Amplification logarithmique des courants faibles à l'aide de diodes

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Amplification logarithmique des courants faibles à l’aide

de diodes

M. Brière, A. Rogozinski, J. Weill

To cite this version:

144

Il est donc lohible de rendre dans une

_large

mesure

le vide dans

_{l’analyseur qui possède}

son

_système

de pompage propre,

indépendant

de la

_pression

résiduelle existant dans la tête. Le _parcours des ions dans cette

partie

du

_{spectromètre représente}

une fraction seule-ment de _{leur parcours}

total;

il est

_{possible d’y}

admettre une

_pression

relativement

_plus

élevée

(quelques

10- 5

_mm)

sans que des

_phénomènes

gênants

se

_produisent.

L’évacuation se fait par une

pompe à diffusion d’huile et le débit est de l’ordre de 20 _{litres par seconde.}

_Malgré

la

_complexité

iné-vitable de la construction

_mécanique

de

_l’appareil

et le

_grand

nombre de

_joints

de

_caoutchouc,

la remontée de gaz

permanents

ne

_dépasse

_pas Io- 3 mm _{par heure.}

L’analyse spectrométrique

des gaz résiduels a montré

qu’il s’agit

essentiellement de l’eau de

_désorption

et des

_produits

de dissociation de l’huile utilisée dans les pompes.

Cette tête de

_{spectromètre}

de masse a

_permis

l’introduction dans la chambre d’ionisation de gaz

sous des

_pressions

de 10- 2 mm de _{mercure; la}

_pression

mesurée alors dans l’enceinte. à l’aide d’une

_jauge

d’ionisation

_Philips

et d’un manomètre Knudsen

_[1]

ne

_dépassait

_pas 3 . Io-5 mm. Les

_spectres

de masse

ont été

_repérés

et les

_premières

mesures sur les inten-sités recueillies ont confirmé l’évaluation des

_pressions

dans la chambre d’ionisation. La

_possibilité

de

varier,

soit par

simple démontage

de la source, soit dans l’enceinte vidée

elle-même,

les ouvertures des fentes

objet

et

_diaphragme

a

_également

donné celle d’étudier

l’optique ionique

de la source actuellement utilisée. L’ensemble des résultats

_{expérimentaux}

fera

_l’objet

de

_publications

détaillées.

[1]

L’installation du manomètre Knudsen et les mesures

de vide sont dues à MM. DUVAL et LE GOFF.

AMPLIFICATION

LOGARITHMIQUE

DES COURANTS FAIBLES A L’AIDE DE DIODES

Par M.

BRIÈRE,

A. ROGOZINSKI et J. WEILL Commissariat à

_l’Énergie

_Atomique

Fort de

Châtillon, Fontenay-aux-Roses.

Le courant

_{thermo-ionique}

I et la tension

_anodiqueV

d’une diode sont

_liés,

_pour des valeurs

_négatives

de cette

_tension,

par une loi

_{logarithmique}

de la forme V -

_{Vo =}

.K

_Log

_I,

où

_Vo

et K sont des

cons-tantes

_{qui dépendent}

de la

_température

de la cathode et de la nature des électrodes

_(1).

Cette relation a _{été utilisée par}

_plusieurs

auteurs

₍₂₎

comme base d’une méthode de mesure de courants

susceptibles

de varier dans de très

_larges

limites.

(1)

0. W. _RICHARDSON, Phil. Mag. G. B. 1912, 23, 263 ; Phil. _Mag. G. B. I9 I 2, 24, 737; The Emission of Electricity

from Hot Bodies, Longmans, Green et _Co, Ig2I; S. DUSHMAN,

Phys. Rev., U. S. A, _{1914, 4,} I 2 I .

(2) MEAGHER et _BENTLEY, Rev. Sc. Instrum. U. S.A. 1939; 336-339; C. W. _{JOHNSTONE, rapport} déclassifié IL S. A., I949,

A. E. C. U., 363.

Nous avons

_repris

ce

_problème,

en nous attachant surtout à’

_étendre,

vers les courants très

faihles,

le domaine d’utilisation de la méthode.

En

_fait,

la loi en

_question

cesse d’être valable

lorsque

V

_s’approche

d’une tension

_{d’équilibre}

Va,

pour

laquelle

le courant

_qui

traverse la diode s’annule. L’existence de ce

_point

est due à un ensemble de facteurs

_{parasites, parmi lesquels}

nous ne citerons que l’isolement

imparfait

de _{l’anode par}

_rapport

à la

_cathode,

ce

_qui

a _pour effet de créer un courant de fuite entre ces électrodes et la

_présence

à l’intérieur de la diode de _{gaz résiduels} dans

_lesquels

les électrons émis par la cathode libèrent des ions

positifs (courant inverse) qui

se

_{dirigent également}

vers l’anode.

La valeur de _Ve

_{varie, suivant}

les

_diodes,

entre -

_T,5

et - 9,5 volts environ. La

_lampe

dont on se servira devra

_présenter

un courant de fuite et un courant inverse d’autant

_plus

faibles que le courant à mesurer

est lui-même

plus

faible.

Dans la

région logarithmique

de la

_{caractéristique,}

la résistance interne p de la

lampe

est variable et

peut

atteindre des valeurs très élevées. Aussi la résistance interne de la source du courant à mesurer

devra-t-elle être

_grande

_par

_rapport

à p. Une

chambre

d’ionisation et une cellule

_{photoélectriqùe}

constituent

d’excellents

exemples

de telles sources.

Notons, enfin,

que

l’appareil

destiné à mesurer la tension V devra

présenter

lui-même une résistance interne

prati-quement

infinie. On fera donc

_appel,

dans ce

_but,

soit à un électromètre

électrostatique,

soit à un

amplificateur comportant,

à

_l’entrée,

une

_lampe

élec-tromètre.

Fig. I. -

Dispositif expérimental.

La source de courant Ch est une chambre d’ionisation ou une cellule

photoélectrique

irradiée, par un rayonnement

approprié

d’intensité variable.

La _partie essentielle du montage est constituée par un

préamplificateur

comprenant une diode D et une _lampe

électromètre L, le tout entouré d’un blindage B.

Un commutateur C à grand isolement permet de faire passer

le courant fourni par Ch, soit dans la diode D, soit dans la

résistance R, qui peut varier dans de larges limites.

Le _{galvanomètre} G

permet

de mesurer la tension aux bornes de D et de R. ,

Les mesures de chute de tension effectuées sur D et sur R

permettent de déterminer V et I, d’où l’on déduit les courbes V = f(I)

représentées

sur la _figure 3.

Dispositif

expérimental. -

Le

_dispositif

expéri-mental que nous avons

_employé

_{pour étudier le}

coin-portement

d’une diode dans un

_montage

_{logarithmique}

est

_représenté

_{par la}

figure

I, Il

_comprend,

145

lement,

la

diode,

une chambre d’ionisation fournis-sant le courant

I,

un

_{amplificateur}

à courant continu et un commutateur C à

_{grand .isolement, permettant}

de mettre dans le circuit de la chambre d’ionisation soit une résistance R

(position I ),

soit la diode

(posi-tion

_2).

La chambre d’ionisation est _{irradiée par}

un

_rayonnement

X,

ou _{gamma, dont l’intensité}

_peut

varier dans de

larges

limites.

Les résultats les

plus satisfaisants,

à la fois

_quant

à la limite inférieure et

_quant

à l’étendue des courants que le

dispositif permettait

de mesurer, ont été obtenus avec des

_lampes

électromètres que l’on a fait fonctionner en diode

_{(fig. 2).}

Nous avons

utilisé,

en

particulier,

la

_lampe

954 et la

_lampe

Victoreen VX 41.

Fig. 2. - Détail des connexions en diode

des lampes 954 et VX 41.

Dans le cas de la 954, la _plaque de la _{lampe joue} le rôle,

d’anode en connexion diode, alors que pour la VX 41 la _plaque est mise à la masse et la _{grille, qui joue} normalement le rôle de _grille de commande en montage tétrode, sert d’anode en

connexion diode.

L’expérience

nous a _{montré que} l’étendue

logarith-mique

des

_{caractéristiques}

des diodes ainsi réalisées devenait sensiblement

meilleure,

lorsqu’on portait

les,

grilles

de ces

_lampes

à un

_potentiel

_légèrement

positif

par

rapport

à la cathode. D’autre

_part,

le courant de

_chauffage

du filament a _{été réduit par}

rapport

à celui

_indiqué

_{par le constructeur.}

On constate que la valeur

Vo peut

varier d’une

lampe

à l’autre et cela même _{pour des}

_lampes

du même

_type.

La cause déterminante du

_phénomène

observé est due

_probablement

à de

_légères

variations dans la nature des

_électrodes,

se

_traduisant,

en

parti-culier,

par des variations du

potentiel

d’extraction

_qui

les caractérise.

Les courbes

A,

B et C de la

_{figure 3,}

où A et B

correspondent

à une même

_lampe

954 et où C

corres-pond

à une autre

_lampe

du même

_type,

illustrent bien le cas considéré.

Les mesures ont été effectuées de la manière sui-vante :

Le commutateur C étant

_placé

en

_position

_i, on

détermine

_d’abord,

_pour

_chaque

intensité d’irradiation de la

_chambre,

la valeur du courant I

== 2013

_qui

la

traverse,

en faisant débiter celui-ci dans la résis-tance R et en mesurant à l’aide de

_{l’amplificateur}

la chute de tension VR

qu’il

y provoque. On fait passer ensuite C sur la

_position

_2,

et l’on

détermine,

à l’aide du même

_{amplificateur,}

la tension V

qui

apparaît

aux bornes de _{la diode traversée par} le

cou-rant

_déjà

connu I.

Résultats. - En

portant

V en fonction de

_logl,

on

_trouve,

_pour

_{chaque type}

de

_lampe

et pour diffé-rentes valeurs du courant de

_chauffage

de son

fila-ment,

des courbes dont la

_{partie rectiligne}

corres-pond

à des courants I

_pouvant

varier dans un

rap-port

de à

io5,

mais dont la limite inférieure

_dépend

du

_type

de la diode utilisée

_{(fig. 3).}

Fig. J. -

Caractédstiques logarithmiques

de diodes.

On a _représenté en ordonnées la tension V aux bornes de la diode et en abscisses le

courant

7 _qui la traverse.

La partie linéaire des

_{caractéristiques}

relatives aux deux

t.ypes de lampes 954 et VX 41 que l’on a fait fonctionner en

diode est valable _pour des courants dont les valeurs varient dans un rapport de i à I05. On _{remarquera que la partie}

linéaire des

_{caractéristiques}

correspondant à la lampe élec-tromètre VX 41 _s’étend, du côté des faibles courants, jus-qu’à 0-14 A. Les _pentes des _portions linéaires des

carac-téristiques dépendent

peu des conditions de fonctionnement des _lampes. Par contre, les

caractéristiques-

subissent

géné-ralement une _translation,

_quand

on _{passe d’une lampe} à une

autre, même pour des _lampes du même type; c’est le cas

des courbes A et C _{correspondant} chacune à une _lampe 945

diftérente, mais fonctionnant dans des conditions identiques.

Cette limite est _{de l’ordre de I0-14 A pour la VX 41} et _{seulement de I o-12 pour la 954. La}

_pente

varie peu d’une

lampe

à l’autre. Elle est

égale

à environ o,2 volts pour une variation du courant d’une

puissance

de 10.

Applications.

- Le

montage

décrit et les

carac-téristiques-

obtenues

_pourront

trouver de nombreuses

applications

notamment dans le domaine des

cou-rants faibles. Citons la

_possibilité

de lire sur une

échelle d’un

cadran,

et sans effectuer de

_changement

de sensibilité de

_{l’appareil,}

le résultat des mesures

d’une

_grandeur

_pouvant

varier dans un

_rapport

considérable

_(de

I à

_iol).

A cet

égard,

la méthode se

prête

particulièrement

bien à la mesure de flux

lumineux,

à l’aide d’une c,ellule

photoélectrique

et à la mesure, à l’aide de chambres

d’ionisation,

des intensités des

rayonnements

émis par des tubes à rayons

X,

par des substances radioactives et par des

_{piles atomiques.}

Les

disposit

ifs à

_réponse

loga-rithmique

présentent également

un

_{grand avantage}

dans les

_appareils

_portatifs,

destinés à la

_protection

du

_personnel

contre les radiations et à la

prospection

des minerais radioactifs.

146

du

_rapport

de deux

_grandeurs,

donné directement par la différence de lectures

correspondantes

On _a, en effet

Ajoutons,

enfin,

à ces

_applications

la

_possibilité

de mesurer la dérivée

_{logarithmique}

par

rapport

au

temps t

d’un courant variable

_{I(t), auquel correspond}

à la sortie de

_{l’amplificateur}

la tension

_V(t)

=

K LogI(t).

On

_placera

à la sortie de

_{l’amplificateur}

en série une

capacité

et un

_{galvanomètre, lequel}

accusera une

déviation

_{proportionnelle}

à ci v1

soit

ài

I3 dI, déviation

_{proportionnelle}

a

§,

dt soit

a y . -

I dt

On pourra utiliser ce

_procédé

_{pour la} mesure des

exposants

d’une fonction

exponentielle.

Nous citerons

principalement

le cas des

_{piles atomiques,}

où la

puis-sance est une fonction du

_temps

de la forme I =

10

ehl

et celui des radioéléments dont la radioactivité suit

une loi

_analogue.

Le

facteur k,

dérivée

logarithmique

de I

_représente

la «

_période

» de la

_pile

ou du radio-élément. Le

_dispositif

décrit

_permet

la mesure directe de cette

_période.

PERFECTIONNEMENT

AUX COMPTEURS DE

GEIGER-MÜLLER

CONTENANT DU CO2

Par J.

LABEYRIE,

Commissariat à

_l’Énergie

_Atomique,

Laboratoires du Fort de

_Châtillon,

_{Fontenay-aux-Roses.}

Sommaire. 2014 On décrit

un _procédé de détection et de _dosage commode du carbone radioactif en _{phase gazeuse (CO2)}

dans un _compteur de Geiger-Müller. En _ajoutant au CO2

une faible

_quantité

d’alcool (I cm _Hg) et en utilisant un

temps de restitution du _potentiel d’anode de 2.I0-4 ~

environ, on obtient des paliers

supérieurs

à _{200 V,} même à des taux de _comptage de I5 000 _{impulsions par} minute; la stabilité et la fidélité de ces paliers sont bonnes.

1. Introduction. - Les

techniques

utilisant le carbone I4 comme

_isotope

_marqué

ont une

_grande

importance,

particulièrement

dans les sciences

bio-logiques.

Il est

_cependant

assez

difficile,

en

_général,

d’effectuer des mesures sur les échantillons contenant le

car-bone

_I4,

car

l’énergie

du

_rayonnement

3

émis est l’une

des

_plus

_{faibles que l’on connaisse}

_{(Em x :}

I 55

_{ke V) [9],}

[10], [11].

Pour détecter ce

_rayonnement

il faut utiliser des

_compteurs

de

_Geiger

à

_paroi

très

mince,

ou, mieux encore, des

compteurs

spéciaux

dans

lesquels

on introduit l’échantillon radioactif en

_phase

gazeuse. En

_outre,

la très

longue

période

du carbone i fi

(5

ooo ans

_{environ) [3],}

se _{traduit par} une très faible activité

spécifique

des échantillons contenant cet

isotope.

Là _encore, l’introduction du

_composé

car-boné à l’intérieur même du

_{compteur présente}

un

gros

avantage,

puisqu’elle

permet

d’avoir un

_angle

solide de

_comptage

aussi

_grand

_que

_possible.

2.

_Compteurs

contenant du

_C02.

- Plusieurs auteurs

_[2]

à

_[6]

ont étudié le fonctionnement des

compteurs

Geiger

dans

_lesquels

on introduit divers

mélanges

contenant du

_{C02, qui}

est le

_composé

Fig. 1.

,Paliers à divers taux de _comptage d’un _{compteur rempli} du _{mélange C02-alCOOI,}

La constante de temps de restitution du _potentiel sur

l’anode est de 5. 10-4 s.

Les _{pressions partielles} de CO2 et d’alcool sont respecti-vement o cm _Hg et i cm _Hg.

gazeux du carbone le

plus

facile à obtenir. Ces études ont

_porté

sur des

_mélanges,

car les

_compteurs

_remplis

avec du

_CO2

_pur n’ont

_pratiquement

pas de

palier,

Fig. ? .

Influence de la constante de temps de restitution du potentiel sur le

palier

du compteur.

Les pressions partielles du _{mélange CO2-alcool} I sont

res-pectivement

i o _{cm Hg} et i cm _Hg.

La longueur du

_palier

est _{mesurée par la} différence de

potentiel séparant deux points du _plateau entre

_lesquels

l’augmentation

du taux de _comptage est de _{4 pour} I00.

Les mesures ont été faites à un taux d’environ 5 ooo

impul-sions par minute.

Les constantes de temps T ont été déterminées au _moyen

d’un

préamplificateur,

à _temps mort _{variable, app)iquant}

sur l’anode du compteur une _{impulsion négative} de _{r 6o V,} clont la _durée, à la moitié de sa _hauteur, est :.

même si l’on éteint artificiellement leurs

_impulsions