CHAPITRE II
Appareillage.
Je commencerai par décrire les photomètres enregistreurs employés et par indiquer dans chaque cas la technique de leur utilisation.
Les sources lumineuses de comparaison employées méritent aussi une mention détaillée, nécessaire pour l’explication d’une partie des résultats acquis.
Les préoccupations qui m'ont guidé dans ces réalisations n’apparaîlront au lecteur qu’au cours de l’exposé des résultats et de leur discussion. Si je n’avais pas craint d’alourdir considérablement le texte, j'aurais procédé par ordre purement chronologique, expliquant chaque fois la difficulté nouvelle et la solution nouvelle imaginée pour l’éviter. J'étais sûr en procédant ainsi d’être à la fois plus obscur et moins utile. Le lecteur voudra bien tenir compte de cette remarque dans la suite.
DESCRIPTION DES PHOTOMÈTRES
Trois appareils ont été construits que je numéroterai : 1, 2, 3, dans l’ordre chronologique. Les numéros 1 et 2 sont des enregistreurs automatiques. Le numéro 3 est un photomètre à lectures directes, léger et peu encombrant qui a été utilisé pour des mesures accessoires. Chacun a subi au cours de sa vie bien des modifications de détail.
Le numéro 1 a été l'appareil d'essais et de mise au point : il a permis de construire le numéro 2 en toute connaissance de cause. Il a en même temps servi à acquérir presque tous les résultats exposés plus loin.
Je commencerai par la description de l'appareil n° 2 con-
sidéré comme type définitif du photomètre enregistreur automatique à cellule photoélectrique pour étude du ciel nocturne et du crépuscule (5).
Photomètre n° 2.
Principe. — Dans tous mes photomètres j'ai adopté l'usage d’un électromètre mesurant la différence de potentiel aux bornes d’une résistance de fuite.
Le schéma du circuit est représenté figure 2, valable pour tous les instruments : la cellule débite sur une résistance R ; l’électromètre mesure la différence de potentiel aux bornes de cette résistance.
La cellule. — On doit rechercher la plus grande sensibilité compatible avec les autres conditions d’utilisation : en particulier, l'appareil étant destiné à être dehors et à subir toutes les variations de température, on doit chercher à diminuer leur influence. Je ne citerai que pour mémoire la dessiccation obligatoire pour obtenir des isolements conve-
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nables (même sur l’ambre). La cellule au césium pur, très sensible, est d’un emploi à peu près impossible à cause de son courant thermoionique plus élevé, dès la température ordinaire, que le courant photoélectrique à mesurer, et dont la compensation devient illusoire si l’appareil doit subir des variations de température. Le refroidissement de la cellule n’a pas été envisagé par raison de simplicité.
Les mesures ne sont faites que lorsque la lune est absente, aussi l'appareil ne sert-il que quelques jours par mois. Dans le but d’avoir des mesures aussi comparables que possible sur des intervalles de temps de l’ordre d’un an et plus, les cellules à atmosphère gazeuse ont été aussi écartées. Leur courant n’est d’ailleurs pas rigoureusement proportionnel au flux reçu.
Nous avons décidé de nous arrêter à une cellule Philips au rubidium dans le vide. Sa sensibilité nominale n’est que de 12 microampères par lumen et son seuil photoélectrique vers 10 000 À. Son courant thermoionique est pratiquement nul.
Une cellule à alliage de césium ayant à peu près les mêmes caractéristiques a été utilisée sur le n° 1. Mais son courant thermoionique a toujours été un peu gênant.
D'autre part la résistance intérieure de la cellule doit être très grande devant la résistance de fuite, ce qui interdit l'usage de cellules à couche d’arrêt.
Les cellules dites « techniques » utilisées couramment dans l'industrie cinématographique ont une résistance intérieure trop faible pour convenir. On doit donc prendre des cellules spécialement construites pour l’usage du laboratoire avec un isolement très soigné. L’anneau de garde, isolant l’anode de la cathode, est un accessoire utile. La cellule sera également placée dans une enceinte desséchée. |
L’ultra-violet n’ayant pas été étudié dans ce travail, on a pris des cellules de verre et non de quartz.
La résistance. — Cet accessoire doit posséder des qualités
exceptionnelles : valeur élevée et insensibilité aux variations de température.
Plus la résistance est élévée, plus l'appareil est sensible. Mais il vient un moment où sa constante de temps devient trop grande pour conduire à un équilibre dans un temps raisonnable. Il convient donc de chercher à réduire la capacité de la cellule comme celle de l’électromètre. Les cellules de laboratoire ont des capacités de quelques centimètres. L’électromètre ne doit pas avoir plus. On cherchera aussi à éviter la capacité des fils de connexion.
Les résistances utilisées ont été 1,8.10t? ohm et 1,4.10t! ohm pour la nuit ; 2,8.10!° ohms et 5,2.10° ohms pour le crépuscule.
IL est très intéressant de faire varier la sensibilité de l'instrument en faisant varier la résistance plutôt que de faire varier l'ouverture ou la brillance du faisceau à l’aide de diaphragmes ou de lames absorbantes dont l’action n’est pas la même dans les différentes régions du spectre.
Les résistances SS White ont rempli les conditions requises.
Le temps nécessaire pour atteindre 99 o/o de la déviation est 20 secondes avec la résistance de 1,4.10!! ohm.
Un changement automatique de résistance est prévu pour adapter la sensibilité à la lumière traversant le filtre employé.
L'électromètre. — D'après ce qui précède il doit être sensible et de faible capacité ; en outre la température ne doit avoir que peu d'influence sur lui.
La différence de potentiel à mesurer est du dixième de volt environ dans les conditions d'emploi. Pour la mesurer au centième près, l’électromètre doit atteindre le millivolt.
Pour son insensibilité assez grande à la variation de température, le type Lindemann a été choisi. Sa capacité est faible et sa sensibilité suffisante. Son très faible encombrement est aussi un avantage et son fonctionnement est assuré avec
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moins de 100 volts ce qui est accessoirement intéressant, car les piles nécessaires n’occupent pas beaucoup de place.
Réalisation. — L'appareil répond aux exigences suivantes : orientation dans toutes les directions ;
ouverture et fermeture automatiques ;
mise en marche de l'enregistrement à l’ouverture ;
arrêt à la fermeture ;
Fig. 3. — Vue générale de l'appareil no 2 en cours d'installation.
On distingue à gauche la plate-forme allongée recouverte d’un couvercle avec deux portes de visite. Au centre, la tourelle supportant le tout est mobile autour d’un axe vertical. A droite, un capot cylindrique renferme la cellule, le mécanisme des filtres, l’obturateur. Au-dessus de ce capot, l’anneau porteobjectif. La photographie est prise à Saint-Genis-Laval. Au deuxième plan, un abri enfermant l'appareil no 1.
circulation régulière de filtres colorés devant la cellule pendant la marche ; inscription du temps sur la bande d'enregistrement.
Deux axes de rotation ont été choisis : un axe vertical autour duquel tourne tout l’appareil et qui donne l’orientation en azimut; un axe horizontal autour duquel tourne
seulement la partie optique et la cellule, qui donne l’orientation en hauteur (fig. 3 et 4).
Une colonne en fonte C servant de pivot vertical supporte tout l’appareil. La graduation en azimut se trouve sur la base de cette colonne.
Une tourelle T ayant la forme d'un prisme à base carrée, alésée à l’intérieur, s’emboîte sur la colonne. Sur une de ses
Fig. 4.
faces se trouve fixée une longue plate-forme horizontale P destinée à recevoir l'électromètre, les piles et le dispositif enregistreur. À la partie supérieure de cette face s’ouvre un deuxième alésage qui traverse horizontalement la tourelle et dans lequel peut tourner un tube.
Le tube est solidaire d’un large plateau circulaire en aluminium supportant le mécanisme moteur. Une tige fixée dans le plateau supporte l’objectif. Le tube contient la cellule A qui reçoit la lumière par l'intermédiaire d’une fenêtre pouvant être obturée par rotation d’un tube obturateur entourant le tube principal.
Des couvercles étanches à la lumière enferment d’une part le plate-forme, d'autre part le mécanisme.
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La substitution des filtres devant la cellule est obtenue par le dispositif suivant (fig. 5) : huit filtres sont placés sur huit fenêtres régulièrement percées sur la surface latérale d'un tambour cylindrique en aluminium. Un petit moteur électrique fortement démultiplié fait tourner le tambour d’un mou-
Fig. 5. — Le capot de la figure 3 a été enlevé. On voit de droite à gauche le tambour porte-filtre (les fenêtres sont dégarnies de leurs verres colorés); ensuite le tube obturateur horizontal de grand diamètre s’enfilant sous le tambour ; puis l’un des électros de commande de cet obturateur. En dessous, le variateur de la vitesse du moteur. Enfin, le plateau circulaire puis les autres organes déjà décrits : tourelle, plate-forme, etc. Au-dessus, l’anneau porteobjectif.
vement discontinu grâce à une croix de Malte à huit branches. Une obturation complète sépare deux filtres consécutifs donnant ainsi le zéro de l'appareil très fréquemment. La
-vitesse du moteur est variable dans de très larges limites grâce à un dispositif électrique spécial. En plus, un changement de vitesse est prévu sur la démultiplication, de sorte que la période de succession des filtres peut prendre toutes les valeurs entre 20 secondes et 8 minutes.
Une transmission spéciale met en marche le déroulement
Fig. 6.
du papier photographique enregistreur à partir de ce même moteur en donnant un déroulement d’environ 6 mm par filtre passant devant la cellule.
La rotation de l’obturateur autour du tube principal, destinée à ouvrir ou fermer la fenêtre de la cellule, est commandée par deux électro-aimants représentés figure 6 et dont une partie est visible figure De
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Fig 7e
On voit à la partie inférieure le cadran du mouvement d’horlogerie en haut duquel une came spéciale a été rapportée pour commander les extinctions tous les quarts d'heure,
Au-dessus, les bornes d’arrivée des différents circuits, deux tubes à mercure et un support pour un troisième. Ces tubes sont normalement placés sous couvercle.
Au fond de la boîte et plus haut, on distingue dans l’ombre les boites de jonction des différents circuits disposées verticalement.
Tout à fait à gauche, le grand plateau circulaire avec le bouton du changement de vitesse, et les engrenages renvoyant le mouvement du moteur au dérouleur de papier photographique (fig. 8).
Tout à fait à droite, le début de la plate-forme recouverte de son couvercle.
L'organe de commande automatique doit alors remplir le rôle suivant :
Ouverture. — À une heure déterminée, envoyer pendant une seconde environ le courant continu dans l’électro-aimant d'ouverture ; couper ce courant; en même temps, établir le contact sur un circuit alternatif mettant en marche le moteur des filtres et de l’enregistreur et allumant la lampe d’éclairage de l’électromètre.
Fig. 8.
Le grand couvercle de la plate-forme a été enlevé et on ne voitici que l'extrémité de cette plate-forme.
La réserve de papier photographique est dans la boîte carrée en haut.
On distingue le mécanisme d’entraînement, mu par le renvoi à cardan.
La partie inférieure‘est représentée ouverte et laisse entrevoir la bobine réceptrice.
En marche.— Eteindre périodiquement pendant 20 secondes la lampe d'éclairage de l’électromètre tous les quarts d'heure ; une double extinction est prévue aux heures justes (une extinction partielle est réellement réalisée pour prolonger la durée de la lampe).
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Fermelure. — À une deuxième heure déterminée, envoyer pendant une seconde environ un courant continu dans l’électro-aimant de fermeture ; couper ce courant; couper également l’alternatif.
Un seul mouvement d’horlogerie remplit ces diverses tâches. IL est situé sur une des faces libres de la tourelle centrale. Tous les contacts sont obtenus au moyen de tubes à mercure (fig. 7).
L’enregistreur (fig. 8) est un appareil déroulant d’une façon continue une bande de papier photographique perforé à émulsion spéciale. A la partie supérieure se trouve une réserve de 100 m. La bande se déroule verticalement et passe derrière une fente où elle est impressionnée. Elle vient ensuite s’enrouler sur une bobine réceptrice que l’on peut enlever en plein jour pour la transporter au laboratoire de développement. Le papier a une largeur totale de 60 mm dont 49 sont situés entre les perforations. Un viseur spécial permet de suivre les déplacements de l’aiguille de l’électromètre sans interrompre l'enregistrement.
L'objectif est constitué par deux lentilles plan-convexes de distance focale 4oo et 330 mm séparées par une distance de Lo mm. Il a une distance focale de 190 mm pour les rayons centraux jaunes. [l n’est ni stigmatique ni achromatique, mais comme on n’a pas besoin de délimiter strictement sur le ciel une région à bords nets, il n’a pas besoin de plus grands perfectionnements. Le diamètre de la première lentille est 228 mm dont 218 sont utilisés, ce qui correspond à une ouverture relative de f/0,87.
Une série de diaphragmes à placer à 5 mm sous la deuxième lentille permet de réduire l'ouverture pour l’étude du crépuscule et pour l’étalonnage de nuit au moyen d’une lampe éloignée.
Un dispositif d'étalonnage en plein jour peut se mettre à la place des lentilles. Il est dérivé du système 1 décrit à « Sources lumineuses de comparaison ».
Les filtres. — À part quelques enregistrements effectués tout au début de ce travail aucune mesure n’a été faite en lumière totale. Des filtres colorés ont été interposés entre la cellule d’une part et le ciel ou l’étalon d’autre part. Ces filtres ont été choisis dans la collection suivante :
; Epais- Limites : Limites Eilires ue extrêmes Maximum pratiques Bleu BG4 (Schott) .| 1 mm.|3 400-5 000 À 0,80 à 4 200 À | 3 600 4 600 2 mm. 0,63 Vert BG 0 |"S mm; VE. mm:}5200-5 750 lo,35 5.435 5 320-5 670 OGC Ir mm, Rouges OGa En - Aimm.|5"800 0,92 6 200 5 850 RG ELEC l'ami: |(6,350 0,92 6 600 6 400 RG5 . 2 mm.|6 500 0,92 7 300 6 800 ROSE er 72 nime)7É 060 0,90 7 600 7 250 88 Wratten, . 7 100 0,84 7 790 7 350 Manganal . .|2 mm.|8 000- 9 000 |0,03 (moyenne) » » Q 000-10 000 |0,20 (moyenne)
Ces valeurs sont déduites de mesures spectrophotométriques effectuées sur les filtres eux-mêmes, soit par photographie, soit au moyen de la cellule photoélectrique au rubidium montée sur l'appareil n° 3.
Le spectrographe employé a été dans les deux cas le même spectrographe à réseau donnant une dispersion d’environ 30 À par millimètre.
Les autres appareils. — L’enregistreur n° 1 (6) diffère du numéro 2 par la réalisation. Il a subi de nombreuses modifications (7) (8) (9) Sa dernière forme est la suivante (fig. 9): la cellule est une cellule C à alliage de césium. Elle est fixe et ne peut viser que les régions zénithales, l’appareil n’estorientable en aucune façon. Trois filtres F seulement sont utilisables
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simultanément, ils sont situés sur un disque horizontal mû par un moteur et une croix de Malte.
L’électromètre W est un Wulf monofilaire (excellent instrument pouvant être monté aussi sur le numéro 2). L’enregistreur est un simple cylindre garni de papier photographique avec mouvement d’horlogerie autonome; diamètre 10 cm, longueur 15 cm, un tour en 12 heures. La longueur de papier utilisable est limitée à 30 cm.
Fig. 9. — Schéma de l’appareil no 1.
C, Cellule photoélectrique à alliage de césium ; R, Résistance de 1,4 X 10!1 ohms ; W, Electromètre Wulf ; F-F, Filtres colorés sur le plateau tournant ; M, Moteur actionnant l’obturateur par l’intermédiaire de la vis V : M', Moteur actionnant le plateau porte-filtres ; H, Mouvement d’horlogerie commandant l’ouverture, la fermeture de l’obturateur et l’extinction de la lampe de l'électromètre ; E, Cylindre enregistreur ; D, Dispositif d’étalonnage.
L'appareil est représenté fermé. Les piles sont dans un compartiment spécial à la partie inférieure. On n’a pas figuré le dispositif de compensation du courant d’obscurité de la cellule au césium.
L'ouverture et la fermeture sont automatiques ; l’obturateur a la forme d’une boîte parallélépipédique. Il est animé d'un mouvement de translation par un moteur etune vis “aftaquant un écrou solidaire de l’obturateur (fig. 10). Un
Fig. 10. — Vue partielle de l’enregistreur n0 1 ouvert.
On distingue le plateau porte-filtres et l’obturateur surmonté du dispositif d'étalonnage. Tout à fait à droite, on voit la moitié du moteur M. Au-dessus du plateau porte-filtres, des barres destinées à supporter un objectif de grandes dimensions. En bas, une des portes permettant d'accéder au compartiment des piles. En arrière-plan, des appareils météréologiques de l’Observatoire de Lyon.
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mouvement d'horlogerie commande l’ouverture et la fermeture, interrompt le courant de la lampe d'éclairage toutes les heures, met en marche et arrête les filtres.
Sur l’obturateur est fixé le dispositif d'étalonnage en plein jour constitué par une petite lampe, un trou de 1: mm,
Fig. 11. — Vue d’appareil n0 3.
‘À gauche, la boîte contenant la cellule ; la résistance, surmontée d’un tube contenant un objectif devant lequel on peut déplacer des diaphragmes.
A droite, l’électromètre de Lindemann et le microscope.
La pile Wonder de 45 volts, qui suffit à l’alimentation de l’appa-
reil, permet de juger les dimensions restreintes de ce photomètre.
une lentille et un verre absorbant (Voir « système I » au chapitre suivant).
L'appareil n° 3. — Cet appareil (représenté fig. 11) est
un photomètre à lecture directe. Equipé avec une cellule au
rubidium et un électromètre Lindemann, il est très léger (moins de 3 kg) et peu encombrant (dimension maximum 45 cm). La cellule est orientable en hauteur, car la boîte dans laquelle elle est enfermée est mobile autour d’un axe horizontal. Il a été utilisé pour quelques mesures complémentaires sur le crépuscule, pour étudier la transparence spectrale des filtres colorés (associé avec un spectroscope à réseau) et pour étudier l’éclipse de lune du 7 novembre 1938 associé avec l’équatorial coudé de l'Observatoire de Lyon.
Les sources lumineuses de comparaison. — Les photomètres ne peuvent servir qu'à comparer la lumière du ciel avec une autre lumière bien déterminée prise pour étalon.
En réalité trois sortes d’étalons ont été utilisés :
Le système I ou étalon I est un dispositif d'étalonnage en plein jour ; il comprend successivement (D, fig. 9) :
Une lampe faible à filament de tungstène placée comme branche d’un pont de Wheatstone dont les trois autres branches sont des résistances de constantan. Le galvanomètre du pont est amené au zéro en manœuvrant un double rhéostat (réglage grossier et réglage fin) placé entre la batterie d’accumulateurs et le pont. La lampe fonctionne ainsi à résistance constante (10).
Un verre opale diffusant est placé à quelques millimètres de l’ampoule contre un diaphragme percé d’un trou de 1 mm de diamètre.
A 10 cm. de ce diaphragme, une lentille convergente de 10 cm. de distance focale transforme le faisceau en lumière parallèle.
Un verre absorbant est ensuite placé sur ce faisceau. C'est un verre NG3b de Schott de densité optique voisine de 3. La
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« neutralité » de ce verre n’a pu être étudiée directement. On s'est contenté d'étudier (comme on l’a fait pour les filtres colorés) un morceau de verre NG3b de 1/2 mm d'épaisseur acheté en même temps. La transmission n’est pas indépendante de la longueur d'onde mais garde une valeur suffisamment constante pour être qualifiée de satisfaisante. Il est cependant impossible de connaître rigoureusement la composition spectrale du rayonnement qui sort de ce verre.
Le faisceau parallèle sorti du verre absorbant traverse alors les filtres avant d'arriver sur la cellule.
Lampe B.— N'est autre que la lampe faible ci-dessus fonctionnant dans les mêmes conditions électriques mais éloignée de 46,9 m. On l'utilise la nuit et on compare les déviations de l'électromètre lorsque la cellule reçoit le rayonnement du système I et celui de la lampe B à travers les divers filtres.
La composition spectrale de son rayonnement a été déterminée, d’après les données de Ribaud (11), après avoir mesuré sa température (2 1000 K) au pyromètre à disparition de filament. Mais il reste à connaître son intensité.
Lampe C.— Est une lampe à filament de carbone à température 20130 K valant exactement une bougie. On a comparé les lampes B et C pour avoir la valeur de B et on a trouvé :
Lampe B = 1,15 bougie.
