une longue série de mesures
on constate un certain groupement des mesures autour de certains nombres privilégiés : les valeurs des déviations ne sont pas réparties
au hasard dans l’échelle des nombres.
Il faut enfin que je signale un autre type d’effet que j’ai observé
dans certains cas. En effectuant les décharges très rapidement., la
direction moyenne du faisceau de rayons étant autant que pos- sible exactement parallèle au plan de l’électrode isolée, j’ai obtenu
un accroissement notable du courant au bont d’un nombre suffisant de décharges (50 environ). L’augmentation obtenue disparaissait,
si j’interrompais les décharges, au bout de temps de l’ordre de dix minutes. Voici un exemple d’un tel accroissement. Les décharges
sont groupées par cinq et les nombres indiqués représentent la
somme des élongations dues à cinq décharges.
121
J’ai obtenu des accroissements de courant encore plus considé-
rables en me plaçant au voisinage de la pression critique. Dans ce cas j’ai observé le phénomène suivant : quand je commençais les
mesures, l’électromètre n’accusait aucun courant à vide dans l’appa-
reil. Faisant alors passer des décharges, je constatais que la valeur des déviations croissait, mais en même temps, il apparaissait un
courant permanent qui pouvait devenir considérable. Si je laissais l’appareil quelques minutes sans faire passer de décharges, le cou-
rant permanent disparaissait complètement, ainsi que l’augmenta-
tion précédemment produite. En d’autres termes, les décharges suc-
cessives semblaient avoir pour effet d’accroître le coefficient de mule
tiplication par l’ionisation par choc.
Il me reste à noter un dernier fait : j’ai fréquemment observé,
au milieu d’une série de mesures, des déviations beaucoup plus grandes que les autres; par exemple 10 fois plus grande ou
même plus de 10 fois plus grande. Dans les séries de mesures re- produites précédemment, ces déviations extrêmement grandes
étaient ou absentes ou élirninées. Elles sont vraisemblablement dues à un phénomène différent de celui qui produit les fluctuations dont il est question plus haut. Ces fortes déviations ont l’air de se pro- duire de façon tout à fait irrégulière et au hasard. Je n’ai pu préciser
les circonstances dans lesquelles elles avaient lieu 1. Je les ai retrou-
vées, plus fréquentes, dans le cas des rayons normaux aux électrodes.
II. LE FAISCEAU DE RAYONS ARRIVE NORMALEMENT. - J’ai obtenu les mêmes résultats généràux sur l’existence et l’ordre de grandeur
des fluctuations dues à l’ionisation par les rayons cathodiques se-
condaires. Mais j’ai constaté des déviations beaucoup plus grandes
que les autres, et très fréquentes; voici une série de mesures qui le
manifeste nettement.
(1) Ce sont peut-être ces grandes discontinuités qui ont apparu, beaucoup plus fréquentes, dans les expériences résumées pages ~t7 et 119.
122
J’ai recherché si le fait d’effectuer plusieurs décharges consécuti-
vement et le plus rapidement possible avait un effet sur la fréquence
de production de ces grandes déviations ; je n’ai constaté aucune
influence.
FrG. 3.
Ces grandes discontinuités proviennent de phénomènes se pas- sant à la surface de l’électrode de laiton. J’ai pu le montrer de la
façon suivante : laissant la pression constante, j’inverse le champ ;
les déviations régulières restent du même ordre de grandeur, quel que
soit le sens du champ. Les grandes déviations, au contraire, ne se manifestent que quand l’électrode de laiton est chargée négative-
ment, celle d’aluminium étant chargée positivement. Or on peut
montrer facilement, par des raisonnements analogues à ceux uti-
lisés par l’ownsend dans ses premiers mémoires sur l’ionisation par choc, que le coefficients de multiplication par l’ionisation par choc a des valeurs différentes suivant que les ions initiaux sont
produits à la surface du plateau négatif, ou uniformément en volume.
D’une façon générale, pour des ions initiaux produits dans une
couche intinim.ent mince située à la distance x du plateau négatif, le-
coefficient de multiplication est:
On voit donc que, si un phénomène d’ionisation se passe à la surface du plateau A, le coefficients par lequel sera multiplié ce phé-
nomène sera
123
quand le plateau A sera négatif et
quand le plateau A sera positif. Le rapport des deux coeflicients de multiplication sera :
Ce rapport peut être très grand. Dans l’expérience faite on avait,
en utilisant les coefficients a et ~ donnés par Townsend :
Résumé des résultats expérimentaux. - 1. On peut, à l’aide d’une multiplication convenable par l’ionisation par choc, mettre en évi- dence des fluctuations dans l’ionisation due aux rayons cathodiques
secondaires produits par des rayons X frappant, soit latéralement,
soit normalement, la surface métallique des électrodes. La fluctuation
moyennes croit quand la multiplication par l’ionisation par choc croît.
2. Dans un cas particulier, des discontinuités extrêmement grandes
et régulières ont pu être constatées.
’
3. Une augmentation du courant sous l’influence de décharges
successives répétées rapidement a pu être obtenue ; cette augmen- tation, du moins au voisinage de la pression critique, semble prove- nir d’une action exercée par les rayons X sur les molécules gazeuses, rendues ainsi plus aptes à être ionisées par choc.
4. Surtout quand la direction des rayons est normale aux élec-
trodes, il se produit, de temps en temps, au milieu de décharges
donnant des déviations régulières, des décharges donnant des dévia- tions beaucoup plus grandes ( plus de 10 fois plus grandes). Le pro-
cessus d’ionisation de ces très fortes décharges semble localisé à la
surface du plateau de laiton servant d’électrode isolée.
