HISTORIQUE

Le phénomène de l'illumination des gaz raréfiés par les courants de haute fréquence est connu depuis de longues années ; il a été découvert par Hittorf (*) en 1884 et étudié systématiquement par J. J. Thomson (?) en 1891.

Ces auteurs excitaient les tubes à gaz en les plaçant à l’intérieur de quelques spires de fils S parcourues par le cou-

‘Es O— Ci C2

S Fig. 1. — Montage de Sir J. J. Thomson.

rant de la décharge oscillante de deux condensateurs C;, C, à travers l’éclateur E (fig. 1). À chaque étincelle, le gaz contenu dans le tube s’illumine, bien qu'aucune électrode ne

Note. — Je me bornerai ici à un bref rappel des principaux mémoires relatif à la décharge sans électrodes. Les exposés de G. Miernez (/hys. Zs., 25 (1924). p. 240) et de K. K. Darrow (Bell system techn. Journ., A1 (1932), p. 576 et 12 (1933), p. 91), donneront un historique plus complet.

() W. Hirrorr, Wied. Ann., 52 (1884), p. 473.

(2) J. J. Taomson, Phil. Mag., 32 (1891), pp. 321 et 425.

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permette l'entrée de courants dans le tube d’où le nom de décharge sans électrodes donné au phénomène.

Dans son étude, Sir J. J. Thomson a montré que le phénomène dépend essentiellement de la pression et de la distance entre les boules de l’éclateur E, c’est-à-dire de la différence de potentiel aux bornes du condensateur. La lumière émise par le tube varie avec l’excitation, et J. J. Thomson à constaté que ce changement est dû à des variations dans les intensités respectives des raies du spectre émis par le gaz.

Un autre montage de décharge sans électrodes a été

L; j La

Ci (3 Fig, 2. — Montage d’Ebertet Wiedemann.

signalé peu de temps après par Ebert et Wiedemann (!) qui plaçaient le tube à gaz entre les deux armatures d’un condensateur au bout d’un système de fils de Lecher à ondes stationnaires (fig. 2). Ce procédé d’excitation est a priori beaucoup plus simple car le gaz est placé dans un champ électrique alternatif uniforme plus directement accessible aux mesures que les courants induits de Sir J. J. Thomson. C'est à cause de cette simplicité que, pendant de nombreuses années, les études théoriques sur l’illumination des gaz par les courants de haute fréquence ont utilisé ce montage de préférence à celui de Sir J. J. Thomson.

Par contre, c’est la décharge de Sir J. J. Thomson qui a

(‘) H. Eserr et E. WiepEemanN, Wied. Ann., 53 (1894), p.144.

rendu le plus de services aux spectroscopistes. Dunoyer ({) a constaté l'émission simultanée par le gaz de raies appartenant à des spectres d’excitations différentes, arc et étincelle du premier ordre, par exemple. L. et E. Bloch ont découvert que les spectres correspondant à divers états d'ionisation de l’atome sont émis par des régions différentes du tube : les spectres correspondant à l’éxcitation la plus élevée sont émis par les bords du tube, et les spectres de moindre excitation par le centre. Cette très importante remarque à permis à L. et E. Bloch (*) et à leurs élèves de séparer ainsi les spectres d’arc et d’étincelle des divers ordres de nombreux éléments.

Cette dualité dans les modes d’excitation des gaz par les courants de haute fréquence a fait naître deux interprétations différentes du phénomène.

L'une, la plus ancienne, date de Hittorf et a été développée par J. J. Thomson dans son mémoire de 1891, et reprise par lui plus récemment. Sir J. J. Thomson se basant sur la symétrie du phénomène, symétrie qui lui a suggéré l’expression de « décharge annulaire » (ring discharge), et sur la brillance de l’illumination, a attribué l’illumination au passage dans le gaz de courants induits de grande intensité. Dans un mémoire récent (*), Sir J. J. Thomson développe sa théorie en cherchant la différence de potentiel minimum entre les bornes de l’éclateur E (fig. 1) nécessaire au passage de la décharge. « Pour que la décharge passe, écrit-il, le gaz doit être ionisé ; par suite les électrons doivent recevoir du champ électrique une énergie suffisante pour ioniser le gaz; comme ils perdent alors leur énergie dans un choc avec une molécule, ils doivent acquérir leur énergie dans un parcours inférieur au libre parcours moyen ». Sur cette hÿpo-

() Dunoyer, /ourn. du Phys., 3 (1922), p. 261. (2) L. et E. Buoc, Journ. de Phys., & (1923), p. 135. (3) Sir J. J. Tuomson, Phil. Mag., & (1927), p. 1128.

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thèse Sir J. J. Thomson calcule le champ électrique induit minimum en fonction de la pression et du potentiel d’ionisation du gaz. Le calcul est compliqué par les effets d'induction du courant dans le gaz, qui limitent la pénétration du champ électrique à l’intérieur du gaz ionisé, et par l’action du champ magnétique sur les trajectoires des électrons. Sir J. J. Thomson arrive cependant à calculer un potentiel minimum et à vérifier par quelques expériences sur la décharge d’un condensateur que les nombres donnés par le calcul et l'expérience sont bien du même ordre de grandeur.

L'autre interprétation a été donnée tout d’abord pour les montages d'Ebert et Wiedemann et de Lecher où le gaz à illuminer est placé entre deux électrodes extérieures au tube :le courant passant dans le gaz est assimilé à un courant de déplacement de Maxwell. En tenant compte des théories modernes sur l’ionisation des gaz, cela revient à dire que les électrons libres dans le gaz, accélérés par le champ électrique alternatif, décrivent des trajectoires fermées à l’intérieur du tube. Le champ agissant à chaque instant est un champ « électrostatique », c’est-à-dire produit par des charges électriques fixes.

Ces deux interprétations, s’adressant à deux phénomènes différents n'auraient fait que se compléter si les défenseurs de la deuxième opinion n'avaient songé que la décharge annulaire de J.J. Thomson pouvait n’être qu’un phénomène électrostatique, Dès 1892, O. Lehmann (t) démontra que le champ induit est trop faible pour provoquer l’ionisation du gaz, et que la décharge annulaire doit être attribuée à l’action du champ électrostatique beaucoup plus intense existant entre les extrémités du solénoïde inducteur.

Nous avons vu que cette objection n'a pas empêché Sir J. J. Thomson de reprendre et de développer en 1927 sa première opinion. L'interprétation électrostatique de la

(1) O. Lenmann, Wied. Ann., 47, (1892), 1927.

décharge annulaire a été aussitôt reprise par J. S. Townsend (1) qui a rappelé l’existence, à l’intérieur d’un solénoïde parcouru par un courant alternatif, d’un champ « électrostatique » beaucoup plus intense que le champ induit; Townsend remarque que des ondes entretenues de toute petite puissance permettent d'obtenir une décharge stable dans un gaz; dans ces conditions, le champ induit lui paraît avoir une valeur beaucoup trop faible pour pouvoir produire une ionisation quelconque.

Cette querelle de la décharge sans électrodes a fait naître quelques mémoires qui ont montré que les deux interprétations sont valables, tour à tour, suivant les circonstances, et souvent simultanément.

Un premier mémoire de Mac Kinnon(?) a montré, par des expériences sur l’iode et le mercure, que la décharge dans un solénoïde peut présenter deux aspects différents, attribuables l’un à l’action prépondérante du champ électrique, lVautre au champ induit. La décharge « induite » apparaît avec des courants intenses dans le solénoïde et des pressions faibles du gaz; elle ne s'obtient que difficilement en ondes entretenues. Pour Mac Kinnon, la disparition de l’action du champ électrostatique aux fortes excitations serait due aux pertes dans le verre au contact des conducteurs parcourus par le courant de haute fréquence.

Deux ans après, C. T. Knipp (°), place des écrans d'amiante dans un tube à décharge et observe l’ombre qu'ils portent sur l’illumination du gaz. Cette ombre est tantôt longitudinale, tantôt transversale. Il en conclut que la décharge est tantôt « électrostatique », tantôt « induite ». Il attribue le passage d’un état à l’autre à l’augmentation du nombre de

spires du solénoïde inducteur.

(1) J. S. Towwsen» et R. H. Donazpson, Phil. Mag., 5 (1928), P°179.

(2) Mac Kinwow, Phil. Mag., 8 (1929), p. 605.

(5) C. T. Kwer, Phys. Rev., 37 (mars 1931), p. 756.

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Peu de temps après, H. Smith, W. A. Lynch et N. Hilbery(!) employant des ondes entretenues de 25 à 60 m. de longueur dans un circuit oscillant de faible résistance, étudient l’action du courant de haute fréquence sur le mercure. Ils distinguent entre la « dull glow » et la « bright glow » données par la décharge suivant les conditions d’excitation, la lueur intense correspondant toujours aux excitations les plus fortes. Ils pensent pouvoir attribuer cette dernière lueur aux courants dus au champ induit et, pour le prouver, interposent un écran destiné à supprimer l’action du champ électrostatique sur le gaz. Ils constatent que l'écran empêche toute illuminatjon du gaz, mais laisse subsister l’illumination brillante si on n’interpose l'écran qu'après l’amorçage de la décharge.

Vers la même époque, j'ai pris moi-même parti entre les deux hypothèses en attribuant les phénomènes brillants dans la décharge à l’intérieur d’un solénoïde à l’action du champ induit, tandis que les illuminations plus faibles obtenues dans le tube maintenu au voisinage de l’oscillateur me paraissaient dues au champ électrostatique. J'ai présenté devant la Société française de Physique des selfs spéciales plates dans lesquelles le tube à gaz était à peu près complètement soustrait à l’action du champ électrostatique si le centre de la self était maintenu à ün potentiel fixe. Ces bobines donnent des phénomènes aussi brillants que les solénoïdes habituellement employés.

Deux mois plus tard, j'ai décrit quelques expériences destinées à séparer l’action des deux composantes du champ électrique, expériences qui m'ont amené à attribuer l’illumination brillante à l’action du champ induit. Ces expériencés comportaient, d’une part l’interposition d’un écran

() H: Surra, W. A. Lynn, N. Hisery, Phys. Rev., 317 (mai 1931), p. 1091.

(?) F. Escancon, Bull. Soc. f. de Physique (séance du 6 mars 1931), p. 35; F. EscLancon, Comptes rendus, 492 (1931), p.123.

métallique destiné à supprimer l’action du champ électrostatique, et d’autre part la réalisation d’un champ électrostatique identique à celui du solénoïde, mais en l'absence de champ induit. J'ai été amené théoriquement à attribuer l’action prépondérante du champ induit à l'effet d’écran produit sur le champ électrostatique par le gaz lui-même qui, une fois ionisé, devient conducteur : l'effet d’écran est par contre négligeable sur le champ induit; la composante électrostatique du champ peut ainsi devenir beaucoup plus faible que la composante induite.

Enfin, plus récemment, un élève de Townsend, Yarnold (!) a montré la parfaite identité de l’illumination faible à l’intérieur d'un solénoïde avec la décharge entre électrodes extérieures, c'est-à-dire dans un champ électrostatique pur. Il admet que l’action prépondérante du champ induit doit” s’observer seulement pour les courants intenses que son installation de puissance réduite ne peut donner.

Entre temps de nombreux expérimentateurs ont étudié systématiquement la décharge de haute fréquence dans les gaz entre deux électrodes extérieures. Toutes ces expériences ont été faites en ondes entretenues qui permettent des mesures précises des conditions électromagnétiques.

Les résultats en sont extrêmement complexes, mais on peut en conclure que les électrons d’un gaz soumis à un champ électrique alternatif de haute fréquence suivent les mêmes lois que s'ils sont soumis à un champ continu. D'autres expériences, en particulier celles de C. Gutton et de ses élèves ont révélé l’existence de périodes propres d’oscillation des électrons dans un gaz.

Un des résultats les plus importants a été trouvé par J. S. Townsend; il a constaté que, tout comme dans la colonne positive de la décharge en courant continu, Île

(1) G. D. Yarnoun, Phil. Mag., 13 (1932), p. 1179.

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champ nécessaire au maintien de la décharge est indépendant du courant.

Une autre série de travaux a cherché à étendre la loi de Paschen à la décharge de haute fréquence. M. L. Braun () utilisant des bobines plates, a montré l'existence d’un « point critique » de la décharge, caractérisé par le passage par un minimum du courant d’amorçage de la décharge. Le rapport du courant minimum à la pression critique ne dépend que de la nature du gaz . O. Stuhlmann (?) a étendu les résultats de Braun à la décharge purement électrostatique. Les courbes du courant d’amorçage de la décharge en fonction de la pression rappellent les courbes de Paschen. C’est en cela surtout que la décharge en haute fréquence satisfait à la loi de Paschen.

Objet du présent travail. — Au cours de ce travail, je vais m'’efforcer de préciser la distinction entre les deux types de décharge, électrostatique et induite, et d'établir les conditions électromagnétiques d'établissement, d'entretien et de disparition de la décharge induite qui me paraît présenter un intérêt considérable à cause de la brillance des sources lumineuses qu’elle fournit. Afin de pouvoir développer cette étude avec précision, je consacrerai un chapitre à l'étude du champ électrique à l’intérieur d’un solénoïde et des courants siégeant dans un conducteur placé à l'intérieur du solénoïde. Enfin, Je décrirai quelques applications réalisées de la décharge sans électrodes en ondes entretenues, en particulier au point de vue spectroscopique.

() M. L. Braun, Phys. Rev., 36 (1930), p. 1199. (?) O. Sruazmanx, Journ. of the Franklin Institute, 243 (1932) p- 279: