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Le fonctionnement des compteurs de Geiger-Muller à
autocoupure
Daniel Blanc
To cite this version:
260
EXPOSÉS
ET MISES
AU
POINT
BIBLIOGRAPtIIQUES
LE FONCTIONNEMENT DES COMPTEURS DE GEIGER-MULLER A AUTOCOUPURE
Par DANIEL
BLANC,
Laboratoire de Physique atomique et moléculaire du
Collège
de France.Sommaire. - On
analyse la théorie du fonctionnement des compteurs à constituant polyatomique,
puis des compteurs à halogène. Ces considérations permettent de définir avec précision les
caractéris-tiques fondamentales du tube : temps de latence, propagation de la décharge le long du fil, temps mort, forme des impulsions, courbe du « plateau », variables dont dépend le plateau.
Sans traiter les techniques de construction et de remplissage des tubes, on passe ensuite rapidement en revue les compteurs de types particuliers, en indiquant leurs applications.
Cet exposé se termine par une revue détaillée des propriétés des compteurs du type Maze dits « à cathode externe ».
L’efficacité aux divers rayonnements, les circuits
électroniques
associés, les systèmes de coïncidenceset d’anticoïncidences ne sont pas étudiés.
LE JOURNAL DE PHYSIQUE ET LE RADIUM. TOME
1!~~
AVRIL’l~°~~~
1
Rutherford et
Geiger
[1],
en1908,
imaginèrent
unappareil
où l’ionisationproduite
dans un gazpar des
particules x
était,
sous l’action d’unchamp
électrique,
amplifiée
par collisions contre les molé-cules de ce gaz;l’impulsion
électrique
en résultant était recueillie sur un électromètre. Ils’agissait
dupremier compteur
àpointe.
,Ce n’est
qu’en
1928
queGeiger
et Müller[2]
donnèrent à ce
type
de détecteur sa forme actuelle :cylindre
et fil anode coaxial( fig. 1).
Fig. i.
- Circuit fondamental lié aucompteur.
Les gaz de
remplissage
étaient mono- oudiato-miques
(argon,
azote,
hydrogène,
air).
L’arrivée del’impulsion
sur le fil provoque dans la résistance Rune chute de tension
qui
diminuant fortement lechamp
électrique
près
dufil,
arrête ainsi ladécharge.
Trost
[3]
(1937),
constata que l’addition au gazpermanent
d’alcool et, defaçon plus
générale,
demolécules
polyatomiques
(quatre
atomes ouplus
par
molécule),
permettait
de diminuer la résistance Rdans de
grandes proportions :
il existait donc unmécanisme intérieur au
compteur
responsable
del’arrêt de la
décharge,
et l’ensemble revenait ainsiplus
rapidement à
son état initial. Ceci conduisità
appeler
«rapides
» ces nouveauxcompteurs,
paropposition
auxprécédents
dits « lents ». Les termes de«
autocoupeur
» et «non-autocoupeur
», introduitspar S. A. Korfl
[4],
sontpréférables.
On trouvera une étude
historique
trèscomplète
dans[5].
Nous ne traiterons pas le fonctionnement du
compteur
dans lesrégions
deproportionnalité
totaleou
limitée,
sereporter
à[6].
Nous n’aborderons pas nonplus
le calcul et la mesure del’efficacité,
lessystèmes
de coïncidences etd’anticoïncidences,
lestechniques
defabrication,
les circuitsélectroniques
associés. Nous renvoyons le lecteur aux
Ouvrages
de S. A. Korff
[4],
S. C. Curran et J. D.Craggs
[7],
D. H. Wilkinson[8].
Pour lescompteurs
à cathodephotosensible
associés à desscintillateurs,
voir[9].
On trouvera une sériecomplète
de définitions concernant lescaractéristiques
descompteurs
dans[ 10]
(normalisation
récente de l’ In,stitute of RadioEngi-neers, U. S.
A.).
Théorie du fonctionnement.
Compteurs
à constituantpolyatomique.
-C. G. et D. D.
Montgomery [11]
]
(1940),
s’inspirant
des travaux antérieurs de
Geiger, Werner,
VonHippel,
etc.[5],
établirent la théorie descompteurs
non-autocoupeurs.
Unepartie
de .leursexplications
s’applique
auxcompteurs autocoupeurs.
S. A. Korff et R. D. Present
[12] (1944).
s’appuyant
sur le travail de P. Weisz[13]
et leurs propresexpé-riences, donnèrent une
explication
trèscomplète
du rôle du constituant
polyatomique.
Pour eux, le fait fondamental
provient
de ce que2 a molécule
polyatomique possède
unegrande
proba-bilité de
prédissociation
àpartir
d’étatsélectroniques
excités
(elle
présente,
eneffet,
unspectre
tion diffus dans
l’ultraviolet,
région
intéressant lefonctionnement du
compteur).
La
particule
ionisante,
pénétrant
dans le volume sensible ducompteur,
yproduit
un certain nombre depaires
d’ions. L’avalanche de Townsend se déclenchedans le
voisinage
immédiat du fil. Ont lieu succes-sivement les processus de coupure suivants :1° COUPURE DE L’AVALANCHE INITIALE
(en
1111temps
de l’ordre de I o-6 saprès
la formation des ionsprimaires).
- Les ionspositifs
formés sontsupposés
immobiles : leur vitesse dedéplacement
est en effet
plusieurs
milliers de foisplus
faible quecelle des électrons.
A.
Coupure
desphotons,
émis par le gaz rare. -Ils sont absorbés par les moléculespolyatomiques,
qui
sedécomposent
sans rayonner. Il semble que ceci évite l’émission dephotoélectrons
sur lecylindre,
très
importante
au contraire dans le cas desnon-autocoupeurs.
Cesphotons
sontresponsables
de lapropagation
de ladécharge
tout lelong
dufil,
deproche
enproche.
Nous y reviendronsplus
loin.Signalons
que lesexpériences
de S. H. Liebson[14],
[15],
sur desmélanges
bromure deméthylène-argon
etalcool-argon
contredisent ce mécanisme. Les chocs des électrons sur les moléculespolyatomiques
seraient
prépondérants :
la vapeurorganique
empê-cherait les
photons
de seformer,
l’énergie qu’elle
reçoit
servant à ladécomposer,
et elle n’absorberaitque très peu les
photons
produits.
B.
Coupure
électrostatique.
- Comme dans le casdes
non-autocoupeurs
[11],
lagaine
d’ionspositifs
formée autour du fil abaisse l’intensité duchamp
près
du fil à une valeur insuffisante pour maintenirdes avalanches de Townsend. Pour une différence
de
potentiel
donnée entre le fil et lecylindre,
le nombre d’ions nécessaire pardécharge
pourproduire
cette coupure, a une valeur
donnée;
le nombre totalde molécules
polyatomiques
et d’atomes du gazrare
présents
dans lagaine positive
est alors constant(de
l’ordre de io9 à io’9 ions pour uncompteur
dedimensions
courantes).
2° COUPURE DE L’ÉMISSION SECONDAIRE. ’- La
gaine positive,
soumise auchamp électrique,
sedéplace
vers la cathode et yparvient
en untemps
de l’ordre de 10-4 s. Tous les calculs
supposent qu’elle
est infiniment
mince,
mais,
enréalité,
sonépaisseur
augmente
à mesurequ’elle
serapproche
ducylindre.
Elle arriverait à occuperplus
de la moitié du volume total ducompteur
[16].
A. Dans le gaz, se
produit
letrans fert
d’électrons. Lepotentiel
d’ionisation du constituantpolyato-mique
étantplus
faible que celui du gaz rare, unélectron
peut
être transféré par choc d’unemolé-cule
polyatomique
à un ion du gaz rare. L’excèsd’énergie
se traduit par l’émission d’unphoton,
absorbé par le constituantpolyatomique
[17].
Ce transfert esttotal,
et il n’arrive sur lecylindre
que des ionspolyatomiques.
Le nombre minimum de chocs nécessaire pouropérer
un transfertcomplet
dépend
d’ailleursbeaucoup
de la nature des gazen
présence [18].
Si le
potentiel
d’ionisation du gaz rare était leplus
faible,
le transfert seproduirait
en sens inverse :aucun ion
polyatomique
n’atteindrait lacathode,
l’émission secondaire ne serait pas
arrêtée,
commenous allons le
voir,
et lecompteur
ne seraitplus
autocoupeur. C’est,
parexemple,
le cas desmélanges
Bméthane-xénon
[12].
B.
Lorsque
les ionsorganiques
arrivent àenviron Io A de la surface du
cylindre,
il y aneutra-lisation par des électrons extraits du métal.
Désignons
par I le
potentiel
d’ionisation du constituantpoly-atomique,
par O
le travail d’extraction ducylindre :
la molécule neutralisée
possède l’énergie
d’excita-tion I - (P.
Élimination
de celleénergie
d’excitation. - Ellepeut s’opérer
par les processus suivants :a.
Déeomposition
de la molécule. - Lavie moyenne
de la molécule pour ce processus est de l’ordre de i o-13s. Le
temps qu’elle
met pour atteindre la surface ducylindre
étant de l’ordre de Io-12 s[19],
laproba-bilité de
décomposition
estpratiquement égale
àl’unité : une molécule sur io9
pourrait
atteindre lecylindre
avant de sedécomposer.
Dans le cas,défa-vorable,
où estsupérieur
à~,
ceci rendinsi-gnifiant
le processusd’éjection
d’électronssecon-daires sur le
cylindre,
car, même si la molécule aatteint la
cathode,
c’est-à-dire se trouve dans ledomaine des forces de Van der
Waals,
l’éjection
d’un électron(ou
l’émission d’unphoton),
sont encoremoins
probables
que ladécomposition.
b.Émission
d’unphoton.
-La vie moyenne de la molécule pour ce processus étant de l’ordre de 10-7 s,
une molécule sur os rayonnera au lieu de se décom-poser. L’efficacité
photoélectrique
des cathodes usuellesétant de l’ordre de 10-4 électron par
photon,
l’émis-sion secondairequi
résulte de ce processus est de 1 électrons pour 1010 ions incidents. Onpeut
adopter
cette valeur pour
représenter
l’émission secondaire totale.La recombinaison de certains de ces électrons secondaires avec des ions arrivant sur le
cylindre [16]
réduira encore la
probabilité
d’une nouvelle ava-lanche.Compteurs
àhalogène.
- La théorie de leur fonctionnement est due à R. D. Present[20].
Le
potentiel
d’ionisation I du chlore est de13,2 V,
celui du brome 12,8
V,
celui de l’iode 9,7V,
alorsqu’il
est de15,68
V pourl’argon,
2~,46
V pourl’hé-lium, 21,74
V pour le néon. Le xénon nepeut
conveniravec le chlore et le
brome,
sonpotentiel
d’ionisation étant de I2,o8 V. Pour une cathode dont le travail d’extraction 4J est de 5V,
I - ~correspond
à 1500 Àpour le
chlore,
et 1600 A pour le brome. Dans cetterégion
duspectre,
ces deuxhalogènes présentent
unspectre d’absorption
continu;
iln’y
aura donc pasémission secondaire à la cathode. Entre 2
760
et
1750
3%,
lespectre d’absorption
de l’iode montreplusieurs
bandes[21], [22], [23],
mais certaines sont fines etaccompagnées
defluorescence,
cequi indique
l’absence de
prédissociation,
sauf sous l’action decollisions;
or, uneprédissociation
par collision ne262
conduisant à l’émission d’un électron
secondaire,
puisqu’une
molécule neutralisée heurtera laparoi
bien avant depouvoir
entrer en collision avec uneautre molécule.
Cependant,
si le travail d’extractionde la cathode est de l’ordre de 5
V,
I(pour l’iode)
est inférieur à 2 q. ce
qui
rendimpossible l’éjection
d’un nouvel électron de la
paroi;
l’émissionsecon-daire est arrêtée par la collision de la molécule
neu-tralisée avec une autre molécule. L’iode
peut
doncconvenir aussi bien que le chlore ou le
brome;
lefluor, trop
actif aupoint
de vuechimique,
n’est pasutilisé.
D’autre
part,
la tendance deshalogènes
à formerdes ions
négatifs
est très forte. Pour que lecompteur
puisse
fonctionner,
il est nécessaire que les ionsnégatifs
formés soient neutralisés avant que lagaine
positive n’atteigne
la distancecritique, qui
corres-pond
à la fin dutemps
mort(voir plus loin).
Ceci seréalise de la
façon
suivante :1° Immédiatement
après
l’attachement d’unélec-tron, la molécule
d’halogène
se dissocie en un ion et un atome neutre. Cet ionatomique,
beaucoup
plus
léger qu’un
ionpositif
moléculaire,
sedéplace
rapidement
vers leschamps
intenses et se trouve neutralisé avant que les ionspositifs
n’aient atteintla distance
critique.
2~ Les affinités
électroniques
des atomesd’halo-gènes
étant inférieures auxpotentiels
d’ionisation des gaz ducompteur,
ces ionsnégatifs peuvent
seneutraliser
quand
ils rencontrent lagaine positive,
en transférant par choc leur électron à un ion
positif.
La concentration en
halogène, qui
doit êtrefaible,
ne doit pas
cependant
êtretrop réduite,
les états métastables du gaz rare nepouvant
alorsplus
être éliminés par collisions. Lespourcentages
optima
d’halogène
correspondent
aux concentrationsoptima
- obtenues par F. M.Penning [24]
-qui
conviennent pour couper les états métastables du gaz rare[25].
Caractéristiques
fondamentales.Dans la
suite,
nousdésignerons
par a le diamètre dufil,
par b le diamètre ducylindre
et par L lalon-gueur efflcace du
compteur.
Temps
de latence. - Il est lasomme du
temps
mis par les électrons initiaux pour se
déplacer
deleur
point origine
à larégion
dechamp
élevéentou-rant le
fil,
et dutemps
nécessaire pour que lagaine
d’ions
positifs
se propage latéralement lelong
du fil et transversalement assez loin du fil pour pro-duire uneimpulsion électrique
détectable dans lecircuit associé
[26], [27], [28].
Il constitue l’une des
imperfections
ducompteur
de
Geiger
vis-à-vis des scintillateurs.C’est en
I9~2
que furent faites lespremières
déter-minations dutemps
de latence : Rossi et Nereson[29],
reprenant
leprincipe
d’expériences
antérieuresrela-tives à des
compteurs
à coupure externe[30], [31],
déterminèrent le
temps
de latence decompteurs
argon-alcool (L
= 20 cm, a = 0,017 cm, b =2,5 cm)
par une méthode de coïncidences retardées. Ils trouvèrent une distribution de Gauss autour d’un retard moyen de o, a s, pour une surtension de 120 V
(surtension
= tension de fonctionnement - tensiondu seuil de
Geiger
[10]).
Desdispositifs
decoïnci-dences retardées
furent,
dans lasuite,
très souventutilisés pour mesurer le
temps
de latence[26], [27],
[32],
[33], [34].
Sherwin,
pour g,2 cmd’argon
et0,8
cm d’acétated’éthyle (a
=0,01’2
cm, b
= 2,2cm)
obtient une contribution due au mouvement des
électrons de I, I s, valeur très
supérieure
à celleindiquée
par le calcul[35].
Pour ce mêmecompteur,
le retard dû à la
gaine
d’ions diminue de 2. 10-7à 10-7 s
lorsque
la surtensionaugmente
de o à 25o V.Les mesures absolues sont peu nombreuses
[28], [36],
cette dernière référence concernant d’ailleurs des
compteurs argon-oxygène, non-autocoupeurs.
Récemment,
A. Stevenson a mesuré la vitessedes électrons soumis à un
champ électrique
dans desmélanges
argon-butane
etargon-éther
[37].
Enappliquant
ces résultats autemps
delatence,
on obtient pour desmélanges argon-éther (a
=0,007 5
cm,b =
1, 5
cm)
une valeur de l’ordre deo, 4 - i o-7
s[38], [ 39],
qui
s’accorde assez bien avec le calcul[40].
Il enrésulte que, dans des conditions
convenables,
descompteurs argon-éther
de diamètre suffisamment faiblepourraient permettre,
parcoïncidences,
dediscriminer des intervalles de
temps
de l’ordrede 10-8 s
[41].
Les
compteurs
àhalogène,
dont les tensions de fonctionnement sont peuélevées,
neprésentent
cependant
pas l’inconvénient delongs temps
delatence,
car les ions ont des masses faibles. Loosemoreet
Sharpe
[42],
pour uncompteur
de 2o cm denéon,
o,~ mm
d’argon,
0,16
mm de brome(a
= 0,012 cm,b =
2,5
cm, L =19,5 cm) indiquent
destemps
delatence allant de
3,5
à9,3p.
s, avec uneprobabilité
maximum de
5,3
p. s.Propagation
de ladécharge
lelong
du fil.-C’est la
caractéristique
fondamentale dufonctionne-ment dans la
région
deGeiger.
Letemps
depropa-gation
est faible vis-à-vis de la durée del’impulsion,
mais il
peut
devenirgênant
dans des mesures decoïncidences nécessitant des
temps
de résolution del’ordre de io-7 s
[31].
VITESSE DE PROPAGATION. -- Les
premières
mesurer datent de942
[43] :
1 ellesindiquent
une vitesse de l’ordre de Io cmp
s. Hill et Dunworth[44],
irradiant une extrémité d’un
compteur long
de 1 m, mesurèrent le retard entre les deuximpulsions
obtenues aux deux extrémités sur deux cathodescoupées;
les vitesses sontcomprises
entre 3 et 20(alcool :
o,5
cm de mercure, avec argon ouhélium,
a = 0,02 cm, b = i,g
cm).
Leurs résultats furentconfirmés par Knowles et all.
[45].
Alder et all.[46],
par une méthode très
ingénieuse,
obtinrent8,35
cm jp
sà i Ioo V pour un
remplissage
de1,6
cm d’alcoolet
6,4
cmd’argon (a =
o,o15
cm, b ~1,8
cm).
Par
contre,
Wantuch[47]
a obtenu des valeursplus
faibles(5o
pour100)
que celles- des auteurspré-cédents.
Wilkinson
[48],
supposant
que ladécharge
estpropagée
par desphotons,
a établi la formuleoù m
== 2013 ?
>Q,
charge
développée
par ladécharge
?0
Qo,
charge
initialeportée
par lefil; e’,
charge
del’électron;
ve, vitesse moyenne de l’électron dans leFig. 2. - Vitesse de la
décharge en fonction de la ten-sion pour différents pourcentages d’alcool. La pression totale est maintenue égale à o cm de mercure [49].
voisinage
immédiat dufil;
E,probabilité
par ion pour que l’avalanche donne naissance à une nouvelle avalanche..Ce résultat a été vérifié
expérimentalement
[49]
sur un
compteur argon-alcool (a
=o,oo75
cm,b ~ ~ i
cm).
La formule sembleexacte,
sauf pour desvitesses très
élevées,
où les valeursprévues
parWilkinson seraient
beaucoup trop
faibles.MÉCANISME DE LA PROPAGATION. - On
admet,
en
général,
que lapropagation,est
due auxphotons
de l’avalanche initiale
qui, photoionisant
le gaz auvoisinage
de cetteàvalanche, produisent
ainsi unesérie de
cascades,
deproche
enproche,
lelong
dufil
[48].
’On a cherché à déterminer
jusqu’à quelle
distancedu fil avait lieu cette
photoionisation.
Stever[ 5 0],
[ 5 1 ],
a montré
qu’une perle
de verreplacée
sur le fil arrête lapropagation
de ladécharge.
Uneperle
deo,5
mmde
diamètre, placée
sur un fil de 0,2 mm dediamètre,
arrête totalement la
décharge (g
cmd’argon
et 1 cmde
xylol) :
larégion
active serait localisée au voisi-nage du fil.Signalons
que Stever utilisait des cathodes de cuivre traitées àN02, qui
ont un travail d’extrac-tion élevé.Wilkening
et Kanne[52],
puis
Nawijn
[53],
confirmèrent ces résultats et étudièrent
systéma-tiquement
les diverses formes de barrières pour ladécharge.
Weisz[13],
d’autrepart,
considère quel’absorption
desphotons
est totale à une distanceappréciable
du fil.Par
contre,
lesexpériences
deCraggs
et ,Jaffe sur descompteurs argon-alcool
[54], [55],
celles deCraggs,
Jaffe et Balakrishnan sur descompteurs
méthane et
méthane-argon [56]
contredisenttota-lement ce schéma :
l’absorption
desphotons
seraitau contraire très faible et la
propagation
de ladécharge
serait due en
majeure partie
à un effet sur la cathode et non dans le gaz; le mécanisme seraitanalogue
à celui desnon-autocoupeurs,
où ladécharge
sepropage par émission de
photoélectrons
sur lecylindre
~[57],
[58].
Le travail d’extraction des cathodes
dépend
beau-coup du traitement
chimique
qu’on
leur fait subir[59].
Craggs
et all. estiment que lespotentiels
d’ionisationélevés des cathodes utilisées dans les
expériences
antérieures n’auraient pas
permis
l’effet à lacathode,
alors que les cathodes de leurscompteurs
auraientun travail d’extraction
beaucoup plus
faible.TEIVIPS MORT. - C’est le
temps
après
le seuil del’impulsion
durantlequel
lecompteur
reste totale-ment insensible. Il ne faut pas le confondre avecle
temps
de résolutionqui correspond
au seuil desensibilité du circuit associé
( fig. 3).
Dans les
compteurs
à coupure externe, letemps
mort est inférieur à la durée de la chute de tension dans la résistance R( fig. i).
Il en résulte untemps
de résolution total
important,
d’où est venuel’appel-lation incorrecte de
compteurs
« lents ». Lescompteurs
autocoupeurs
fonctionnent au contraire avec descircuits de
grande
résolution,
et leurtemps
mortest facile à mesurer.
Fig. 3. -
Représentation graphique de la succession des
impulsions (origine des temps = ionisation initiale).
Échelle non respectée.
Fig. 4. -
Temps mort en fonction de la tension pour
L = 37,5
cm, a = o,oo5 = 2,9 cnl (g cm d’argon,
i cnl d’alcool éthylique).
Les
premières expériences
furent faites parStever
[51].
Il montra que letemps
mort est celui i queprend
lagaine
positive
pour arriver à une264
le
champ
près
du fil revient à une valeur suffisante pour quepuisse
se déclencher une nouvelle avalanchede Townsend. Une théorie très voisine a été
pré-sentée en même
temps
par Van Gemert et all.[60].
Elle a été
précisée,
depuis,
pour le cas de taux decomptage
élevés[61]. L’expérience
s’accorde bienavec le calcul. Le
temps
mort est deplusieurs
cen-taines de microsecondes
[62].
°Le
temps
mort a pour effets que le nombre de coupsenregistré
est inférieur au nombre réel dephéno-mènes ionisants. Les corrections de
temps
mort sontpénibles
etparfois
incertaines[63], [64], [65], [66].
De
plus,
letemps
mortdépend
du taux
decomp-tage ;
il en résulte une difficultésupplémentaire [67].
Cesimperfections
ont conduit àimaginer
desdispositifs ingénieux.
Onpeut
maintenir constant letemps
mort, quel
que soit le taux decomptage,
en abaissant le
potentiel
du fil au-dessous du seuil deGeiger pendant plusieurs
microsecondesaprès
chaque
impulsion
[68].
J. A.
Simpson [69]
propose un circuitpermettant
de
porter
le fil à une tensionnégative
immédiate-ment
après
formation de ladécharge :
les ionspositifs
sont éliminés sur le fil en untemps
de l’ordre de 10 11. s;le
temps
mort s’en trouve notablement amélioré. On a, dans lasuite,
simplifié
cetype
de cir-cuit[27],
[70].
Collinge
[71], [72],
par desexpériences
basées sur leprincipe
de celles deSimpson [69],
a montré quel’impulsion négative rapide
envoyée
sur le fil arrêtela
propagation
de ladécharge :
il y a localisationde la
gaine d’ions,
et certainesrégions
ducompteur,
non touchées par la
décharge, peuvent
donner denouvelles
impulsions.
Cette conclusion est en accordavec les travaux de Smith
[73],
Hodson(voir [73])
et Elliot
[74].
De tels circuits ont été
simplifiés
par Forter etRamsey [75J :
onpeut
limiter à unelongueur
de 1 cmla
décharge
dans uncompteur
de 20 cm. Cedispositif
limite à i ~. s le
temps
mort pour larégion
du fil non touchée par ladécharge.
Forme de
l’impulsion
sur le fil. - Letemps
delatence,
letemps
mort etl’impulsion
sontliés,
puisqu’ils
sont fonction de la collection des électrons sur le fil et du mouvement de lagaine positive.
Dans larégion
deGeiger,
lesimpulsions
sont detaille
constante,
quelle
que soit l’ionisation initiale :le seuil de
Geiger Vo correspond
à uneégalisation
totale.
Ramsey
etHudspeth [59]
montrèrent que la hauteurd’impulsion
estproportionnelle
à lalongueur
ducompteur,
alors que, dans lesnon-autocoupeurs,
l’impulsion
reste de taille constante pour une lon-gueur inférieure à une certainevaleur,
fonction dutype
decompteur
et de lacapacité
liée au fil[76].
Wilkinson
[48]
a calculéQ
et m= Q/Q0
(voir plus
haut)
en fonction de la surtension. La courbedonnant
Q
est constituée par deux droites secoupant
pour m = 1
( fcg. 5).
Pour m = I, le
champ
sur le fil est réduit defaçon
telle que des avalanches ultérieures ne
peuvent plus
survenir. Le
rapport
des deux droitesreprésentant
777 en fonction de la surtension est d’environo,5,
cequi
s’accorde bien avecl’expérience [43], [55], [60].
La contribution des électrons àl’impulsion
sembletrès faible
[28].
Wilkinson l’évalue à 3 pour 100[48].
Fig. 5. - Courbe donnant m
É
en fonction de la surtension [48].
Par
contre,
Kelley,
Jordan et Bell estiment que les électrons contribuent pour 5o pour 100 àl’énergie
totale del’impulsion.
Lagaine positive pourrait
avoir un rayon moyenégal
à I o à 15 fois le rayondu fil
[77].
Lorsque
la constante detemps
du circuit associéau
compteur
n’est pasnégligeable
devant letemps
de transit desions,
elle modifie la forme dedécrois-sance de
l’impulsion :
voir C. D. Thomas[78], [79].
Ramsey
a étudié la relation existant entre le courant et letemps lorsque l’impulsion provient
deun ou de
plusieurs
centres initiaux[80].
Signalons
enfin que le front del’impulsion
estd’autant
plus
raide que latrajectoire
de laparticule
ionisante,
si elle estpénétrante,
forme unangle
plus
faible avec l’axe ducompteur (ceci
étant dûà la
propagation
de ladécharge).
Un circuitsélec-tionnant les
impulsions ayant
le front leplus
raide,
permettra
d’enregistrer
uniquement
desparticules
se
propageant
dans l’axe ducompteur;
on obtientun effet directif intéressant
[~1].
"Courbe du
plateau.
- Elle caractérise lesper-formances du
compteur.
Lecomptage
débute à unetension
Vj de
démarrage,
située dans larégion
deFig. b. - Courbe du
plateau.
proportionnalité
limitéequi correspond
au seuil desensibilité du circuit
associé,
puis
augmente
construit pour une irradiation déterminée et un
circuit de
comptage
donné( fig.
6).
On
appelle
pente
relativeP,
oupente,
pour latension V,
l’augmentation
enpourcentage
du taux decomptage
pour uneaugmentation
de ioo V de la sension àpartir
de V :La
pente
normalisée 13,1 est le coefficient angu-du plateau divisé pai 1rapport
t Cf
() du taux decomptage
à la tension- pour le seuil deGeiger :
Influence du
mélange
gazeux. - Le seuilVo
dépend
fortement de la nature duremplissage
et de la concentration en constituantpolyatomique.
Laquestion
a été étudiée en détail pour les carburessaturés par P. Weisz
[82].
Brown et Maroni[83]
ont montré que lapente,
due à desimpulsions
para-sites,
est liée au nombre d’ionsnégatifs produits
par Ja dissociation moléculaire du gaz de coupure à lacathode,
et à l’attachementélectronique
à l’inté-rieur du gaz. Ils classent en trois groupes lescons-tituants de coupure :
la Ceux où il
n’y
apratiquement
pas formationd’ions
négatifs.
Lesplateaux,
depente faible,
ontune
pente
indépendante
à la fois des concentrationsen gaz rare et en constituant
polyatomique (benzène,
alcool,
éthylique,
alcoolméthylique, acétone,
acé-tate
d’isoamyle, etc.).
20 Ceux formant des ions
négatifs
par dissocia-tion des ionspositifs
à la cathode(méthane,
ammoniac,
tétrachlorure de
carbone).
Lespentes
sontindépen-dantes de la concentration en constituant
polyato-mique,
maisdépendent
de la nature du gaz rare.3° Ceux formant des ions
négatifs
parattache-ment
électronique
dans le gaz(halogènes).
Lapente
augmente
avec la concentration du constituant decoupure et
dépend
de la nature du gaz rare.Cette
conception
del’origine
desimpulsions
para-sites estpartiellement
vérifiée dans les études de larépartition
dans letemps
du nombred’impulsions
parasites
consécutives àl’impulsion
initiale. On aobservé une série de maxima
[68];
ilsemble,
d’après
un travail récent ’de Willard et C. G.Montgomery,
qu’il n’y
ait que deux maxima[84],
cequi
a été confirmédepuis
par une méthode différente[85].
Le
premier
maximum serait dû aux ionsnégatifs
formés dans le volume du
compteur,
et le second auxions
négatifs
formés sur lecylindre
à l’arrivée de lagaine positive.
Les
composés
organiques
lesplus
utilisés sontl’éthanol,
leméthanol,
leméthylal,
l’éther[86],
leformiate
d’éthyle [87],
mais toute vapeurpossédant
une tension de vapeur sufilsante
peut
convenir[88].
Parmi les gaz
organiques, signalons l’éthylène [89],
donnant des
compteurs
stables vis-à-vis de latem-pérature.
Le
tétraméthylplomb
permet
d’obtenir descomp-teurs de bonne
efficacité,
résistant à des taux decomptage
élevés[90],
mais leshalogènes
les ont totalement détrônés. Pour lescaractéristiques
descompteurs
àhalogène,
voir[91], [92].
L’addition de très faibles
quantités
de gaz suscep-tibles de former des ionsnégatifs
a une forte influencesur le
plateau.
Spatz
[93],
constatant que lapente
decompteurs argon-alcool
augmentait
avec laconcen-tration en
alcool,
attribuait cet effet à l’air dissous dans l’alcool. La contamination decompteurs
argon-alcool par l’air et surtoutl’oxyde
de carbone esttrès
marquée [94] :
unepression
d’air de I cm demercure fait
disparaître
leplateau;
0,5
mm de mercured’oxyde
de carboneéquivaut
à 6 mm d’air.Influence de la
température. -
Lespremières
études concernent des
remplissages
argon-alcool
etméthane
[93], [95].
L’alcool ne donne deplateaux
acceptables qu’entre
o et 5oo environ. L’éther et leméthylal
donnent,
à cepoint
de vue, des résultatsbeaucoup
plus
satisfaisants[96], [9"l].
La détérioration du
compteur
à bassetempéra-ture serait due à une condensation
partielle
du constituantpolyatomique.
Sa détérioration àtempé-rature élevée ne
proviendrait
pas d’une diminutiondu
potentiel
d’extraction de la cathode[98J.
Certainsauteurs estiment
qu’elle
est due à la destructionpar élévation de la
température,
d’un film decomposé
polyatomique
formé sur lecylindre
[99],
d’autres l’attribuent à l’effetparasite,
croissant avec latem-pérature,
desquelques
atomes de mercure contenus dans lemélange
gazeux etprovenant
du banc deremplissage [100].
Les
halogènes,
non condensables auxpressions
où on les
utilise,
donnent descompteurs
degrande
stabilité(entre
- 70 et + 700 parexemple).
Influence du nombre de coups subis. - La
théorie de Korff et Présent
[12]
prévoit qu’au
boutde 109 à iol" coups, le nombre de molécules
polys
atomiques
contenues dans lemélange
deviendra insuffisant pourpermettre
l’autocoupure.
On avérifié ces
prévisions
sur ungrand
nombre de vapeurs(alcools,
aldéhydes,
éther,
acétated’éthyle).
Citonsles travaux de
Spatz
[93]
sur desmélanges
argon-alcool,
Friedland sur desremplissages argon-acétate
d’éthyle [101], [102],
Brown,
Harris et Klein[103]
sur l’éthylène,
l’acétated’amyle,
le butène-1. Friedlanda déterminé avec une certaine
précision,
auspectro-graphe
de masse, la nature et la concentration desproduits
dedécomposition.
Le méthane fait
exception,
avec un «temps
devie » de Io? à 108. coups. L’arrêt du fonctionnement
serait dû à un
dépôt d’hydrocarbures
lourds sur lecylindre,
sans modification sensible de lapression
à l’intérieur du
compteur
[104], [105].
Les
circuits,
déjà signalés,
de Putman[68],
Elliot[74],
Porter etRamsey [75],
etc.permettent
d’augmenter
la vie ducompteur,
puisqu’ils
limitent le nombre de molécules détruites pardécharge.
Pour éliminer levieillissement,
on a cherché desrégé-266
nérer à mesure de leur destruction. On a
préconisé
l’ ammoniac,
seul( 1 o
cm demercure)
oumélangé
àl’argon { ~ 5
cm de mercure, avec 80 pour 1 o.od’ammo-niac).
Iln’y
a pas d’altérationaprès
3.1010 coups[100].
Ces
compteurs
ont hélas descaractéristiques
médiocres.Il y aurait
dépôt
sur lecylindre
d’un filmphoto-sensible, mais ce
phénomène
serait freiné par la réaction desynthèse
entre l’azote etl’hydrogène;
il y aurait finalement un
équilibre [107].
La meilleure solution consiste à utiliser des gaz per-manents
électronégatifs,
donnant le fonctionnementprévu
par Present[20]. D’après
L. G. Shore[108],
des
mélanges
enproportions
convenablesd’argon-xénon-oxygène-azote
seraientautocoupeurs.
Cesrésul-tats sont extrêmement
sujets
à caution[109].
Leshalogènes
apportent
lasolution,
le seuldanger
devieillissement
provenant
d’une actionchimique
pos-sible sur les électrodes. On a constaté[103]
unexcellent fonctionnement
après
3,5. iol"
coups. Lastabilité dans le
temps
descompteurs
à brome aété confirmée par Gimenez et
Labeyrie [92].
On
peut
rattacher à ce mécanisme les effets surle
plateau
d’unedécharge
continueprolongée.
Le no-mbre de coups, très élevé immédiatementaprès
ladécharge,
diminueprogressivement
et leplateau
revient lentement à la normale[105], [110].
Influence des électrodes. - Leurs diamètres. -Le diamètre a du fil
joue
un rôle trèsimportant.
Avec b =
2,5
cm, uneaugmentation
de a de o,3 ào,5
mm diminue considérablement lalongueur
duplateau (i
cmd’alcool,
10 cmd’argon)
[111].
Pour une valeur de b
donnée,
il existe une valeur de aoptimum
[110].
Cettequestion
a été étudiéethéoriquement
par Wilkinson[48].
Signalons
que la valeur de b influebeaucoup
surla
quantités
minimum de constituantpolyatomique
nécessaire pour arrêter l’émission secondaire
[18].
La nature du
cylindre.
- Une couched’oxyde
sur lecylindre
a pour effet une émissionélectronique
retardée
[112];
il en résulte desdécharges parasites
qui augmentent
lapente
duplateau.
C’estparti-culièrement le cas de
l’aluminium,
qu’il
est nécessairede couvrir d’une mince couche de cuivre
[111].
D’une
façon générale,
il est nécessaire que les élec-trodes soient propres et sansaspérités.
La naturesuperficielle
ducylindre
estcapitale
enprésence
d’halogènes :
il doit résister non seulement à l’actionchimique
des atomes mais aussi à celle des ionshalogènes [113), [114).
Compteurs
detypes
particuliers.
Nous n’aborderons pas les
techniques
de construc-tion et deremplissage :
voir[7].
Il fautcependant
insister surl’importance qu’il
y a à éviter les dis-torsions duchamp
aux extrémités ducompteur,
defaçon
à bien définir le volumeefficace;
on utilisehabituellement des électrodes de
garde.
Undispo-sitif excellent consiste à entourer l’électrode de
garde
d’un tubemétallique
coaxial,
placé
à unpotentiel
convenable,
intermédiaire entre ceux ducylindre
etdu fil. Les effets d’extrémité sont ainsi totalement
éliminés
[115],
Lalongueur
de ce tubepeut
ne pasdépasser
le rayon ducylindre.
Les tubes degarde
en verre sont à éviter
[116].
Nous dirons
quelques
mots descompteurs
detypes
particuliers,
sans décrire lescompteurs
àpointe,
maintenant peuutilisés,
et lescompteurs
à fenêtreterminale
(du
type
« cloche»)
dont le fonctionnementest
identique
à celui des tubes usuels.Compteurs
à filperlé.
- Ils ont été étudiéssystématiquement
par Curran et Rae[117].
Lesperles
ont pour effet de réduire lechamp
dans leurvoisinage,
cequi
entraîne la localisation de ladécharge.
De tels
compteurs,
à cathodescoupées,
ont uneffet directif pour des
particules pénétrantes
lestraversant
parallèlement
àl’axe,
si l’on utilise uncircuit discriminant les
impulsions
dues à toutes les sections de celles dues à un nombreincomplet
de sections[50],
[118].
Dans le cas où l’ionisation
primaire
ne s’étend pas sur unegrande
longueur
d’anode,
cescompteurs
peuvent
êtresupérieurs
auxcompteurs
classiques.
C’est
particulièrement
le cas desrayons X
[119].
Compteurs
àgrille.
- Ilscomportent
unegrille
cylindrique
intermédiaire entre lecylindre
et le fil et coaxiale. Ils sont dus à Korfl etRamsey
[120],
[121]
et à W. F.Libby
[122].
Lagrille
estportée.à
unpotentiel supérieur
dequelques
dizaines de volts à celui ducylindre.
On obtient unetension de fonctionnement très
réduite,
untemps
de résolution
plus
faible,
sans diminuer le volume efficace. Parexemple,
uncompteur
contenant1,5
cmd’alcool
et 7
cmd’argon (L
= 31 i cm, a =0,0075
cm,b ---
7,5 cm)
fonctionne à 55o V avec une tensionde 2o V entre la
grille
et lecylindre (sans
grille :
Ces
compteurs,
de construction difficile etcou-tueuse,
sont maintenant totalementsupplantés
par lescompteurs
àhalogène,
qui
présentent
les mêmesavantages.
Ce
type
decompteurs
est àrapprocher
de ceux oùl’on
introduit,
entre le fil et lecylindre,
une série d’anneauxmétalliques concentriques, portés
à unetension
convenable;
l’efficacité aux y serait ainsiaugmentée
[123].
Les
grilles
ne sontplus
utilisées que commecathodes,
defaçon
à favoriser l’accès dans le volumeefficace,
desparticules
ionisantes[9], [124], [125].
Cathodes de formes
particulières.
--- On utiliseparfois
descompteurs
cylindriques
à section droite carrée ourectangulaire.
Ils sont dus à Curran etReid
[126] qui
étudièrent enparticulier
les effetsobtenus en désaxant le fil et en introduisant
plusieurs
fils. On les utilise commecompteurs
d’efficacité élevée pour ;[127], [128].
Letemps
de latence d’uncomp-teur alcool
(I cm);
argon(9 cm),
long
de 20 cm et dont la section droite mesure i o cm sur1, 2 5
cm(a=o,o2
cm)
est de l’ordre s
[129].
Sur de telscompteurs,
il est facile de construire des fenêtres latérales per-méablesaux ~
de faibleénergie [130].
une
application
dans certainesexpériences
decoïnci-dences
[131], [132].
Pour des mesures d’intensité de sources
radio-actives, les
compteurs
usuels ont l’inconvénient d’unangle
solidelimité;
lesdispositifs
permettant
d’in-troduire la source à l’intérieur ducompteur
sontincommodes
[133];
on obtient uneaugmentation
d’angle
solide avec descompteurs
de forme circu-laire dont la source occupe le centre[134].
Onpeut
aussi utiliser unsystème
decompteurs
enparallèle,
placés
entre deuxcylindres
coaxiaux, la source étantplacée
sur‘ l’axe[135].
Signalons
enfin uncompteur
en forme d’anneaucylindrique [136]
remplaçant
lesystème classique
d’anticoïncidence
hexagonal
à sixcompteurs
[137]
destiné à réduire le fond d’un
compteur
placé
surl’axe de cet
hexagone.
Compteurs
dits « à cathode externe ».Leur facilité de
construction,
leur faibleprix
derevient,
leurstabilité,
rendent cescompteurs
trèsintéressants dans de nombreuses
applications.
R. Maze
[138]
a introduit ce nouveautype
decompteur
dont la cathode est un tube de verre blanc(relativement conducteur), épais
de o,6 à I mm et recouvert extérieurement d’une couche conductrice degraphite.
C’est la surface interne du verrequi joue
le rôle de cathode : elle se
charge
aussi uniformémentque s’il existait une couche conductrice. Tout se
passe comme s’il existait entre l’intérieur et la masse un
système
résistanceR-capacité
C enparallèle
(fig. 7).
Si l’on
désigne
par el’épaisseur
du verre(cm)
Fig. ~. - Circuit
équivalant au compteur
du type Maze.
par A la surface
graphitée
par p la résistivitédu verre par 2 sa constante
diélectrique
(u.
e.s.) :
La constante de
temps
ducompteur
estElle est
indépendante
de ses dimensions.Pour un
compteur
de dimensions moyennes(e
=1,5
min, A = 5oo
cm’) [139] :
Ces
compteurs supportent
sansdommages
desdécharges
continues à des tensions très élevées.On a,
depuis, simplifié
la construction de cescompteurs
[140], qui
deviennent extrêmement peu coûteux(fige 8).
La
longueur
efficacespeut
être définie avecpréci-8. -
Compteur du type Mac Knight et Chasson
[140J.
sion
[141].
Cescompteurs
peuvent
porter
une fenêtreterminale en verre soufflé
[142],
permettant
ladétection des oc.
Leur mécanisme est le même que celui des
compteurs
à cathode interne
métallique,
comme l’ont montréen
particulier
des études sur lapropagation
de ladécharge
[143]
et sur la vie descompteurs
àméthane
[105].
-Le
méthylal
donne un excellent fonctionnement àbasse
température (- 20") [96], [97],
bien que l’onpuisse
craindre alors la diminution de conductibilitédu verre
[144],
qui
donnerait des effetsanalogues
àceux obtenus à la
température
ambiante avec descompteurs
dutype
Maze en pyrex[145], [146].
Ils ont, à
température
élevée,
le même comporte-ment que lescompteurs
classiques [100],
[147],
[148].
Labeyrie [149]
a construit uncompteur
de cetype,
d’efficacité élevée aux y, avec undépôt
internede ferronickel
(seuil
à 3 600 Àréponse
maximumà 2 5oo
A,
avec uneimpulsion
pour 1000photons).
On
peut
adapter
cescompteurs
audosage
de gazradioactifs,
etparticulièrement
du tritium[150], [151].
Ces
compteurs
sont utilisables sans difficultéparti-culière,
encomptage
proportionnel [139], [152~.
Je remercie M.
l’Ingénieur
principal
Viennet,
chef du Service de Documentation de la S. E. F.
T.,
dont la
grande
amabilité m’apermis
de grouperune
importante partie
des articles cités dans cetexposé.
Manuscrit reçu le 3o décembre 1952.
BIBLIOGRAPHIE.
[1] RUTHERFORD E. et GEIGER H. - Proc.
Phys. Soc.,
1908, 81, 141.
[2] GEIGER H, et MULLER W. 2014 Physik Z., 1928, 29, 839.
[3] TROST A. 2014 Z.
Physik, 1937, 105, 399.
[4] KORFF S. A. 2014 Electron and nuclear counters, theorie
and use, D. Van Nostrand, 1946.
[5] BOTHE W. 2014 Naturwiss., 1942, 40, 593.