PREMIÈRE PARTIE MÉTHODE ET APPAREILLAGE

Méthode de C. T.R. Wilson.

Principe de la méthode. — La trajectoire dans un gaz d’un électron rapide ou d’une particule « est jalonnée par les ions, plus ou moins nombreux, que ces corpuscules créent sur leurs parcours. Il reste donc après le passage des rayons « où f une sorte de sillage, unè trace qui persiste un temps

relativement long, pour disparaître ensuite peu à peu par

diffusion ou recombinaison des charges de signes contraires. Les ions ont la propriété remarquable de pouvoir servir de centres de condensation à la vapeur d’eau, à peu près dans les mêmes circonstances que les poussières en suspension dans les gaz : si l’on réalise par conséquent des conditions convenables de sursaturation dans le milieu gazeux que vient de traverser un rayon corpusculaire, on observera une trace, constituée par une file de gouttelettes, qui reproduit fidèlement tous les détails de la trajectoire parcourue. Ces figures d’ionisation, suffisamment éclairées dès leur apparition, peuvent être photographiées, et les clichés ainsi obtenus seront étudiés à loisir ; on peut y déceler individuellement, dans de bonnes conditions, les ions qui constituent le sillage laissé par la particule sur son passage. Si l’on a soin d'opérer assez vite, avant que le gaz ait pu, parses

mouvements, déformer cette trace, et avant que les charges qui la constituent aient eu le temps de diffuser notablement, on aura une image fidèle du trajet réellement parcouru, susceptible de permettre des mesures d’angles et de longueur.

La sursaturation en vapeur d’eau nécessaire à cette méthode est obtenue simplement par la détente adiabatique de l'atmosphère, préalablement saturée d'humidité, dans laquelle passent les rayons ionisants. Le refroidissement ainsi produit provoque la condensation de l’eau. Il faut naturellement réaliser ceci dans des conditions expérimentales bien déterminées : nous allons décrire rapidement le montage de C.T.R. Wilson (!) type de tous les appareils à condensation construits depuis.

Piston (relevé)

Joint hydraulique

Bouchon

Ballon vide

Dispositif d'arrachage

du bouchon w À Ÿ à (o) æ g Po, 2 D © - ce] SA ®

Fig. 1.

AppareildeC.T. R. Wilson.— Ilest essentiellement constitué d'un corps de pompe en métal prolongé à sa partie supérieure par un cylindre de verre, recouvert d’une glace (fig. 1).

(!) Proc. Roy. Soc., t. LXXXVIT (1912).

Un piston, glissant à frottement doux dans le corps de pompe, peut produire par son abaissement brusque, une détente du gaz contenu dans la chambre de verre ; l’étanchéité est réalisée grâce à un joint hydraulique : l'eau contenue dans le corps de pompe assure en même temps l'humidité nécessaire.

Dans la position de repos, le piston est un peu soulevé audessus du fond du corps de pompe ; le gaz de la chambre de détente est sensiblement à la pression atmosphérique.On met alors brusquement le volume situé sous le piston en communication avec un récipient vide : la dépression subite amène la chute du piston et une augmentation du volume de la chambre supérieure, par conséquent la détente du gaz qui y est contenu. Pour obtenir une opération assez rapide, la communication est largement ouverte, grâce à l’arrachement d’un bouchon interposé entre les deux volumes. On revient ensuite à l’état initial en insufflant de l’air au-dessous du piston, qui se soulève jusqu’à la position de départ.

La chambre de détente elle-même, constituée par le cylindre de verre fermé en haut par une glace et en bas-par la surface du piston, a un diamètre de 17 cm. et une hauteur de 4 em. Une couche de gélatine transparente et conductrice tapisse la surface inférieure de la glace ; une couche semblable, noircie à l'encre de chine, recouvre le piston : entre les deux est établi un champ électrique destiné à l'élimination des ions parasites et des poussières chargées. Le faisceau de rayons X qui produit les rayons f secondaires est envoyé diamétralement à travers la chambre, à égale distance des deux surfaces planes.

En dehors de l’appareil à détente lui-même, le montage comporte divers accessoires : 1° le dispositif d’éclairement, formé par de petites lampes à mercure, dans lesquelles on envoie la décharge d’un condensateur. Chaque lampe est constituée par un tube de silice plein de mercure, chauffé dans son milieu par une petite flamme de gaz : il se forme

un index de vapeur séparant le liquide en deux parties qui servent d'électrodes. La lumière produite lors du passage des étincelles est très vive. 2° le système de déclanchement des opérations successives qui est réalisé dans le premier montage de C.T.R. Wilson par la chute d'un poids, et dans un autre plus récent par le balancement d’une lourd pendule. On produit ainsi d'abord la détente, puis le passage des rayons X,.enfin la lumière et la photographie. Je renvoie aux mémoires pour les détails de montage.

Appareil de Shimizu. — Cet auteur a construit une forme différente de l'appareil à détente, perfectionnée au point de vue de la précision mécanique, et permettant d'obtenir rapidement un grand nombre de clichés. La force qui fait mouvoir le piston est ici directement empruntée à un moteur, et transmis par une bielle. Ce modèle, ainsi que celui employé par Blackett est de dimensions beaucoup plus réduites que le premier, le diamètre de la chambre d’opération n'atteint pas le tiers de celle de Wilson. Ils sont particulièrement adaptés à l'étude des rayons «, qui ont des parcours très rectilignes, et qu’on peut canaliser dans des directions bien déterminées, Ils ne sont guère utilisables dans les recherches sur les rayons électroniques, de trajectoire capricieuse et qui nécessitent un volume d'étude beaucoup plus grand.Il m'a semblé préférable de revenir à un modèle voisin du premier appareil de C.T. R. Wilson, à fonctionnement discontinu, mais en en précisant la construction, de manière à définir exactement les conditions opératoires, et à les retrouver automatiquement.

Précisions à établir. — Tous ceux qui se sont servi des appareils à détente ont remarqué l’irrégularité des résultats obtenus : les trajectoires sont tantôt très nettes, tantôt indistinctes et entourées de brouillard. Les variations des conditions de fonctionnement qui déterminent ces irrégularités

sont quelquefois extrêmement faibles : il faut par conséquent les préciser, et rendre la marche des opérations aussi automatique que possible. J'ai cherché à obtenir ce résultat tout en conservant un montage assez souple pour pouvoir s’adapter aux buts variés de la recherche.

Les points principaux à fixer sont évidemment les suivants :

1° Réglage précis de la valeur de la détente, et de sa vitesse ;

20 Détermination des instants auxquels se produisent les trois phases de l’opération complète ;

3° Invariance des conditions internes du gaz soumis à l'étude : température, degré hygrométrique, composition, propreté.

C’est pour réaliser ces réglages que j'ai établi l’appareillage qui sera décrit au prochain paragraphe. J'ai de plus toujours opéré avec deux appareils photographiques dirigés à angle droit l’un de l’autre ; cette méthode a le grand avantage sur les montages stéréoscopiques utilisés par C.T,R. Wilson, de permettre des mesures d’angle et de longueurs. Les doubles clichés peuvent d’ailleurs, avec quelque habitude, être déchiffrés à la simple inspection, avec autant de sûreté, sinon de rapidité, que les stéréogrammes.

Enfin, la définition géométrique de la situation respective des plaques photographiques, de l’appareil à détente, et du faisceau de rayons X, a été rendue exacte et invariable.

Montage expérimental.

L'ensemble du montage peut être décomposé en différentes parties que nous allons décrire successivement : le dispositif mécanique de la détente, la chambre d'’ionisation ou de

détente, le dispositif de PORTEURS et d'éclairage, Île déclancheur.

I. Dispositif mécanique. — Il comporte, comme dans l'appareil de Wilson un corps de pompe dans lequel glisse le piston qui produit la détente (fig. 2). Mais ici ces deux pièces

Anneau de cuivre Obturateur

Glace A

Cylindre de verre

Sortie des rayons X

110 volts

le « 2? 2

Frein à huile

Fig. 2.

sont en bronze travaillé au centième de millimètre, de telle sorte qu’un simple graissage à l'huile légère, assuré par une gorge circulaire creusée dans le corps de pompe, suffit pour réaliser l’étanchéité. La partie fixe est solidement supportée

par un pied métallique, vissé sur la table d'opération.

Le piston est prolongé à travers le fond du corps de pompe par une tige filetée à sa partie inférieure, qui descend jusqu’à la base du pied. Son extrémité plonge dans un cylindre plein d'huile, ajusté, qui joue le rôle de frein amortisseur. Sur cette tige sont vissés des curseurs, dont la butée contre une pièce fixe limite vers le haut la course du piston. On voit ainsi que la position inférieure est invariable, déterminée par le contact avec le fond du corps de pompe, tandis que la position supérieure est réglable par le jeu des curseurs dont un contre-écrou permet de rendre fixe la position choisie. Un ressort comprimé entre les curseurs et le bas du support, remonte automatiquement le piston quand aucun effort n’est plus exercé dessus : la position de départ est ainsi retrouvée avec précision.

Piston

. Passage de l'air rétablissant la pression atmosphérique.

Récipient vide

Pour amener la chute du piston, il faut produire un vide subit dans le volume situé au-dessous : on met pour cela cet espace en communication avec un récipient préalablement vidé. C'est un robinet métallique de forme spéciale qui ouvre et ferme ce passage : il se compose essentiellement

d'un tube conique et d’un bouchon mobile qui est adapté à ce tube, le fermant hermétiquement. Quand on fait le vide dans le réservoir, le bouchon a une tendance à se détacher et à ouvrir la communication, un cran d'arrêt l'en empêche ; mais aussitôt que ce cran est relâché, la voie est largement ouverte avec le corps de pompe, et le piston s’abaisse. En relevant le levier, le bouchon revient en place et en même temps la connexion est rétablie avec l’atmosphère (fig. 3). Le dispositif permet une détermination précise de l'instant de la détente, le déclenchement du cran d'arrêt ne demandant qu’un très petit effort et l'ouverture du robinet étant très brusque.

Le réglage de la vitesse de la détente se fait en agissant sur le degré de vide du réservoir avant que la communicaton soit ouverte. Un régulateur continu à mercure permet d'obtenir un vide à peu près constant et réglable dans ce réservoir; une petite pompe à huile type « Gaede » l’alimente.

IT. — Chambre de détente. — Un cylindre de verre, épais de 3 à mm. de 10 cm. de diamètre et de 3,5 cm. de haut est rodé sur la partie supérieure du corps de pompe ; le piston n’y pénètre pas pour éviter de le graisser, mais une pièce un peu plus étroite, superposée au piston, s'y engage. Une glace de 3 mm, d'épaisseur le ferme à la partie supérieure ; elle est appliquée sur la surface rodée par l’intermédiaire d’un peu de graisse au caoutchouc. La chambre de détente ainsi définie comporte divers organes :

1° Le cylindre est percé de deux trous diamétralement opposés, et fermés par de minces lames de celluloïd collé à la picéine. Ce sont l'entrée et la sortie du rayonnement étudié. Il est évidemment nécessaire de ménager une entrée convenable pour laisser passer les rayons mous sans trop les diminuer. D'autre part la lecture des clichés est souvent gènée par la présence de rayons £ secondaires, venus de la

paroi de verre traversée par les rayons X ; ils est donc utile qu'ils ne rencontrent à l’entrée comme à la sortie, qu'une faible épaisseur d’un corps léger.

2° La glace porte un large anneau de cuivre, collé à sa surface inférieure et en communication électrique avec une borne mastiquée au-dessus. C’est entre cet anneau et la sur: face supérieure du piston que sera établi le champ électrique (100 volts) destiné à l'élimination des ions (les couches de gélatine se sont montrées inutiles). Ce champ est annulé lorsque le piston descend, grâce à un dispositif de courtcircuitage.

Deux petits robinets métalliques à pointeau, sont rodés et mastiqués dans la plaque de verre et servent à l'entrée et à la sortie des gaz destinés à remplir la chambre de détente. Il faut que le cône des pointeaux vienne affleurer la surface inférieure du robinet, de façon à ne laisser aucune cavité dans laquelle la détente ferait naître des tourbillons nuisibles.

3° La surface supérieure du piston qui forme le fond de la chambre de détente, est recouverte d’un papier noir mat imbibé d’une solution assez concentrée de chlorure de cal- cium. Cette couverture a l'avantage de ne pas s’altérer comme la couche de gélatine noircie qui est délicate et difficile à remplacer. De plus la présence de chlorure de calcium abaissant la tension de vapeur de la solution, fait que le degré hygrométrique du gaz contenu dans la chambre est toujours inférieur à la tension de la vapeur de l'eau pure, de telle sorte que sans avoir besoin d'établir de différence de température, et sans gélatine, aucune buée ne se dépose sur les parois de verre.

4° Enfin le piston porte encore un petit obturateur, destiné à ne laisser passer les rayons X que pendant un temps très court après la détente. C’est un prisme creux à base carrée en laiton (fig. 4) percé d’une fente verticale, et dans lequel glisse une masse de plomb posée sur un ressort. Au repos,

quand le piston est en bas de sa course, le plomb ferme la fente verticale et les rayons X sont coupés, de même a fortiori en haut de course. Mais quand le piston vient de s’abaisser brusquement la masse de plomb continue le mouvement par inertie, et, comprimant le ressort, découvre l'entrée des rayons X pendant un tem ps très court, immédiatement après la fin de la détente. Il remonte aussitôt après et ferme le passage.Ce système, dont le principe m'a été suggéré par Kapitza, a donné toute satisfaction.

Glissière de cuivre

Masselotte de plomb

Fig. 4.

III. — Eclairage et photographie. — Aussitôt la détente produite, passent les rayons X, et les traces de rayons 8 secondaires apparaissent dans la chambre de condensation. Il faut réaliser à ce moment un éclairage intense qui permette d'obtenir des épreuves photographiques suffisamment nettes. L'emploi de l’arc électrique exigerait des obturateurs supplémentaires et encombrerait les abords de l’appareil. Je m'en suis tenu au système préconisé par Wilson, des petites lampes à vapeur de mercure. Le modèle très robuste que j'ai construit se compose d'un tube de pyrex épais (fig. 5) portant deux électrodes de tungstène distantes de 4 cm. et rempli de mercure sec et propre. Un petit four électrique formé d'une masse de cuivre recouverte d'amiante et contenant deux spirales de nichrome entoure le tube de pyrex, tout en

laissant une large fente pour le passage des rayons lumineux. Le chauffage de ce four par un courant de 3 ampères permet d'amener rapidement le tube à 3600, température à laquelle il se forme un index de vapeur de mercure chassant l'excès de liquide dans des petits réservoirs, et réalisant ainsi autour des électrodes de tungstène une atmosphère de vapeur métallique à la pression ordinaire. Si on décharge alors à travers les lampes une batterie de condensateurs, elles produisent une très vive lumière, instantanée et active ; on la concentrera en une image grossière, située à peu près sur le passage des rayons X, à l’aide de lentilles plan-cylindriques.

Electrode

Tube de pyrex de tungstène

| Réservoir IRRRRRSRRRRERSES ( (SSSE = ÉTÉ f i

Cuivre rouge

Amiante

Lentille

Cuivre RO Tube de Pyrex Spirale chaufjante

Fig. 5.

La tension nécessaire à la charge de la batterie de condensateurs, constituée par 8 bouteilles Moszicki, est fournie par une bobine d’induction munie d’un kénotron.

Deux lampes de ce type sont placées à droite et à gauche de la chambre de détente, leur lumière étant dirigée un peu vers le haut (fig. 6), de manière que le faisceau direct passe au-dessous des appareils photographiques. Les rayons diffusés et dispersés par les gouttelettes produites lors de la condensation pénètrent seuls dans les objectifs : on gagne beaucoup de clarté en réduisant l’angle sous lequel on recueille cette lumière, parce qu’on y ajoute alors les rayons réfractés dans les sphérules d’eau, et on peut de la sorte obtenir une impression sur les clichés pour une goutte isolée, Les appa-

, l L EFFET PHOTOËÉLECTRIQUE COMPOSÉ 17

reils photographiques, braqués et mis au point sur le centre de la chambre de détente, sont dirigés à 45° de l'horizontale, de manière à situer les plaques dans des plans perpendiculaires entre eux et parallèles au faisceau de rayons X, qui est alors au point sur toute sa longueur.

Appareils photographiques,

Etes Lentilles ESS Lampes

a étincelles.

Chambre de condensation

Région où se produisent les rayons Ê

IV. — Déclencheur. — Le dispositif destiné à réaliser aux temps convenables les phases de la prise du cliché, est constitué par un levier tournant autour d’un axe horizontal (voir PI. D).

Dans la position de départ, il est levé et retrenu par un crochet, Si on l’abaisse d’un certain angle, réglable par ailleurs, il vient écarter le petit levier du robinet d'admission de vide de l’appareil et en déclanche ainsi l’ouverture ; dans sa position inférieure il est situé en face d’un éclateur, qu'il ferme grâce à une petite pièce métallique portée par son extrémité ; cette fermeture détermine le passage de l’étincelle éclairante. Si par conséquent on décroche le levier en l’abandonnant à la pesanteur, il produira la détente et l’illumination à des instants séparés par un temps réglable.

LA a 14 Décomposons en phases élémentaires l’ensemble des opérations qui amène à l'obtention d’une paire de clichés, pour

bien montrer leur succession.

hOvoits continu

volts D’

—— Sol Lunmnmmm: J

Fig. 7.

C : chambre de détente B : bobine d’induction L : lampes l : interrupteur D : déclencheur M:tmoteuriee, E : éclateur — haute tension J : batterie de jarres —— basse tension K : kénotron

L'état initial du montage prêt à servir comporte le fonctionnement de la pompe à vide et du régulateur, la chargede la batterie de condensateurs destinée à l'éclairage, le fonctionnement du tube à rayons X, et la mise en place des plaques photographiques. On peut alors décrocher Ile levier, qui tombe et déclenche :

A. L'ouverture du robinet de vide. Ceci détermine la chute du piston, qui produit :

a) La détente ; :

b) La suppression du champ dans la chambre de condensation ; ;

c) L'ouverture pendant un temps très court de l’obturateur, qui laisse passer les rayons X ; les figures d'ionisation se forment à ce moment.

B. L’étincelle de décharge des condensateurs, qui produit l'éclairage, et l'impression photographique.

L'opération est alors terminée, il faut changer les plaques et replacer les organes dans leur état initial : ceci se faitautomatiquement lorsqu'on relève le levier pour l'accrocher dans sa position de départ.

Il y a bien entendu, dans le montage complet (PI. I), toute une série de détails que je ne puis citer ici, cette description étant forcément limitée aux organes essentiels. La figure 7 donne le schéma des connexions électriques.