Tube détecteur sensible à l'ultraviolet, procédé pour sa fabncation et utilisation de ce tube
La présente invention comprend un tube détecteur sensible à l'ultravioLet, un procédé de fabrication de ce tube et une utilisation de ce dernier. Le tube selon l'invention peut fonctionner à la fois dans des circuits à courant alternatif et dans des circuits à courant continu, le rendement optimum étant obtenu dans les circuits à courant alternatif dans lesquels le tube présente une sensibilité, une puissance de sortie et une stabilité de loin supérieures à celles des tubes semblables connus jusqu'ici.
Un des buts de l'invention est d'obtenir des tubes détecteurs améliorés qui sont capables de résislter à des tensions élevées et qui fournissent facilement une puissance électrique plus importante avec une stabilité et un plus grand rendement quie ceux que l'on a pu obtenir jusqu'ici.
Un autre but de l'invention est d'obtenir des tubes détecteurs de radiation très sensibles dans le domaine du rayonnement cosmique, qui ont une réponse qui est seulement de 0,1 coup par minute au niveau de la mer, et qui sont très sensibles aux radiations ultraviolettes de longueur d'onde en dessous de 2800 à 3000 A mais pratiquement insensibles aux radiations solaires, c'est-à-dire celies au-dessus de 2800 à 3000 A environ.
Le tube que comprend l'invention comporte une unique zone de fonctionnement dans laquelle, et uni- quement dans laquelle, l'émission d'électrons par des photons incidents peut déclencher une décharge en avalanche.
Il est caractérisé en ce qu'il comprend deux électrodes écartées l'une de l'autre, l'ensemble comprenant les deux électrodes et leurs tiges de support présentant des surfaces polies, exemptes d'arêtes vives et de substances contaminantes qui modifient le travail d'extraction, et en ce que lasurface des deux électrodes à l'intérieur de la zone de fonctionnement ne présente aucune discontinuité, de façon que le travail d'extraction suf toutes les surfaces des électrodes dans la zone de fonctionnement présente un seuil de valeur élevée qui empêchera toute décharge entre les électrodes ou leurs tiges de support par des radiations dont la longueur d'onde est Supérieure à 3000 .
Le dessin annexé représente, à titre d'exemple, des formes d'exécution du tube objet de l'invention et illustre, également à titre d'exemple, des utilisa- tions de ce tube:
les fig. 1, 2 et 3 sont des vues en perspective d'une première, d'une seconde et d'une troisième forme d'exécution, respectivement;
la fig. 4 est un schéma qui montre une utilisation du tube suivant la fig. 1 ou 2 dans un circuit à courant alternatif;
la fig. 5 montre une courbe donnant la puissance électrique de sortie en fonction de la longueur d'onde de la radiation incidente, pour une utilisation particulière;
la fig. 6 montre des courbes donnant le gain de puissance en fonction de la longueur d'onde de la radiation incidente;
la fig. 7 montre une courbe donnant la puissance électrique moyenne de sortie en fonction de la ion- gueur d'onde de la radiation incidente pour une uti lisation particulière;
la fig. 8 montre une courbe donnant le nombre de coups par minute en fonction de la tension continue;
la fig. 9 est le schéma d'une variante du circuit de la fig. 4;
la fig. 10 est le schéma d'une variante du circuit de la fig. 9;
la fig. 11 est un schéma qui montre une utilisation d'un tube détecteur commandé par des impulsions en courant continu;
la fig. 12 est un schéma qui montre une utilisation d'un tube à courant alternatif;
la fig. 13 montre une variante de la fig. 12, et
la fig. 14 est un diagramme montrant le décalage spectral d'un tube à cathode chauffée.
Le tube détecteur de rayons ultraviolets 10 (fig. 1) comporte deux électrodes en fil de tungstène 11 dont les extrémités, de forme semi-circulaire, sont dirigées en sens inverse l'une de l'autre et sont soudées à des tiges de support 12, les électrodes comportant en outre des parties rectilignes intermédiaires parallèles l'une à l'autre. A titre d'exemple, les tiges de support et les fils de tungstène ont respectivement comme diamètre 1,25 mm et 0,43 mm et la distance entre les parties rectilignes des fils de tungstène est de 1,0 mm.
Les fils de tungstène, les tiges de support et les joints de soudure ont subi un polissage électrolytique et sont purifiés comme indiqué ci-après de sorte que leurs surfaces- sont ultra lisses, exemptes d'arêtes, d'aspérités ou autres discontinuités aussi bien que de produits contaminants. Il est particulièrement important que les joints soudés sur les tiges de support soient lisses, arrondis et exempts de substances contaminantes, dans le but de maintenir la zone de travail dans une région comprenant seule- ment les parties parallèles et les parties semi-circulaires de l'extrémité des électrodes en fil de tungstène.
Le tube est muni d'une enveloppe en verre laissant passer les U-V, par exemple en Corning glass No 9741 (marque déposée) qui est un borosilicate.
Les tiges de support 12 passent à travers des joints scellés dans le verre à la base de l'enveloppe. On réalise un vide élevé en même temps que l'on chauffe les électrodes en fil de tungstène. Après cela, l'enveloppe est remplie d'hydrogène pur à une pression d'environ 10 cm de Hg pour obtenir une tension d'amorçage d'environ 700 volts sous l'excitation des
U-V et finalement les électrodes en fil de tungstène sont soumises à un bombardement par ions de manière à enlever toute trace d'impureté.
Le résultat de toutes les opérations de purification effectuées pendant la construction du tube à U-V, qui seront décrites ci-après, est que tous les éléments de la surface des électrodes dans la zone de fonctionnement ont alors un travail d'extraction de valeur uniforme et élevée, de telle manière que le tube a une réponse spectrale sensible uniquement aux radiations dont la longueur d'onde est en dessous d'environ 2800 à 3000 A. Le tube est donc par nature très sensible aux radiations ultraviolettes mais insensible à la lumière du soleil en atmosphère normale.
Le résultat recherché dépend donc de la technique de fabrication et des diverses opérations qui sont effectuées pour purifier les électrodes et adapter le tube pour obtenir le rendement optimum.
Pour commencer, on n'utilise que du fil de section transversale parfaitement uniforme, exempt de joints, de dépôt, d'arêtes, d'aspérités, de discontinuités de surface et autres défauts.
On donne à ce fil un premier polissage électrolytique dans une solution de phosphate de soude avec une électrode en acier, si l'on utilise un fil de tungstène, pour lui donner un fini brillant ultra lisse. Le fil est ensuite lavé pour éliminer toute trace de produit chimique avant de lui donner la forme désirée.
Cette opération se fait sur un gabarit. De préférence, on donne au fil une forme telle que chaque élément est porté par deux supports de manière à obtenir un ensemble robuste capable de résister à de fortes vibrations.
Les extrémités de la base portent des broches de connexion formant également tiges supports qui sont réalisées sont en Kovar , soit en tungstène. Si on utilise le Kovar > , on élimine des oxydes en les faisant bouillir pendant environ une minute dans une solution à 50 solo d'acide chlorhydlique, puis elles sont immergées quelques minutes dans une solution de polissage pour le Kovar renfermant environ 750 cl: d'acide acétique, 250cmS d'acide nitrique concentré et 15 cm d'acide clzlorhydrique concentré.
Si on utilise des broches en tungstène, les oxydes peuvent être enlevés par polissage électrolytique dans une solution de phosphate de soude.
On peut utiliser la même matière pour les deux électrodes. La première condition pour un tube ayant la réponse spectrale, la puissance et le rendement voulus est que la matière employée puisse être polie électrolytiquement, qu'elle possède une résistance mécanique élevée à une température de fusion élevée et une réponse spectrale qui ne soit pas au-dessus d'environ 9800 à 3000 , de telle sorte que le tube soit essentiellement insensible à la lumière solaire. Les matériaux qui possèdent théoriquement la réponse spectrale demandée sont le tungstène, le platine et le rhénium.
Cependant, le seul matériau de ce groupe qui puisse être aisément purifié pour remplir la condition imposée au point de vue réponse spectrale et tout en répondant aussi aux autres exigences de ré sistance, de température de fusion, et de facilité à se prêter au polissage électrolytique, est le tungstène.
Par exemple, la température de fusion élevée du tungstène permet d'effectuer un dégazage très énergique ainsi que la préparation de la surface de ce matériau. Le tungstène est donc la matière à préférer pour ces électrodes.
Le dispositif d'électrodes est soudé par point à des tiges supports adéquates. Quand les tiges de support sont en Kovar et le fil des électrodes en tungstène, l'ensemble est, après la soudure par point, débarrassé de tout oxyde en le faisant bouillir dans une solution diluée d'acide chlorhydrique, puis en le plongeant de nouveau dans une solution de polissage pour le Kovar . L'ensemble est ensuite lavé dans Peau courante et on lui donne un second polissage électrolytique pour enlever les dernières traces d'oxyde ainsi que les arêtes locales et les aspérités
aux points de soudure.
L'ensemble est ensuite de nouveau lavé dans l'eau courante et rincé à l'eau distillée, après quoi il est rincé dans un réactif à base d'alcool méthylique et séché à l'abri des poussières de telle manière qu'il ne reste plus aucune trace de contamination chimique sur l'ensemble.
Quand les tiges de support et le fil des électrodes sont tous les deux en tungstène, l'ensemble est nettoyé après l'opération de soudure en lui donnant d'abord un second polissage électrolytique pour enie- ver les oxydes et les aspérités aux points de soudure.
Si la soudure est faite en atmosphère d'hydrogène ce qui cependant n'est pas nécessaire - on lui donne un polissage électrolytique dans l'acide orthophospho- rique pour enlever le cuivre résiduel déposé par le cuivre des électrodes de soudure.
Dans tous les cas, on utilise des tiges de support de rigidité suffisante pour obtenir un support convenable de l'ensemble des électrodes vis-à-vis des vibra tions; cependant, les tiges de support ne doivent pas être si épaisses qu'un dégazage convenable et leur appropriation soient empêchés par la conduction thermique trop élevée des tiges de support. Quand on utilise des tiges de support en Kovar , on préfère utiliser pour la base du tube le verre Corning 7052 et quand on utilise des tiges supports en tungs mène, le verre Corning 7720 ou 7750.
Les fils de Kovar sont faciles à manipuler mais relativement gros - environ 1,25 mm de diamètre - dans le but de pouvoir laisser passer le courant maximum de 20 A nécessaire pour le traitement des électrodes par chauffage électrique. D'autre part, les tiges de support en tungstène d'un diamètre de 1,25 mm peuvent supporter un courant jusqu'à 30 A. En variante, l'ensemble d'électrodes peut être traité par induction à haute fréquence. Dans ce cas, la seule condition pour les tiges de support est de pouvoir maintenir l'ensem ble d'électrodes et d'empêcher les vibrations et quand elles sont en tungstène, de permettre le chauffage du système au-dessus de 2000su sans avoir une conduction thermique excessive par les tiges supports.
Avant de sceller l'enveloppe 13 sur la base, elle est lavée dans un détergent, rincée, lavée à l'eau distillée, et séchée en utilisant un réactif à base d'alcool méthylique, puis cuite dans un four à environ 4500 C pendant environ deux heures. Pendant l'opération de scellement, on fait passer sur les électrodes et les tiges de support un gaz qui est un mélange non explosif d'hydrogène et d'azote pour empêcher leur oxydation.
Le choix du diamètre du fil pour les électrodes dépend de la résistance mécanique, du courant et de la sensibilité désirée, la sensibilité de même que les autres propriétés augmentant en même temps que le diamètre du fil. On peut utiliser des fils d'un diamètre de 0,025 à 0,75 mm, mais des diamètres de 0,2 à 0,5 mm sont préférables.
On fait ensuite le vide dans le tube jusqu a envi ron une pression de 10-l à 10--5 mm de mercure et on le cuit toute une nuit à environ 4150 C en réduisant la pression à 10--8 mm de mercure. Pendant que l'on fait le vide, l'ensemble des électrodes est dégazé en le chauffant à environ 22500 C. Cet ensemble est chauffé jusqu'à environ 14000 C pendant deux heures et la température est ensuite augmentée lentement jusqu'à environ 21000 C et maintenue pendant environ 2 heures. L'ensemble d'électrodes est ensuite ramené à la température ambiante pendant une durée d'environ une minute.
Le dispositif d'évacuation est alors fermé et le tube rempli avec un gaz pur à la pression demandée.
Le remplissage de gaz est choisi en fonction des conditions demandées au point de vue de l'extinc- tion, de la tension d'amorçage, de la facilité de puri- fication, de l'insensibilité au rayonnement cosmique, etc. Quoique l'on puisse utiliser de nombreux gaz ou combinaisons de gaz, on utilise généralement un hydrogène de haute pureté dont le taux d'impureté est seulement d'une partie pour 1010. L'hydrogène peut, par exemple, être amené à ce degré de pureté au moyen d'un filtre en palladium. La pression du gaz est suffisamment élevée pour maintenir l'amorçage de la décharge dans la zone où le champ électrique est élevé et où le travail d'extraction est grand.
On utilise de préférence des pressions d'hydrogène dans la gamme de 3 à 10 cm de mercure, ce qui donne des tensions d'amorçage de 400 à 700 volts, efficace, ou environ 900 volts de pointe.
Pendant le chauffage des électrodes pour le dégazage, les impuretés à l'intérieur du fil émigrent vers la surface et s'évaporent. Un résidu d'impuretés à bas travail de sortie reste cependant distribué sur la surface du fil. Dans le but de porter le travail de sortie à son maximum, les électrodes sont alors bombardées par des ions avec des ions positifs d'hydrogène par la méthode de l'avalanche d'électrons pen avant environ S à 10 minutes. Ceci est effectué en appliquant une tension continue ou alternative aux électrodes du tube à travers une résistance en série choisie de manière à limiter le courant à environ 100 milliampères suivant la dimension du fil utilisé.
L'impact des ions positifs chasse de la surface les impuretés qui restent après le traitement thermique. C'est essentiellement un procédé de pulvérisation qui chasse les atomes d'impuretés dans le verre qui agit comme getter et empêche ainsi leur retour sur les électrodes.
Les tubes qui utilisent du tungstène purifié suivant les différents moyens décrits plus haut ont la caractéristique exceptionnelle d'être presque complètement insensibles aux radiations ultraviolettes dont la longueur d'onde est supérieure à environ 2800 à 3000 A. Ceci donne une insensibilité presque complète au rayonnement solaire. Par exemple, un essai d'insensibilité au rayonnement solaire peut être fait en plaçant le tube à environ 10 cm d'une lampe de 100 watts allumée, ce qui donne environ 50 coups min, ute, et correspond en lumière solaire directe à environ 1 coup/minute.
D'autre part, la sensibilité du tube à la lumière ultraviolette est telle qu'en plaçant la flamme d'une allumette près du tube on obtient approximativement 7200 coups par minute.
L'intensité du champ sur toute la surface élémentaire est inversement proportionnelle à la première puissance de la plus courte distance entre cette surface et l'autre électrode mais dépend, quand la surface élémentaire possède une arête vive ou une aspérité, de très faible rayon, de renverse du cube de ce rayon. Une arête vive ou une aspérité peut ainsi être cause d'une intensité très élevée du champ, ce qui lui fait émettre des électrons de préférence à toute autre partie de la surface des électrodes, par suite de l'ac- tion d'un photon incident.
Ce ou ces électrons émis peuvent déclencher une décharge en avalanche entre les parties immédiatement voisines des électrodes, même si ledit endroit ou arête où l'électron est émis se -trouve en dehors de la zone normale du plasma conducteur. Ceci parce qu'un électron émis produit une décharge localisée par effet Corona, décharge qui à son tour produit par recombinaison un rayonnement de photons, qui peut être intercepté par les électrodes dans la zone normale du plasma conducteur. Toute la zone dans laquelle un électron émis peut déclencher une décharge en avalanche est appelée zone de fonctionnement .
L'effet d'un champ de forte intensité en un point d'une surface élémentaire d'une électrode est de réduire le travail d'extraction à cet endroit. Quand le travail d'extraction est diminué, des électrons peuvent être émis par des photons de fréquence plus fai ble, même par des photons dans la gamme de l'énergie solaire, ce qui détruit la sélectivité spectrale que l'on désire obtenir avec le tube détecteur de photons.
Il en résulte que, si l'on a un champ très intense en un point quelconque de l'ensemble d'électrodes, à l'intérieur du tube, ce point détermine la réponse spectrale de tout l'ensemble d'électrodes. C'est pourquoi on cherche à ce que toute la surface de Pensemble des électrodes et des tiges de support soit polie électrolytiquement pour enlever toutes les arêtes vives et que les électrodes dans toute la zone de fonctionnement soient de plus parfaitement uniformes et exemple tes de discontinuités de manière à obtenir un travail d'extraction maximum t et uniforme pour toutes les surfaces élémentaires qui se trouvent dans cette zone.
Un travail ; d'extrsotion maximum est la base indis- pensable pour obtenir une réponse spectrale bien déterminée qui rend le tube détecteur insensible aux radiations solaires. Un travail d'extraction uniforme sur toutes les surfaces élémentaires des éIctrodes dans toute la zone de fonctionnement constitue la condition essentielle pour obtenir une ssélectivité spectrale stable et une grande sensibilité avec une puissance de sortie élevée. Dans un tel tube détecteur, on obtient une puissance de sortie de 5 watts sans
avoir besoin d'amplification.
Les perfectionnements décrits plus haut présentent le maximum d'intérêt au point de vue pratique quand la tension appliquée est alternative. En fonctionnement sur tension alternative, l'extinction est obtenue à chaque demi-période par l'inversion de la tension appliquée et non en utilisant une résistance extérieure de grande valeur comme dans le tube Gei- ger Muller conventionnel. La résistance de charge peut par conséquent être prise à une valeur relati vement basse - aux environs de 15 000 ohms pour obtenir le rendement et la puissance de sortie maximums. A ce point de vue on doit noter que seul en son genre, le tube peut rester totalement conducteur pendant toute une partie de la durée de chaque demi-période.
Par exemple, tout flux de rayonnement incident, quand la tension appliquée dépasse la tension d'amorçage, produit l'émission d'un électron ionisant qui engendre une avalanche d'électrons qui rend le tube conducteur pendant toute la durée du reste de la demi-période de la tension appliquée.
La puissance totale de sortie par électron émis est par conséquent beaucoup plus importante que celle que l'on peut obtenir dans le tube Geiger Muiler conventionnel, avec une grande résistance et extinction par l'extérieur.
On peut aussi obtenir le rendement optimum en fonctionnement sur tension alternative en réalisant les deux électrodes symétriques au point de vue mécanique et électrique, comme le montrent les fig. 1 et 2, de telle sorte que chaque électrode fonctionne aussi bien comme anode que comme cathode. Cette symétrie des électrodes permet d'en tirer, à chaque demipériode, la grande puissance 'de sortie indiquée cidessus, pendant la durée des deux moitiés de chaque période de la tension. Donc, en fonctionnement sur tension alternative, on obtient une puissance moyenne continue.
Le choix de la fréquence de la tension appliquée est arbitraire dans de larges limites, mais si l'on impose un comptage très rapide, il faut utiliser une fréquence plus grande. En pratique, on utilise une fréquence prise dans la gamme de 60 à 400 cps. La tension appliquée a une valeur de pointe entre 600 et
1200 volts, une valeur avantageuse de cette tension de fonctionnement étant de l'ordre de 900 volts. Quoique des tensions supérieures à 1200 volts ne détériorent pas le tube, elles peuvent donner lieu à des émissions par champ localisé, ce qui provoque un autocomptage ou un comptage multiple faisant suite à une impulsion de comptage normale.
La fig. 2 montre un tube détecteur de rayonnement ayant une disposition symétrique des électrodes, différente par rapport à celle de la fig. 1. Ce tube détecteur possède une enveloppe de verre 20 fermée à une extrémité par une base 21 à travers laquelle passent des broches de connexion et des tiges de support 22, huit de ces tiges étant disposées suivant un octogone, comme on le voit à l'extrémité du tube. Quatre tiges de support 22a, disposées en deux paires opposées, portent des fils parallèles 23, quatre fils parallèles étant disposés dans chacun de trois plans parallèles différents disposés à une certaine distance le long des tiges de support.
De même, quatre tiges de support 22c disposées en deux paires opposées portent des fils parallèles 24 qui sont disposés de la même manière dans chacun de trois plans parallèles intercalés entre les trois premiers plans mentionnés. De préférence, chaque ensemble d'électrodes est réalisé au moyen d'un fil continu bobiné d'avant en arrière d'une des tiges de support sur celle qui lui est opposée de manière à former des boucles de forme allongée dans les plans parallèles successifs mentionnés plus haut et l'on obtint donc trois de ces boucles montées sur les tiges de support 22at et 22au, etc., et trois autres de ces boucles montées sur les tiges supports 22aS et 22au.
Les boucles des fils 23 formant une électrode croisent donc les boucles des fils 24 formant l'autre électrode à une certaine distance de celles-ci dans la région centrale du champ de l'octogone défini par les tiges de support. Dans cette région du champ, on a donc une disposition parfaitement symétrique des électrodes l'une par rapport à l'autre. En utilisant la même matière pour les deux électrodes et en appliquant aux deux électrodes le même traitement décrit plus haut, chaque électrode peut donc fonctionner aussi bien comme cathode que comme anode.
Par conséquent, en prévoyant des surfaces d'électrodes uniformes dans la région où s'établit le champ, surfaces qui sont exemptes de joints, d'arêtes, d'aspérités et de discontinuités aussi bien que de gaz occlus et d'impuretés, et qui ont été traitées de manière à obtenir des surfaces donnant une réponse spectrale uniforme et un travail d'extraction maximum, on arrive à réaliser un tube très stable et reproductibie ayant une grande sensibilité et un rendement élevé avec une puissance de sortie importante, spécialement quand il fonctionne sous une tension alternative.
La fig. 3 représente un tube détecteur 25 pour l'ultraviolet fonctionnant sous tension continue. Une enveloppe de verre 26 est scellée sur des bases terminales 27 et 28 au travers desquelles passent des broches de connexion 29 et 30 qui continuent à l'intérieur de l'enveloppe de manière à former les tiges de support respectives des différentes électrodes.
La paire de tiges de support supérieures est soudée aux extrémités d'une électrode 31 formée par un fil enroulé en hélice disposé transversalement dans l'enveloppe et la paire de tiges de support inférieures porte une électrode 32 qui est généralement un fil replié en U et dont la partie rectiligne active est disposée transversalement et suivant l'axe de l'électrode 31. I1 faut remarquer que le tube de la fig. 3 ne doit pas avoir des électrodes symétriques puisqu'il est destiné à fonctionner dans des circuits sous tension continue qui sont connus dans la technique actuelle.
La fig. 4 représente un tube détecteur tel que celui 10 ou 20 des fig. 1 et 2, connecté à un réseau 33 à 115 volts et 60 périodes par l'intermédiaire d'un transformateur élévateur 35, dont le circuit secondaire comporte simplement le tube 10 et un dispositif de charge 34 connecté en série. Le dispositif de charge peut être une résistance ou une impédance ou les deux, par exemple la bobine d'un relais de commande.
La tension qui est élevée par le transformateur d'entrée est telle qu'elle fournit une tension de pointe de l'ordre de 900 volts aux bornes du tube et de la charge.
La fig. 5 représente le tracé de la puissance électrique de sortie en fonction de la longueur d'onde du flux incident, pour un tube tel que ceux décrits, qui fonctionne sous une tension continue avec une charge de 100 mégohms. La réponse du tube est tracée en indiquant le nombre de coups exemptes d'arêtes vives, d'aspérités ou autres discontinuités, ainsi que de substances contaminantes dans toute la zone de fonctionnement.
On a cependant trouvé que les verres commerciaux transmettant les U-V renferment des métaux alcalins qui sont un de leurs constituants et qui se présentent sous la forme d'ions places dans les interstices de l'assemblage des mailles ouvertes de la silice, du bore, de l'oxygène et d'autres constituants du verre. Ces ions de métaux alcalins s'échappent dans le gaz sous l'effet de la chaleur du bombardement par les ions et des champs électriques qui naissent durant la décharge.
Certains de ces ions de métaux alcalins viennent se loger à la surface des électrodes dans la zone de fonctionnement et diminue ainsi le travail d'extraction, ce qui donne des surfaces éllémentaires sensibles aux rayons U-V de plus grande longueur d'onde, qui se trouvent dans le spectre solaire - par exemple jusqu'à des longueurs d'onde supérieures à 2800 ou 3000 À. Quoique ces substances contaminantes puissent être facilement évitées en utilisant un verre exempt de métaux alcalins pour constituer l'enveloppe, comme par exemple le quartz pur fondu, ce procédé n'est pas économique et l'on aura toujours une source de substances contaminantes formée par le scellement du verre là où les tiges supports sont introduites dans l'enveloppe.
On a trouvé que si chaque décharge luminescente couvre les électrodes sur toute la longueur de la zone de fonctionnement, les substances contaminantes sont enlevées par le bombardement ionique et la réponse spectrale reste stable pendant toute la durée de vie des tubes, sans que ceux-ci deviennent sensibles à des radiations du spectre solaire. Cependant, si la décharge luminescente recouvre la totalité de la zone de fonctionnement pendant la durée de chacune des impulsions de tension du circuit d'alimentation, les électrodes peuvent être surchauffées et émettre des électrons par effet thermoionique, ce qui fait déclencher les tubes par les électrons thermoioniques au commencement de chaque demi-période de la tension appliquée.
Cette difficulté a été surmontée avec succès en utilisant un circuit de fonctionnement t au moyen duquel la décharge luminescente recouvre la totalité de la zone de fonctionnement pendant au moins un instant à chaque décharge sans que la valeur efficace du courant atteigne une valeur telle qu'elle surchauffe les électrodes au point de produire une émission thermoionique. Comme on le verra, ces conditions sont réalisées en utilisant des circuits de fonctionnement adéquats de manière à obtenir un fonotionnement sta ble pendant toute la vie du tube à la fois pour le fonctionnement sous tension alternative et pour le fonctionnement sous tension alternative redressée.
D'autres essais ont montré que des pointes de courant instantanées de valeur élevée suffisantes pour étendre la décharge luminescente à toute la zone de fonctionnement sont suffisantes pour éliminer des électrodes les substances contaminantes à faible travail d'extraction collectées pendant l'impulsion précédente et/ou pendant l'extinction, et que ces pointes insitan- tancées de valeur élevée du courant ne surchauffent pas les électrodes et ne provoquent pas d'émission thermoionique pour autant que la valeur efficace du courant se trouve en dessous de la valeur du seuil critique.
Ces conditions de fonctionnement nécessaires pour maintenir une réponse stable du tube U-V sont remplies à la fois par les circuits d'impulsions à courant continu et à courant alternatif, en considérant que chacun de ces circuits est un circuit d'impul- sion . En courant alternatif, les impulsions peuvent se produire pendant les demitériodes successives avec des polarités alternées, et en fonctionnement en courant redressé, elles peuvent se produire pendant les demi-périodes alternées avec la même polarité.
Un circuit de fonctionnement avantageux pour maintenir le tube détecteur de rayons U-V 10 pendant son fonctionnement avec une réponse stabilisée est le circuit en courant alternatif 36 représenté par la fig. 9. Ce circuit est relié à une source de tension 37 par l'intermédiaire d'un transformateur élévateur 38, de sorte que le circuit recevra une tension efficace de l'ordre de 700 volts, En série avec le circuit de fonctionnement, on a en outre un condensateur 39, une résistance 40, le tube détecteur d'U-V 10 et un redresseur à deux alternances 41. La sortie du re dresseur est reliée à un relais 42 shunté par un condensateur 43.
Les valeurs normales de ces composantes du circuit sont: condensateur 39 : 0,075 FlF ; résistance 40 : 3600 ohms ; condensateur 43 : 80 L,tF.
De préférence, la résistance 40 est reliée dans le cirez cuit le plus près possible du tube détecteur U-V 10, de manière à empêcher le passage d'un courant dû à la capacité parasite, qui peut éteindre la décharge dans le tube U-V et empêcher le fonctionnement du relais.
Au moment de l'application d'une impulsion de tension sur le circuit 36, impulsion venant de la source 37, et du déclenchement simultané du tube U-V par des photons incidents, on aura un courant initial déterminé par la résistance 40, puisque, au début, le condensateur 39 n'est pas chargé. La résistance 40 est choisie de telle manière qu'une pointe de courant initial produira une décharge luminescente dans le tube 33 sur toute la longueur de la zone de fonctionnement, et la constante de temps RC du condensateur 39 et de la résistance 40 est choisie de telle manière que chaque impulsion de courant diminue suffisamment rapidement pour empêcher toute surchauffe des électrodes pendant une période continue d'excitation du tube par les U-V.
Quoique la durée de chaque demi-période de la tension appliquée soit de 8,3 millisecondes pour une source de tension à 60 cycles par seconde, une cons tante de temps en série RC, qui n'est que de 0,27 milliseconde, convient tout à fait bien pour conserver la stabilité de la réponse spectrale du tube tout en donnant encore un courant de sortie de l'ordre de 10 milliampères à la saturation. Le redresseur en pont 41 redresse les deux alternances des impulsions de décharge pour le relais à courant continu 42 et le condensateur 43 filtre les impulsions successives pour donner un courant permanent.
Plus particulièrement, il faut noter que quand la tension d'alimentation augmente dans le circuit 36 à partir de la valeur zéro, une tension de comptage à peu près égale s'établit aux bornes du tube U-V 10 puisque jusqu'au moment où il est allumé, le tube constitue l'impédance la plus grande du circuit. Quand la tension de comptage aux bornes du tube 10 atteint la tension d'amorçage, qui est approximativement 700 V, le tube se décharge s'il y a un rayonne- ment de photons incidents pour le déclencher. Au moment t où une décharge se produit dans le tube U-V 10 la tension aux bornes du tube tombe approxima- tivement à 110 V. Le courant initial est déterminé par la résistance 40 et la tension nette dans le circuit aux bornes de cette résistance.
Au moment où le courant commence à circuier, le condensateur 39 commence à se charger et une différence de potentiel apparaît à ses bornes et la tension aux bornes du tube U-V 10 commence à diminuer. Quand la tension fournie au tube U-V 10 tombe en dessous de 330V le tube s'éteint. A ce moment, il existe aux bornes du condensateur 39 une tension dans un sens qui aidera la décharge lors de la prochaine demi-période. Pour les valeurs des composantes du circuit indiquées plus haut, la valeur de pointe du courant lors de la demipériode suivante atteint environ 0,185 ampère.
A cause de l'augmentation de la tension qui est appliquée aux bornes du tube U-V 10 après la prb mière impulsion, comme indiqué ci-dessus, il existe une possibilité de comptage multiple, un état dans lequel la probabilité d'avoir une impulsion pendant la demi-période suivante est plus grande que celle pour la première demi-période pour la même excitation par une radiation. Un moyen de diminuer cette tendance à un comptage multiple, tout en conservant l'avantage du condensateur 39 pour maintenir une réponse spectrale stable du tube sans risquer de surchauffer les électrodes, est de connecter une résistance 44 de valeur convenable en parallèle avec le condensateur 39 comme l'indique la fig. 10.
Cette résistance dérive
une partie de la charge e sur le condensateur pendant la période entre les impulsions pour réduire la possibilité d'un comptage e multiple. Une constante de temps qui convient pour le circuit RC en parallèle est d'environ la moitié de la durée de chaque demi-période de la tension appliquée. Par exemple, pour une source de tension à 60 cps avec une durée de 8,2 millisecondes pour chaque demi-période, une constante de temps de 4,5 millisecondeis donnant une réduction d'environ
30 O/o de la charge du condensateur pendant chaque demi-période, donne des résultats très satisfaisants.
Pour cela, on peut donner à la résistance 40 une valeur de l'ordre de 60 000 ohms. Puisque la constante de temps en série RC du condensateur 39 et de la résistance 40 est seulement de l'ordre de 0,27 milli- seconde - valeur normale - une valeur convenable pour la constante de temps en parallèle RC est de l'ordre de seize fois celle de la constante de temps en série RC.
En observant les impulsions de courant à travers le tube U-V 10, on voit qu'elles diminuent exponentiellement à la manière d'un courant de décharge dans un circuit RC. Le point de chaque demi-période de la tension auquel le tube U-V s'allume dépend de l'intensité du rayonnement d'excitation. Si l'excitation est élevée, les impulsions de courant démarrent pendant le commencement de chaque onde de tension et l'amplitude de pointe du courant est faible. Si l'excitation est faible, les impulsions de courant tendent à démarrer quand la tension atteint sa valeur de pointe et la valeur de pointe du courant est alors relativement élevée.
Le rôle du condensateur 43 en parallèle avec le relais 42 est non seulement de filtrer les impulsions de courant et d'obtenir un courant permanent, mais également d'agir comme dispositif intégrateur de telle manière qu'une série d'impulsions successives soit nécessaire pour faire fonctionner le relais. Le condensateur 43 sert donc à empêcher les impulsions occasionnelles isolées de faire fonctionner le relais.
La fig. 1 1 représente un autre circuit pour le tube
U-V 10, dans s lequel le fonctionnemlefat se fait à partir d'impulsions de tension unlifdirectionnelies au lieu d'une source de tension altemative. Comme précédemment, le ; circuit est alimenté par une source alternative 37 par l'intermédiaire d'un transformateur élévateur 38 qui donne approximativement 700 V efficace aux bornes de l'enroulement secondaire du transformateur.
On relie à cet enroulement secondaire un circuit 45 qui comporte en série un redresseur demi-onde 46, une résistance 47, le tube U-V 10 et le relais 42 avec le condensateur 43 en parallèle. La résistance 47 est choisie pour fournir un courant qui étendra la décharge luminescente sur toute la zone de fonctionne- ment du tube U-V quand ce tube est déclenché par une radiation U-V incidente. I1 n'y a pas de condensateur dans le circuit 45, le courant de la décharge déclenchée circule et a une valeur qui dépend de la tension appliquée au circuit 45 et de la résistance 47, le courant continuant à passer jusqu'à ce que la tension fournie au tube U-V soit tombée en dessous d'environ 330 V. Une valeur normale pour la résistance 47 est de l'ordre de 6000 ohms.
De préférence, la résistance 47 est t reliée dans le circuit le plus près possible du tube U-V 10 de manière à empêcher le passage d'un courant de fuite de capacité qui peut éteindre prémattirément le tube U-V et empêcher le fonctionnemenlt du relais 42. Quoique la valeur du courant pendant chaque impisitszn de décharge ne tombe pas fortement en dessous de sa valeur initiale et puisse même atteindre une valeur de pointe, avant que le tube 10 ne soit éteint, la plus grande durée de ce courant ou tout au moins & a valeur de pointe ne doit pas surchauffer les électrodes parce que le courant ne circule que pendant des demi-périodes alternées.
On a également trouvé que l'effet nuisible des substances contaminantes sur le fonctionnement du tube U-V peut être supprimé en chauffant la ou les électrodes qui servent de cathode, suivant que le tube fonctionne au moyen d'impu > 1sions de tension unidirectionnelles ou au moyen d'une source de tension alternative, à une température élevée.
Cette température ne doit cependant pas dépasser environ 300 à 4000 C qui est la température à laquelle on commence à avoir une émission thermoionique des électrons, parce que cette émission thermoionique produirait un blocage du tube, c'est-à-dire un état dans lequel le tube s'amorce spontanément et d'une manière répétée en permettant une décharge pendant chacune des impulsions de tension successives qui sont appliquées. A ce point de vue, il faut noter que le terme impulsions de tension est ici utilisé en se référant à la fois au fonctionnement en courant alternatif dans lequel les impulsions successives se produisent avec des polarités alternées et au fonctionnement en courant alternatif redressé, dans lequel les impulsions successives se produisent avec la même polarité.
L'effet du chauffage de l'électrode servant de cathode est de produire la réévaporation de tout ion positif contaminant au moment où il atteint l'électrode, ce qui permet de conserver la surface de l'électrode exempte de substances contaminantes même si elle est exposée à une contamination par une ambiance d'ions positifs.
Dans le schéma de la fig. 12, une tension alternative est appliquée au tube U-V 10 à partir du réseau à 110 V indiqué en 48 par l'intermédiaire d'un trans- formateur élévateur 49 qui est prévu pour donner une tension d'allumage aux bornes de l'enroulement secondaire de l'ordre de 700 V effectifs. Un circuit 50 est relié à l'enroulement secondaire et comporte en série une résistance 51 de limitation du courant normalement de l'ordure de 15 000 ohms, le tube 10 et un redresseur à deux alternances 52. La sortie du redresseur est reliée au relais à courant continu 53 en parallèle avec un relais temporisé et un condensateur de filtrage 54. Le relais 53 a une paire de contacts 53a connectée dans un circuit de charge ou de commande 55.
Chaque électrode en fil de tungstène 11 du tube 10 a, cornme on peut le voir, deux bornes de sortie constituées par les tiges de support 12. Ces bornes permettent de chauffer électriquement les électrodes pour en chasser les gaz occlus et les substances con tannantes au cours de la fabrication du tube et sont utilisées pour chauffer les électrodes pendant que le tube est en service. Puisque l'on fait fonctionner le tube en courant altematif dans le circuit de la fig. 12, en faisant fonctionner alternativement les électrodes en cathode, les deux électrodes doivent être chauffées.
Dans ce but, le transformateur 49 est muni de deux enroulements de chauffage 57 et 58 connectés respectivement par les fils 57a et 58a aux bornes des deux électrodes. Les connexions des circuits de chauffage sont de préférence effectuées directement aux broches ou bornes 12 et le circuit 50 est relié directement à l'une de chacune des deux paires de bornes, comme indiqué, de manière à séparer autant que possible les circuits de chauffage des circuits de fonctionnement.
Avec le circuit de la fig. 13, une impulsion uni direetionnelle de tension est appliquée aux bornes du tube U-V 10 en le reliant par l'intermédiaire d'un redresseur 59 à l'enroulement secondaire du transformateur 49. Ce redresseur peut être soit à une, soit à deux alternances, le premier étant représenté à titre d'exemple. Dans le circuit 50, on a une résistance de limitation du courant 60 et le relais à courant continu 53 en parallèle sur le condensateur de filtrage 54.
Puisque dans ce cas une seulement des électrodes sert de cathode, seule cette électrode est chauffée électriquement par l'enroulement de chauffage 58 en passant par le circuit 58a.
Dans les circuits que montrent les fig. 12 et 13, les enroulements de chauffage 57 et 58 sont prévus pour fournir un courant de chauffage suffisant pour amener les électrodes à une température de 300 à 4000 C puisque c'est la température maximum à laquelle des électrodes de tungstène peuvent être chauffées dans une ambiance d'hydrogène sans produire d'émission thermoionique et provoquer un autocomptage par le tube.
Quand, suivant le cas, la ou les électrodes qui servent de cathode sont chauffées comme indiqué cidessus, la réponse spectrale est décalée de la courbe
A à la courbe B comme l'indique la fig. 14. Ce décalage dans la réponse spectrale rend le tube complètement insensible aux radiations dont la longueur d'onde est supérieure à environ 2700 , ce qui rend le tube totalement insensible à la lumière solaire, dans une atmosphère normale. Ce décalage dans la réponse spectrale augmente les possibilités d'utilisation du tube spécialement pour les applications de détection d'incendie en aviation, puisque une insensibilité complète à la lumière solaire est essentielle dans ces applications.
En outre, on a trouvé que le décalage du spectre est accompagné d'une amélioration considérable de la stabilité de fonctionnement du tube qui amène le tube à répondre seulement à une bande spectrale déterminée pendant toute la durée de sa vie.
Cette augmentation de stabilité est un facteur important dans presque toutes les applications pratiques du tube puisqu'elle signifie que le tube est presque totalement exempt de comptages aléatoires et parasites comme ceux que l'on rencontre communément dans les tubes détecteurs de rayons U-V fabriqués jusqu'ici.
On pense que le décalage spectral qui résulte du chauffage de la cathode en polarisant l'électrode qui sert de cathode est probablement dû à une modifica tion des caractéristiques de transfert de charges qui existent à la surface du gaz sur l'électrode. Il semble, par exemple, que l'énergie thermique supplémentaire dissipée dans les électrodes augmente la concentration effective des gaz absorbés sur la surface et augmente le travail d'extraction de la surface gaz-électrode.
On pense également que l'effet stabilisant sur le travail d'extraction provient, tout au moins dans une large mesure, du fait que quand l'électrode qui sert de cathode est ainsi chauffée, les substances contaminantes qui se trouvent sur l'enveloppe de verre sont empêchées de venir se loger sur les surfaces des électrodes. Des essais ont montré que, quand des ions de métaux alcalins dissociés de l'enveloppe de verre par le mécanisme décrit ici se déposent sur les électrodes, ils produisent une variation instable dans le travail d'extraction.
Quand un tube reste en service pendant toute une période sans chauffer les électrodes, il y a une augmentation continuelle de substances contaminantes jusqu'à atteindre une valeur d'équilibre qui peut être maximum à un niveau de 0,03 mono couche d'impureté absorbée d'ions positifs de sodium et/ou de potassium. Un tel niveau d'impureté peut décaler la réponse spectrale d'une manière indéterminée et incontrôlable dans le spectre visible. Des essais ont montré que plus la température de l'électrode est élevée par cycle - donc plus la a dissipation de puis- sance est grande - d'autant plus faible est le dépôt de substance contaminante.
Cette limite est atteinte quand on arrive au blocage theiniique - c'est-à-dire l'autozréaZumage de la décharge par l'émission thermique d'électrons pendant le cycle suivant de la tension. Cependant, on a trouvé que quand une électrode est chauffée seulement à approximativement 300 ou 4000 C, elle n'éneet pas d'électrons et reste sensiblement exempte de substances contaminantes et conserve son travail d'extraction originel.
On pense que cet effet de nettoyage se fait probablement parce que la chaleur fournie à l'électrode qui sert de cathode change l'adhérence des ions positifs incidents sur la surface de l'électrode. En d'autres termes, quand un ion positif contaminant atteint la surface de la cathode chauffée, il est effectivement réévaporé immédiatement de la surface et laisse la surface de la cathode propre bien que la cathode se trouve dans une ambiance d'ions positifs contaminants. Une autre hypothèse est que les surfaces de l'électrode qui peuvent absorber des ions positifs contaminants sont considérablement réduites par une modification des caractéristiques de transfert de charges du gaz de remplissage absorbé quand l'électrode est soumise à une polarisation par chauffage.