ÉTUDE SPECTRALE DU RAYONNEMENT. TEMPÉRATURE

On sait que, dans l'arc classique entre baguettes de charbon techniquement pur, le plasma émet relativement peu de lumière visible, et que cette dernière est pratiquement négligeable devant celle émise par le cratère anodique. La courbe de répartition spectrale de la lumière obtenue est identique à celle du corps noir porté à environ 3 800° K, avec quelques vagues dans l’ultraviolet et une dans le violet correspondant aux bandes d'émission de C, et de CN. L'examen du domaine visible du spectre révèle, outre les bandes attribuées aux molécules CN et C,, des raies dues pour la plupart aux impuretés minérales contenues dans le charbon, car celles de l’atome d’azote sont faibles, et l'atome de carbone n’en donne que deux qui sont peu intenses (5793,5 et 7118,61) d’après N. BroDE [81]. Bien qu'OrRNsTEIN ait noté des raies de Ca+, Sr+, Ba*, les raies observées dans le spectre de l’arc sont normalement celles des atomes neutres excités.

L’arc d’un charbon non intensif à mèche est un peu plus riche en raies, mais l'énergie correspondant à ces dernières est encore très faible, car les corps minéraux introduits dans la mèche rayonnent peu dans le visible. MES

Si l’on minéralise la mèche d’un charbon non intensif avec des corps rayonnant beaucoup dans le visible, leur spectre se révèle avec intensité dans le plasma et dans la flamme de l'arc. Dès que l'effet Becx apparaît, les vapeurs sortant de l’anode émettent alors un spectre de raies très intenses, avec un léger fond continu qui se superpose à celui de la lumière émise par les parois du cratère. Les raies spectrales appartiennent en général au spectre d’atomes neutres, mais plusieurs auteurs ont observé des raies d’atomes ionisés. FINKELNBURG et ScaLuGE [35] ont signalé celles de Ca* et de Sr* au contact du dard cathodique. RyDpE [62], étudiant le spectre de l'arc intensif 150 A/75 V, y a identifié non seulement les raies des atomes neutres C J, NI, 0 I, H et celles des corps présents dans la mèche, mais aussi quelques raies de N ZI, et deux ou trois qu'il attribue à C IL, c’est-à-dire à l’atome de carbone ionisé. Par la comparaison suivante, il montre que dans l’arc intensif les états d’excitation seraient supérieurs à ceux régnant

dans l’arc ordinaire :

Décharge dans l’hélium entre Arc ordinaire. Arc intensif, électrodes de carbone. US CIE OO Faible Très forte - DROIT ON EIRE EC AI Absente Présente Présente

SAN CLIS TERRE Vas Absente Faible Présente

L'émission des raies d’atomes ionisés par l'arc intensif doit cependant être regardée comme exceptionnelle. RyYDE [62] signale l'intensité des bandes de SWAN oe par le cratère et au contact de l’anode, en particulier à la partie supérieure. D après cet auteur, le gaz d'éclairage renforce extraordinairement ces bandes, ce qui les faisait attribuer par JoHNsoN à des molécules CH-CH, mais il est classique de les attribuer à la molécule C,. D.

La répartition spectrale de l’énergie rayonnée par l’arc intensif est très différente

Was 2 490-407 Er | :

450 RAM RTE ne

\ 6060°K \ in ; \ Arc Beck Lo À

K Courbe Planck 3700°k

Fig. 46. — Distribution énergétique moyenne.

de celle émise par le cratère non minéralisé. Les courbes de distribution énergétique 1 et 2 de la figure 46 (voir planches) sont respectivement relatives au cratère d’un charbon de diamètre 16 mm brûlant à 150 A/70 Y, et à celui d’un charbon de diamètre 7 mm, brûlant à 50 A/39 V. Relevées à l’aide de notre spectrophotomètre elles ne représentent que l'énergie visible. La courbe 3 de la figure 46, que j’emprunte à FINKELNBURG et SCHLUGE [10] montre l'allure du rayonnement global d’un charbon intensif de diamètre 7 fonctionnant à une intensité normale (50 A) et surchargé (75 A). Le rayonnement d’un charbon homogène de diamètre ro mm supportant 30 À est donné à titre de comparaison.

L'examen du spectre révèle un grand nombre de raies intenses sur un fond continu (voir les spectrogrammes de la figure 24, voir planches) relatifs à un charbon intensif

de diamètre 8 fonctionnant à 4o A). On peut aussi trouver des bandes dans ces spectres, elles sont émises dans les parties périphériques de l'arc, et notamment dans la flamme par les molécules qui s’y trouvent, alors que le centre de l’arc émet surtout les raies des atomes excités. Les spectrogrammes de la figure 47 (voir planches) illustrent cette remarque. [ls correspondent au cratère et à la flamme de charbons diamètre 8 mm minéralisés au fluorure de calcium, supportant soit 32 À, soit 6o A. Les diagrammes 2 et 4 montrent les raies émises par la flamme. Il ne faut pas comparer ces diagrammes en Valeurs absolues, car la sensibilité de l’enregistreur n’était pas la même dans tous les cas. À 32 À le spectre de flamme est pauvre et comporte des bandes. À 50 A le spectre de la flamme a évolué, s’est complété, les bandes ont disparu ou se sont atténuées, tandis que les raies sont devenues plus intenses. Le spectre de cratère s’est enrichi également.

Les différences entre l’émission des parties centrales et celles des parties périphériques de l’arc ont été constatées par de nombreux auteurs. Mannkopr [63] pour mesurer la température d’après l’intensité des raies, visait le centre de l’arc par l’intérieur de l’anode creuse. ORNSTEIN note que les raies du Ca+ ne s’observent que dans le centre de l'arc.

L'examen des diagrammes de répartition d'énergie spectrale 1, 2, 3, 4, de la figure 48 (voir planches), établis dans les mêmes conditions pour des charbons minéralisés respectivement avec des terres rares (qualité Orlux 544), avec un peu de terres rares diluées dans du ferro-silicium (qualité Orlux 2544), avec du ferro-silicium (qualité Orlux 3 544), et avec du thorium et du titane (qualité Orlux 644), révèlent la présence constante de deux fortes « vagues » vers 4700 À et 5100 À. Le diagramme 5 de la même figure relatif à un charbon homogène surchargé (d 8 à 45 A) montre également la présence de ces deux vagues qui doivent donc appartenir au système carbone, oxygène, azote, et semblent accompagner toujours l’arc intensif. Ces vagues ressortent nettement dans les courbes de FINKELNBURG et SCHLUGE relatives à l’homogène surchargé [10].

J’ai soumis à M. BLaïsE, attaché au C. N. R.S. à la Faculté des Sciences de Nancy, plusieurs spectrogrammes obtenus au moyen de l’appareil à réseau JoBiN et Yvon (dit sensitomètre). Les charbons de qualité Orlux 544 d 8 minéralisés aux terres rares étaient soumis à des intensités respectives de 65 À (régime normal) et 100 A. Il résulta de l’examen que les vagues constatées sur les diagrammes d’énergie devaient être attribuées aux bandes de la molécule C;. Au régime surchargé, les intensités des têtes de bandes de 4216 et 3883 À dues à CN, et 5165,2, 5129,3 de la molécule C,, apparaissent inversées, ce qui indique une forte concentration en vapeur de carbone. L'identification des têtes de bandes était rendue difficile par le grand nombre de raies dues aux terres rares. Les terres rares furent alors remplacées par du calcium introduit sous forme de

spath fluor.

Les charbons méchés au spath fluor étaient de ® 8 mm. Les spectrogrammes examinés par M. BLAISE correspondaient aux intensités de 60 À d’une part, et 90 à 120 À d'autre part, ces surintensités étant obtenues par surcharge spontanée (pompage) ou provoquées par modification des caractéristiques du circuit. Les résultats sont les mêmes dans les deux cas. La surintensité provoque de façon très intense le renforcement des bandes dues à la molécule C,, dont les têtes ont pour longueur d’onde :

Certaines sont à peine perceptibles sur le spectrogramme de référence. Le groupe 4367,2-4371,4-4382,5 est également renforcé, mais il est moins intense que les

précédents.

Les bandes dues à C N, dont voici les longueurs d’onde de tête : 3583,9 À 3850 À 3871,4 À 4167,6 À 3585,8 3854,9 3883, 4 4180,8 3540 ,9 3861,7 4158 4197,1

sont à peine renforcées par la surintensité.

Les raies du calcium et du baryum sont renforcées. Il apparaît une bande très intense dont la tête a pour longueur d’onde 6086,5, et dont l’origine est ignorée. Quelques

raies de Ca ZI et de Ba II ont été identifiées :

CAPE NE ee eee Se CE Eee 3706,0 À RE A A 2 TR NN PRE LR a 3736,9 D ET LR 2 D ARE ARE Te 3933,6 BAT REED MR RCE CS RE 4554 ,0

Ceci correspond aux observations d'ORNSTEIN et de RyYDE déjà citées. Ces raies ont été observées au régime moyen de 60 A, et se trouvent plus ou moins renforcées par la surintensité.

Les groupes de bandes de la molécule C, repérées vers les longueurs d’onde 4700 et 5100 À expliquent bien la présence des vagues sur les diagrammes d’énergie. Le groupe 5550-5600 ne se traduit pas par une vague nette parce qu’il est moins intense, mais on le voit sur le diagramme correspondant à l'arc sifilant (fig. 48).

Il est intéressant de remarquer que le spectre de la comète de Brooks comporte les trois mêmes groupes de radiations intenses que l'arc sifflant. K. Wurm dans Handbuch der Astrophysik (suppl. 1936, t. 3, p. 7305) signale ces groupes dont les têtes se situent respectivement à 4737 À (très intense), 5165 À (un peu moins intense), 5635 À (moins intense). L'ordre des intensités est en gros le même que dans les spectres d’arc.

Les bandes intenses dont je viens de souligner l’existence sont donc communes à tous les arcs intensifs entre charbons, que ces derniers soient minéralisés ou non. Comme le rayonnement du fond du cratère est également commun à tous ces arcs, on s'explique que la lumière émise par le cratère des arcs intensifs ait une teinte dépendant peu de la minéralisation et de dominante bleu vert. Même avec une minéralisation de fluorure de calcium, j'ai mentionné que lorsque l'effet Becx se produisait sporadiquement, on voyait une luminescence bleue très vive dans le cratère, et l’étude spectrale a montré que les bandes dues à C, en sont la cause. |

Les études de FINKELNBURG et SCHLUGE ont montré que la surcharge d’un charbon homogène est accompagnée d’une augmentation de brillance, laquelle peut atteindre 40 000 sb, la brillance du plasma gazeux y participant pour 16 000 sb. Ces caractères communs de la haute brillance et d'émission intense de bandes de la molécule C; dans les régions 4700 et 5 100 À rapprochent les arcs intensifs entre charbons minéralisés et charbons techniquement purs. Le caractère de l’arc minéralisé et sa supériorité résident dans sa stabilité. |

Le fond continu qui apparaît sous les nombreuses raies de l’arc intensif est, d’après plusieurs auteurs, dont PHERSON [52] et FINKELNBURG et SCHLUGE, partie dû à l’émis-

sion du cratère, partie dû à celle du plasma. FINKELNBURG et SCHLUGE expliquent l'existence de spectres continus dans les décharges d'’étincelles et d’are par le freinage des électrons dans le champ des ions positifs (transitions libre-libre), et même par des recombinaisons (libre-lié) où des énergies de toutes valeurs peuvent être rayonnées [39], [29]. Lorsque la brillance augmente par suite d’un accroissement de l'intensité électrique, l'émission du fond continu et celles des raies s’accroissent. PHERSON attribue surtout l’augmentation de lumière à l'élargissement des raies. Ce fait a été signalé par de nombreux auteurs dont Mannxopr [63]. La surcharge de 65 à 100 À sur les charbons de ® 8 minéralisés au calcium n’a permis d'observer l'élargissement des raies de Ca I qu’aux environs de 3600 À. Par contre, la surcharge renforçait fortement le fond continu du spectre, et l’on est porté à croire que ce renforcement a sa naissance dans les vapeurs plutôt que sur le fond solide du carbone.

Paul Proisy [53] a étudié l'élargissement des raies sur des charbons minéralisés au fluorure de calcium, et a chiffré les parts d'augmentation provenant respectivement de l’élargissement des raies et du fond continu. Par exemple, pour un charbon de 16 mm de diamètre, l’accroissement de la brillance est surtout dû au renforcement du fond continu entre 120 et 170 À, et à l'élargissement des raies du calcium au-dessus de 170 À. On connaît quatre causes d’élargissement des raies : effet Dôppler-Fizeau, effet STaRKk, effet de choc, effet d'absorption. Les deux dernières causes sont les plus probables dans le cas de l'arc intensif, car la concentration des vapeurs anodiques croît fortement avec l’intensité. PHERSON se prononce pour un effet d’absorption.

Température de l'arc intensif. — Rohloff [16] a mesuré la température de la pointe de flammes d’arcs intensifs en y faisant fondre des fils métalliques très fins, et a trouvé 3 8000 K. En se basant sur la vitesse des vapeurs s’échappant du cratère, laquelle décroît jusqu’à la pointe de la flamme, il a calculé des températures de 6000 à 9 000° K aux environs immédiats du cratère. Hæcker et FINKELNBURG [32] ont

calculé la température régnant dans le centre de la veine contractée en partant de l’équation d'ELENBAAS et ont trouvé 110000 K. La détermination de la température à partir de la distribution d'énergie dans les bandes de C, et de CN, effectuée par plusieurs auteurs sur l’arc non minéralisé, ne semble pas avoir été appliquée à l’arc intensif. K1ZEL (?) a mesuré les rapports d’intensités de certaines raies spectrales de Mg+ et de Mg, de La* et de La, pour calculer le degré d’ionisation. FINKELNBURG [88] a utilisé ces données pour vérifier les valeurs qu’il avait trouvées avec SCHLUGE à partir de l’énergie rayonnée. La concordance a été bonne, mais on peut remarquer que toutes les mesures intéressant la température des masses gazeuses ont des bases théoriques assez imprécises.

FINKELNBURG et SCHLUGE se sont basés sur des mesures d’énergie rayonnée. Ils ont d’une part mesuré le rayonnement total en le recueillant sur une pile thermo-électrique [44 fer] ou dans un calorimètre [47]. D'autre part, ils ont relevé la courbe de distribution énergétique entre 3 500 et 12000 À [10].

La formule de STEFAN-BOLTZMANN a été appliquée par ces auteurs au rayonnement total et au rayonnement 3 5o0o-12000, en modifiant la formule dans ce dernier cas. Ils ont alors obtenu la température de radiation, évidemment très inférieure à la tem-

(2) Kizez, Journ. Techn. phys., Léningrad, 9, 1939, p. 2023.

pérature vraie, puisque le pouvoir émissif des vapeurs anodiques est certainement bas, et de base discutable, le spectre étant composé d’un fond continu auquel un spectre de raies beaucoup plus intenses est superposé.

FINKELNBURG et SCHLUGE, remarquant que la courbe d'énergie 3500-12 000 À obéit

1,0 4Y 09 Fr sa0 TI GRR À #Jo o Ca

Fig. 49. — Triangle des couleurs.

à la formule de PLANGK, ont estimé pouvoir appliquer la formule de Wien, et ont ainsi obtenu une température de distribution. Partant de cette température, ils ont alors calculé le rayonnement théorique par la formule de STEFAN BOLTZMANN, ce qui leur a permis de déterminer un coefficient d'absorption. Ce coeficient, de l’ordre de 0,3 à o,/4 suivant la densité de courant, correspond à une évaluation du « degré de rem-

plissage » du spectre faite par les mêmes auteurs; introduit dans la formule de SrEFAN BOLTZMANN, il leur a enfin permis de corriger la température de radiation trouvée à partir du rayonnement total. Voici les valeurs obtenues : Anodes ® 7 mm Températures (°K) TR

LPO A TETE Ve Température de radiation trouvée en appliquant la formule de Srgran BOLTZUANN au HAVODE MONISTO LA PME LA NE lee NE ya 4300 5100 Température de radiation trouvée en appliquant la formule de SreraN BOLTZMANN au rayonnement 35600-12000 À (formule adaptée à ce rayonnement). 4330 1930 Température de distribution trouvée en appliquant la loi de Wien au TDR MOUR-SSO0 ED OO Aer: Pan or re nn au su AU MON Un de 5600 6o6o Température vraie trouvée en appliquant la formule de Sreran BoLrzMANN au rayonnement total. Compte tenu du coefficient d'absorption. ............ 5720 6330 BoSthcien d'absorption moyen 22e 2 0 ec 0 ed ane a oi pi Ut 0,32 0,42

Dans l’'Ouvrage publié en 1948 [88], FINKELNBURG adopte 5600 K et 60000 K, les coefficients respectifs étant 0,35 et 0,42.

La mesure directe de la température de couleur a été faite avec un appareil EASTMANN (Eastmann temperature color meter) sur la lumière émise par un charbon qualité Orlux 550 (à mèche dure) supportant 150 A. Le chiffre trouvé a été de 5 0000 K.

Par spectrophotométrie, j’ai dit que nous déterminions les coordonnées XV etrZ dans le système international. La figure 49 montre quelques points ainsi obtenus :

Charbon à mèche dure volatilité faible (qualité 550). Charbon à mèche dure volatilité moyenne (qualité 550-01). Charbon à mèche molle volatilité moyenne (qualité 552).

Le point C est calculé à partir de la courbe énergétique n° 1 de la figure, 46. On remarque que ces points sont situés près du point W représentant le spectre d’égale énergie, et dont la couleur correspondante est le blanc légèrement pourpre.

L'énergie rayonnée par le cratère de l’arc intensif est considérable, puisqu'elle peut atteindre 6000 W : cm?[88]. C’est donc une source de choix pour la réalisation de hautes températures. En recueillant son rayonnement et en le concentrant, il est possible de réaliser une très grande densité d'énergie. On peut ainsi obtenir des températures très élevées, en s’affranchissant des influences du carbone et du milieu dans lequel l’arc est entretenu.

“LE Her "+ 6 re 1 ESS 7