CHAPITRE II PHENOMENES D IONISATION DANS LES GAZ

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1 I. NOTIONS SUR LES GAZ Tous ls gaz sont solants Ont la mêm constant délctrqu CHAPITRE II PHENOMENES D IONISATION DANS LES GAZ ε =ε = 8, F / m L ar st l solant l plus dsponbl, l plus utlsé t par dssus l marché l st gratut. Il st mpossbl d connaîtr l comportmnt partculr d un partcul, mas la théor cnétqu ds gaz prmt d connaîtr, n rason mêm d lur grand nombr, lur comportmnt moyn. N mport qul gaz, utlsé comm délctrqu dot possédr crtans caractérstqus pour l bon fonctonnmnt tlls qu : - Grand résstvté ; - prts fabl ; - Rgdté délctrqu élvé ; - Non nflammabl ; - Résstant aux ffts thrmqus t chmqus ; - Absnc d touts toxcté ; - Mantnanc pas chèr t pratqu. Ls gaz n sont pas généralmnt consdérés comm ds "matéraux", parc qu la dstanc ntr ls moléculs adjacnts st s grand t l nombr d'atoms ou d moléculs par unté d volum st s ptt, qu'ls n sont pas capabls d résstr aux forcs mécanqus. Cpndant, ls gaz sont ds "délctrqus" dans l sns d'solants élctrqus, t sont mployés pour mpêchr l'écoulmnt du courant. I.1. Consttuton d l atom L noyau rnfrm : 27 ds protons : m p 1, = kg ; q p = 1,6.1 C 27 ds nutrons : m n = 1, kg ; q = Ls élctrons gravtnt autour du noyau : m = 9,119.1 kg ; q = 1,6.1 C N élctron Fgur 1 : Consttuton d un atom A l état fondamntal, l atom st nutr ; S l lbèr un élctron l dvnt un on postf ; A1 é S l gagn un élctron dvnt un on négatf ; 1 é A Rmarqu : L photon st un quantum d énrg (m= ; q=). I.2. Mouvmnt ds partculs dans l gaz L mouvmnt ds partculs dans l gaz st lbr, contrarmnt au sold qu st un mass compact car ls partculs sont rlés ntr lls par ds lasons crstallns forts. Gaz Fgur 1 2 sold

2 I.3. Prsson du gaz La prsson P st proportonnll à la dnsté atomqu δ. δ : Nombr d atoms/unté d volum λ : lbr parcours moyn (lpm) : dstanc séparant dux partculs vosns. Bass prsson l.p.m Fgur 3 II. CLAQUAGE II.1. Tnson crtqu d claquag U c S U U c : l solant n put pas supportr ctt tnson Claquag (décharg élctrqu). Rmarqu : A la prsson atmosphérqu, s d = 1cm : U c 3 kv ; donc l champ crtqu E c 3 kv/cm. Haut prsson Etncll-arc élctrqu : Lors d un claquag, s l on contrôl l courant avc un résstanc élvé, la décharg s stabls pour ds courants d l ordr du µa (Etncll). Snon, s l n y a pas d résstanc d protcton R, la décharg évolu rapdmnt vrs d autrs régms caractérsés par ds courants baucoup plus élvés (arc élctrqu), s la sourc d almntaton a un pussanc suffsant. HT HT élctrods d décharg ou arc élctrqu Fgur 4 Décharg élctrqu Fgur 5 R III. PHENOMENES DE COLLISION Collson : choc ntr dux partculs. III.1. Choc élastqu On consdèr un boul d mass m qu ntr n collson avc un autr boul d mass M. Sont : v : vtss d m avant l choc ; v :vtss d m après l choc ; V :vtss d M après choc. Prncp d consrvaton d l énrg cnétqu W c : mv = mv' + MV (1) Prncp d consrvaton d la quantté d mouvmnt : mv = mv' + MV (2) A partr ds équatons 1 t 2, on obtnt : v' M m = v M + m Élctron v Fgur 6 Atom 2

3 a) S M m : collson ntr un atom t un on ; v la partcul ncdnt prd son énrg cnétqu. b) S M>>m : ntr un atom t un élctron; v v la partcul ncdnt consrv son énrg cnétqu. Concluson : Dans un choc élastqu, l y a un transfrt d énrg cnétqu sulmnt. Lors d chocs élastqus l élctron gard pratqumnt tout son énrg t n n cèd qu un très fabl part par collson aux autrs partculs. Ls élctrons possèdnt donc un énrg supérur à cll ds ons t ds moléculs nutrs. Comm l élctron consrv pratqumnt tout son énrg cnétqu après un choc élastqu, l sra d un grand mportanc pour ls chocs non élastqus qu s produsnt dans l mécansm d claquag ds gaz. III.2. Choc non élastqu Au momnt d la collson, s l énrg cnétqu d l élctron ncdnt st suffsammnt grand, l atom lbèr un élctron t dvnt onsé (onsaton par collson) choc non élastqu. IV. PROCESSUS D IONISATION ET D EXCITATION Ls élctrons dans un conductur sont lbrs, dés qu on applqu un champ auss fabl sot-l ls s détachnt d l atom t s déplacnt avc l champ. Par contr dans un solant, ls élctrons sont lés t n s détachnt qu s on lur fournt un énrg suffsammnt grand supérur à l énrg d onsaton d l atom. Rmarqu : L énrg d onsaton W st l énrg qu rtnt l élctron dans l orbt d l atom. W = V : charg élémntar d un élctron ; V : potntl d onsaton On donn c-dssous ls énrgs d onsaton d qulqus gaz. Moléculs CO 2 N 2 O 2 H 2 H 2 O W (V) 13,7 15,5 12,2 15,4 12,6 IV.1. Ionsaton par collson a) Ionsaton : Sous l acton d E l élctron qu s déplac avc un énrg cnétqu W c, ntr n collson avc l atom ; Avc W c = ½ m v 2 m : mass d la partcul v : vtss d la partcul Élctron v Fgur 7 Atom + S W c W onsaton d l atom ; Wc A + 1 é+ avc W = W c W énrg supplémntar cédé à l élctron lbéré sous form d énrg cnétqu. C st l procssus d onsaton l plus fréqunt dans ls gaz. 3

4 b) Exctaton : Un atom xcté A* st un atom qu a absorbé t mmagasné un énrg. Cla s produt lorsqu l énrg cnétqu st légèrmnt nférur à W. S W c st légèrmnt nférur à W xctaton d l atom. A + W Chaqu typ d gaz possèd un valur propr d l énrg d xctaton W x : W xt = V xt V xt : potntl d xctaton Désxctaton : Ls procssus d désxctaton puvnt s produr spontanémnt, lorsqu l élctron d un atom xcté rvnt sur son orbt fondamntal. La prt d énrg st compnsé par l émsson d un photon ayant un énrg égal au potntl d désxctaton. Après un tmps très brf (ntr 1-7 t 1-1 s) l énrg st rsttué au gaz sous form d un photon * d énrg W p = hν ( A W ) p avc h = 6, J.s : constant d Planck ; ν fréqunc du photon IV.2. Photo-onsaton L atom absorb l énrg d un photon W p. S W W photo-onsaton avc p + Wp A + 1 é+ c W = W p W cédé à l élctron lbéré sous form d énrg cnétqu. S W p légèrmnt nférur à W photo-xctaton. A + W p IV.3. Ionsaton thrmqu Lorsqu un gaz st porté à un tmpératur élvé (> 15 K), l atom st onsé grâc à l énrg thrmqu absorbé W th. S W W onsaton avc th W = W th W cédé à l élctron lbéré. A + Wth A + 1 é+ S W th légèrmnt nférur à W xctaton W th L onsaton thrmqu st rncontré surtout dans ls gaz à haut prsson. Dans c cas, l onsaton n s produt pas au cours d un sul choc, mas st l résultat d xctatons succssvs ; n fft, la fort dnsté ds partculs rnd la fréqunc ds chocs élvé. L tmps moyn ntr dux chocs succssfs st nférur à la duré d v d l atom xcté, s bn ls xctatons s cumulnt pour arrvr à la valur d onsaton. IV.4. Ionsaton par ls atoms métastabls Un métastabl A m st un atom xcté qu gard assz longtmps l énrg absorbé (d l ordr d 1s). Lors d la rncontr avc un atom B, l put s produr un transfrt d énrg qu prmttra l onsaton d c drnr. A m + + B B + 1 é+ C st l procssus l mons fréqunt. * * A * A 4

5 V. AVALANCHE ELECTRONIQUE On consdèr dux élctrods plans placés dans un gaz t soumss à un tnson élvé. Elctron prmar : cré par onsaton grâc à ds agnts naturls tls qu ls rayonnmnts cosmqus t la radoactvté d la trr. Dscrpton d l avalanch : L élctron prmar accéléré par l champ E ntr n collson avc un atom A 1 t l ons, A 1 lbèr un élctron t dvnt lu mêm un on postf. Ls élctrons t 1 onsnt par collson dux atoms A 2 t A 3 qu lbèrnt dux élctrons 2 t 3. Cs quatr élctrons ntrnt n collson avc 4 autrs atoms qu ls onsnt avalanch élctronqu. La multplcaton ds élctrons s poursut suvant c procssus jusqu à c qu l avalanch arrv à l anod. Anod Champ applqué A 4 A 5 A 6 A Fgur 8 A 2 A 3 1 A 1 Cathod Rmarqus : L avalanch prépar l chmn au claquag du gaz. Un atom onsé fournt un élctron t dvnt lu mêm un on postf ; Il y a autant d élctrons dans l avalanch qu d ons postfs. Chaqu collson onsant produt un par élctron-on postf. L avalanch progrss dans l sns opposé au champ élctrqu (Cathod Anod). VI. CHARGE D ESPACE Ls élctrons plus rapds sont absorbés par l anod, tands qu ls ons postfs lourds t plus lnts formnt ntr ls élctrods un nsmbl d chargs qu on appll «Charg d spac». Form d la charg d spac : Comm l avalanch début prés d la cathod t fnt sur l anod, ll présnt la form d un côn. Ell progrss dans l sns opposé à E. Exmpl : Ar, P = 1 atm, α =18,4 ; d =1 mm Dans l 1 èm mm, l y a 5 fos plus d ons postfs qu dans ls 9 prmrs mm. champ élctrqu E VII. ETUDE DE L AVALANCHE On consdèr dux élctrods plans d surfac = unté, soumss à un haut tnson. Ds rayons UV applqués sur la cathod lu prmt d émttr n élctrons prmars/s. à l abscss x, l avalanch produt n élctrons. à l abscss x+dx, ll produt dn nouvaux élctrons. 5 x Anod H.T Fgur 9 Anod d x+dx x Fgur 1 Cathod rayons UV Cathod

6 dn st proportonnl à n, dx t S : dn= α nsdx. Comm S=1 cm 2 : dn dn= α n dx = α x Log n= α x+ C n= C n C αx Condton lmt : x= n= n = n= n Coffcnt α : 1 α = dn nombr d pars élctrons-ons postfs crés par un élctron sur un parcours d 1cm. ndx α st applé coffcnt d onsaton ou 1 r coffcnt d Townsnd. Nombr total d pars élctrons-ons postfs crés dans un avalanch: αd x= d n= n Natur du courant d l avalanch : Rappl : J = Nv avc N nombr d partculs/volum ; charg d un partcul ; v vtss α x N élctrons avalanch N ons postfs courant élctronquj = N v courant onquj = N v comm v >> v J >> J courant élctronqu. Courant total par avalanch : αd αd αd n= n = n avc = n courant prmar = VIII. DETACHEMENT ET RECOMBINAISON 1) Détachmnt d élctron Détachmnt : Quand l on négatf cèd l élctron supplémntar. A 1 é+ 2) Rcombnason Quand dux chargs opposés s rcombnnt pour formr un partcul nutr (nvrs d la photo onsaton) + a) Entr un on postf t un élctron : A + 1 é Wp A + + B AB+ W b) Entr dux ons opposés : p IX. ATTACHEMENT Quand un élctron s attach à un atom pour formr un on négatf ; A + 1 é A + hν L attachmnt s produt pour ds champs assz fabls. Ls partculs nutrs (atoms t moléculs) favorsnt l attachmnt ds élctrons L attachmnt corrspond à un dmnuton d élctrons dans l gaz ; par analog avc l augmntaton d élctrons par onsaton (α), on écrt : W p 6

7 dn η x = η dx sot n= n n avc η coffcnt d attachmnt, n nombr d élctrons ntal t n nombr d élctrons attachés. X. GAZ ELECTRONEGATIFS La dmnuton d élctrons dans l gaz, grâc à l attachmnt aux atoms, rnd l claquag plus dffcl, pour ctt rason, ls gaz élctronégatfs sont ls mllurs solants gazux utlsés dans l solaton haut tnson. Pour c typ d gaz, ls moléculs s combnnt faclmnt avc ls élctrons lbrs t puvnt absorbr un part d l énrg d l élctron ncdnt. Hxafluorur d soufr SF6 : Dans ls drnèrs décnns, la nécssté d dmnur snsblmnt ls dmnsons ds nstallatons élctrqus pour rason d ncombrmnt t d coût, a condut à rchrchr d autrs typs d gaz, possédant d mllurs proprétés d solaton qu l ar, tls qu l SF6. L SF6 st un gaz nodor, ncolor, non toxqu, nnflammabl t plus résstant au claquag. Il n st pas toxqu, chmqumnt résstant t n s décompos pas sous l fft d la chalur jusqu à ds tmpératurs d 8 C. ( SF6) ( Ar) U c = 1,6 2,62 ; U c L SF6 st l mllur solant gazux ndustrl qu on connaît. Rmarqus : Parallèlmnt, on a utlsé ls bonns caractérstqus du vd ( mm Hg) dans la tchnqu d coupur (dsjoncturs, rlas...) malgré ds dffcultés pratqus mportants. L hydrogèn t ls gaz nrts (argon, néon, hélum, ) ont un rgdté délctrqu la plus fabl qu cll d l ar. Pour ctt rason qu ls sont mployés dans ls applcatons d la décharg élctrqu (lamp à décharg ). XI. MILIEUX DE COUPURE DES DISJONCTEURS Un grand nombr d substancs possèdnt ds qualtés, plus ou mons accptabls, pour êtr ds mlux d coupur. Tros d cs mlux ont gagné l attnton ds fabrcants d dsjoncturs du fat qu lurs proprétés xcllnts ont prms ds réalsatons économqus à hauts prformancs. C sont : - L ar comprmé ; - L hxafluorur d soufr ou SF 6 ; - L hul mnéral. XII. PROCESSUS CATHODIQUES S on fournt à un métal un énrg suffsant, supérur à l énrg d xtracton, l lbèr un ou plusurs élctrons stués à sa surfac. Pour ctt rason la cathod jou un rôl mportant car ls élctrons xtrats partcpnt au claquag. Exmpls: Alumnum W xt =,1 V ; Nckl W xt =,75 V ; Allag Al-N W xt =,15 V. XIII.1. Emsson par bombardmnt d ons postfs Ls ons postfs s drgnt vrs la cathod avc un énrg cnétqu 1 2 Wc = mv t la bombardnt. 2 S Wc Wxt, la cathod lbèr un ou plusurs élctrons. C st l procssus d onsaton l plus fréqunt dans ls gaz. Rmarqus : E Fgur 11 on + élctron cathod 7

8 l surplus d énrg = W c W xt st cédé à l élctron éms sous form d énrg cnétqu. un élctron parm cux éms srt à la nutralsaton d l on ncdnt : pour dégagr un élctron lbr (scondar) l faut qu Wc 2Wxt. XIII.2. Emsson par photon La cathod absorb un photon d énrg W p = hν ; S W W, l y a xtracton d un ou plusurs élctrons. XIII.3. Emsson thrmqu Quand la tmpératur d la cathod dvnt très grand (ntr 15 t 25 K), l énrg thrmqu d la cathod xtrat un ou plusurs élctrons. En fft, ls vbratons élvés ds partculs aboutssnt à la lbératon d un ou d plusurs élctrons stués à la surfac du métal. XIII.4. Emsson par champ S l champ à la surfac st très élvé (1 7 à 1 8 V/cm), un ou plusurs élctrons puvnt êtr xtrats par la forc élctrqu. Rmarqu : d tls champs puvnt êtr attnts lorsqu la cathod présnt ds rrégulartés t ds mprfctons à la surfac (mcro-ponts) mêm avc un tnson applqué d 2 à 5 kv. C st un procssus d onsaton très pu fréqunt. XIII.5. Emsson par ls métastabls L bombardmnt d la cathod par ls métastabls prmt auss l xtracton d élctrons. C st auss un procssus pu fréqunt. c p 8