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Detection d'electrons libres dans un gaz eclaire par un laser en dessous du seuil de claquage
Volume 26A, number11
PHYS]CS LE TT E RS
#Ansi pour E = 4 MeV on t r o u v e ~ = 44 A. P o u r /9 = 1 MeV, ~ = 22 A. La m e s u r e de ~ pour des b o u c l e s de d i s l o c a tion dans ce mdtal, et d e s p a r t i c u l e s a d ' d n e r g i e v a r i a n t de 4.8 ~ 2 MeV, ~ l ' a i d e d ' u n e technique d d c r i t e a i l l e u r s [4-7] donne A = 10 A. I1 y a 1~ un a c c o r d r a i s o n n a b l e a v e c la d d t e r m i n a t i o n thdor i q u e c o m p t e tenu de c e que d e s b o u c l e s c o u r b e n t moins le canaux que des d i s l o c a t i o n s r e c t i l i g n e s .
22 April 1968
References 1. J. Lindhard, Mat. Phys. Medd. 24 0965) 1. 2. F.R.N. Nabarro, Adv. Phys. 1 (1952) 269. 3. J. Friedel, Les dislocations (Gauthier-VillarsParis. 1956). 4. Y. Qu~r0, J. Phys., ~ para~tre. 5. Y. Qu~r~, J.C. Resneau et J. Mory, Comptes Rend. 262 (1966} 1528. 6. Y. Qu0r0, J. Phys. 29 (1968) 215. 7. Y.Qu~r0 et H.Couve, J. Appl. Phys., h para~tre.
D E T E C T I O N D ' E L E C T R O N S L I B R E S DANS UN GAZ E C L A I R E PAR UN LASER EN DESSOUS DU S E U I L DE CLAQUAGE
V. CHALMETON et R. P A P O U L A R Groupe de Recherches de l'Association EURA TOM-CEA sur la Fusion Fontenay-aux Roses, (Hauts-de-Seine ), France Re~u le 19 fevrier 1968
By means of a proportional counter with a high multiplication factor, we detected free electrons liberated in a gas by a laser beam, down to power levels 800 times lower than the threshold for optical breakdown.
L ' ~ t u d e du c o m p o r t e m e n t des g a z sous l ' e f f e t d'un l a s e r a m o n t r d que des flux l u m i n e u x infdr i e u r s ~ c e u x c o r r e s p o n d a n t au s e u i l de claquage ~taient s u s c e p t i b l e s de l i b d r e r d e s d l e c t r o n s darts c e s gaz [1-3]. Mais a l o r s que dans c e s e x p d r i e n c e s on ne pouvait d d t e c t e r m o i n s de q u e l q u e s m i l l i e r s d ' d l e c t r o n s l i b r e s , nous d ~ c r i v o n s i c i un d i s p o s i tif qui p e r m e t de d ~ t e r m i n e r l e flux lumineux pour l e q u e l quelques ~lectrons s e u l e m e n t sont li bdrds dans le v o l u m e focal. Le d ~ t e c t e u r e s t un c o m p t e u r p r o p o r t i o n n e l constitud p ar deux s p h e r e s de laiton (diam~tre 50 mm) dont l ' u n e e s t p o r t d e fi un potentiel c o n tinu (stabilit~ 5 x 10 -4) r d g l a b l e e n t r e 0 et 40 kV. L ' a u t r e es t r e l i ~ e ~ la m a s s e p a r l ' i n t e r m ~ d i a i r e d'une i m p e d a n c e ~quivalente ~ 1 M ~ en p a r a l l ~ l e a v e c 28 p F . La d i s t a n c e des c e n t r e s e s t fixde 75 m m . L e f a i s c e a u l a s e r e s t p e r p e n d i c u l a i r e fi la ligne des c e n t r e s et son f o y e r e s t s u r c e t t e ligne, ~ 3 m m de la cathode. Le c o m p t e u r , a in s i que les l e n t i l l e s de f o c a l i s a t i o n et d~focalisation ( f = 75 mm) sont e n f e r m ~ e s clans une enceinte de v e r r e ~tanche r e m p l i e de CO 2 sous 150 T o r t . Une photodiode r a p i d e (CSF DA 24 75) plac4e, s u r l e t r a j e t du f a i s c e a u t r a n s m i s p e r m e t de v ~ r i f i e r si le c l a q u a g e l a s e r s e p r o d u i t ou non.
La haute t en si o n est fix~e ~ 13 920 V, soit 450 V en d e s s o u s du c l a q u a g e continu; et nous avons v d r i f i ~ que le d ~ t ect eu r fonctionnait a l o r s en c o m p t e u r p r o p o r t i o n n e l . P o u r c e l a , la cathode est ~ c l a i r ~ e p ar le r a y o n n e m e n t att~nud d 'u n e l a m p e u.v. ~ v a p e u r de m e r c u r e . On obtient a l o r s , aux b o r n e s de Z des i m p u l s i o n s i s o l ~ e s c a r a c t d r i s t i q u e s de la composante ionique, a v e c un t e m p s de c o l l e c t i o n des ions v o i s i n de 80 ~ s et d ' a m p l i t u d e a l ~ a t o i r e (ce qui, c o m p t e tenu de la n a t u r e a l d a t o i r e du phdnom~ne de m u l t i p l i c a tion, est n o r m a l pour une a v a l a n c h e p r o v o q u d e p ar un d l e c t r o n unique [4]) dont l ' o r d r e de g r a n deur est q u e l q u e s m i l l i v o l t s . Nous avons calcul~ la d u r d e de l ' i m p u l s i o n et le co ef f i ci en t de m u l t i p l i c a t i o n en nous b a s a n t sur l e s v a l e u r s exp~r i m e n t a l e s de la v i t e s s e des ions et du p r e m i e r c o e f f i c i e n t de Townsend qui sont publides clans la l i t t ~ r a t u r e [4, p ag es 72 et 76]. En tenant c o m p t e de la g d o m d t r i e de n o t r e c o m p t e u r et de la v a l e u r dlev~e de la co n st an t e de t e m p s , on t r o u v e , r e s p e c t i v e m e n t 78 ~ s et 3 × 105 (soit une a m p l i t u d e moyenne de 2 mV), v a l e u r s en bon a c c o r d a v e c 1' e x p e r i e n c e . L'6 t u d e de la composante dlectronique de l ' a v a l a n c h e a v e c une c o n s t a n t e de t e m p s faible c o n f i r m e le boa f o n c t i o n n e m e n t du c o m p t e u r . 579
Volume 26A, number 11
PHYSICS LETTERS
Notons que, pour le t r a j e t c o m m e n ~ a n t au foyer du l a s e r , le calcul donne une multiplication v o i s i n e de 5 × 104. Nous avons ~galement v6rifi6 qu'aucun signal ne peut etre ddtectd en l ' a b s e n c e de haute tension, ou bien, si le f a i s c e a u l a s e r est i n t e r c e p t ~ avant d ' e n t r e r dans l ' e n c e i n t e . La f o r m e des 61ectrodes et la position du foyer, par r a p p o r t fi la cathode, p e r m e t t e n t d ' 6 c a r t e r l'hypoth6se de l ' e x t r a c t i o n d ' ~ l e c t r o n s de la cathode par le f a i s c e a u l a s e r . Le dispositif e x p 6 r i m e n t a l a i n s i 6talonn~ et controld, nous avons ~tudid les i m p u l s i o n s f o u r n i e s au p a s s a g e du f a i s c e a u l a s e r (~ = 1.06 #, i m p u l s i o n s de 30 ns, dnergie r~glable de 0 1.5 J ~ l ' a i d e de f i l t r e s 6talonn6s). Aucun signal n ' a pu ~tre d6tectd pour des ~ c l a i r e m e n t s infdr i e u r s ~ 4 × 108 W / c m 2. Au voisinage de cette v a l e u r , l ' a p p a r i t i o n et l ' a m p l i t u d e des signaux sont a l ~ a t o i r e s en r a i s o n des v a r i a t i o n s i n c o n t r o l a b l e s de la p u i s s a n c e l a s e r et de la n a t u r e stochastique du p r o c e s s u s de multiplication. Mais ces signaux, l o r s q u ' i l s existent, ont m~me f o r m e , et une amplitude v o i s i n e de celle des i m p u l s i o n s d 6 c r i t e s c i - d e s s u s . Nous en d~duisons q u ' i l s c o r r e s p o n d e n t d la l i b 6 r a t i o n de quelques ~lectrons (1 ~ 10).
22 A p r i l 1968
L o r s q u e l ' d c l a i r e m e n t du foyer augmente, l ' a m p l i t u d e des i m p u l s i o n s cro]t. En r6duisant s i m u l t a n ~ m e n t la haute t e n s i o n du compteur, on peut m a i n t e n i r cette a m p l i t u d e dans des l i m i t e s a c c e p t a b l e s et a t t e i n d r e a i n s i le seuil de claquage l a s e r qui se situe v e r s 3 × 1011 W / c m 2 (Notons que ce seuil est peu different de ce qu'il s e r a i t de champ ~lectrique continu). Les t h e o r i e s de l'effet multiphotonique sont d~j~i bien en peine d ' e x p l i q u e r le claquage des gaz s o u m i s ~i des r a y o n n e m e n t s de l ' o r d r e de 1011 W / c m 2. Meme en invoquant des i m p u r e t ~ s de faible potentiel d ' i o n i s a t i o n , il l e u r est encore plus difficile de j u s t i f i e r la l i b e r a t i o n d ' ~ l e c t r o n s par des flux 800 fois plus faibles. I1 s e m b l e n ~ c e s s a i r e de f a i r e appel pour cela ~ des effets faiblement non-lin~aires.
References 1. C.S. Naimanet al., Phys. Rev. 146 (1966) 133. 2. M. Young et M. Hercher, J. Appl. Phys. 3 (1967) 4393. 3. V. Chalmeton et R. Papoular, Comptes Rend. 264B (1967} 213. 4. M. Raether, Electron avalanches and breakdo~,a in gases (Butterworth. London, 1964).
ERRATUM Etude p a r diffraction de n e u t r o n s ~i 0.31°K de la s t r u c t u r e magn~tique du g r e n a t de n~odyme et de g a l l i um, J. H a m m a n n , P h y s i c s L e t t e r s 26A (1968) p. 263. The table on page 264 left column should be Position des ions
I o,¼ I ,
~5 , 0 , ~ 1
,x,o,o~-x,o,o~-x,o,o
Ia3d'
x,o,o
Ia'3d
X, O, O---~-X, O, O---)--X,O, 0--~ X, O, 0
Moments t
This m e a n s for example that in group Ia3d', operation T t r a n s f o r m s ion (~, 0, ¼) into (~, 0, ~) and its m o m e n t (X, 0, 0) into (X, O, 0); w h e r e a s in group Ia'3d, the c o r r e s p o n d i n g t r a n s f o r m a t i o n ~ ' t r a n s f o r m s this m o m e n t into (-X, 0, 0), etc.
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#Ansi pour E = 4 MeV on t r o u v e ~ = 44 A. P o u r /9 = 1 MeV, ~ = 22 A. La m e s u r e de ~ pour des b o u c l e s de d i s l o c a tion dans ce mdtal, et d e s p a r t i c u l e s a d ' d n e r g i e v a r i a n t de 4.8 ~ 2 MeV, ~ l ' a i d e d ' u n e technique d d c r i t e a i l l e u r s [4-7] donne A = 10 A. I1 y a 1~ un a c c o r d r a i s o n n a b l e a v e c la d d t e r m i n a t i o n thdor i q u e c o m p t e tenu de c e que d e s b o u c l e s c o u r b e n t moins le canaux que des d i s l o c a t i o n s r e c t i l i g n e s .
22 April 1968
References 1. J. Lindhard, Mat. Phys. Medd. 24 0965) 1. 2. F.R.N. Nabarro, Adv. Phys. 1 (1952) 269. 3. J. Friedel, Les dislocations (Gauthier-VillarsParis. 1956). 4. Y. Qu~r0, J. Phys., ~ para~tre. 5. Y. Qu~r~, J.C. Resneau et J. Mory, Comptes Rend. 262 (1966} 1528. 6. Y. Qu0r0, J. Phys. 29 (1968) 215. 7. Y.Qu~r0 et H.Couve, J. Appl. Phys., h para~tre.
D E T E C T I O N D ' E L E C T R O N S L I B R E S DANS UN GAZ E C L A I R E PAR UN LASER EN DESSOUS DU S E U I L DE CLAQUAGE
V. CHALMETON et R. P A P O U L A R Groupe de Recherches de l'Association EURA TOM-CEA sur la Fusion Fontenay-aux Roses, (Hauts-de-Seine ), France Re~u le 19 fevrier 1968
By means of a proportional counter with a high multiplication factor, we detected free electrons liberated in a gas by a laser beam, down to power levels 800 times lower than the threshold for optical breakdown.
L ' ~ t u d e du c o m p o r t e m e n t des g a z sous l ' e f f e t d'un l a s e r a m o n t r d que des flux l u m i n e u x infdr i e u r s ~ c e u x c o r r e s p o n d a n t au s e u i l de claquage ~taient s u s c e p t i b l e s de l i b d r e r d e s d l e c t r o n s darts c e s gaz [1-3]. Mais a l o r s que dans c e s e x p d r i e n c e s on ne pouvait d d t e c t e r m o i n s de q u e l q u e s m i l l i e r s d ' d l e c t r o n s l i b r e s , nous d ~ c r i v o n s i c i un d i s p o s i tif qui p e r m e t de d ~ t e r m i n e r l e flux lumineux pour l e q u e l quelques ~lectrons s e u l e m e n t sont li bdrds dans le v o l u m e focal. Le d ~ t e c t e u r e s t un c o m p t e u r p r o p o r t i o n n e l constitud p ar deux s p h e r e s de laiton (diam~tre 50 mm) dont l ' u n e e s t p o r t d e fi un potentiel c o n tinu (stabilit~ 5 x 10 -4) r d g l a b l e e n t r e 0 et 40 kV. L ' a u t r e es t r e l i ~ e ~ la m a s s e p a r l ' i n t e r m ~ d i a i r e d'une i m p e d a n c e ~quivalente ~ 1 M ~ en p a r a l l ~ l e a v e c 28 p F . La d i s t a n c e des c e n t r e s e s t fixde 75 m m . L e f a i s c e a u l a s e r e s t p e r p e n d i c u l a i r e fi la ligne des c e n t r e s et son f o y e r e s t s u r c e t t e ligne, ~ 3 m m de la cathode. Le c o m p t e u r , a in s i que les l e n t i l l e s de f o c a l i s a t i o n et d~focalisation ( f = 75 mm) sont e n f e r m ~ e s clans une enceinte de v e r r e ~tanche r e m p l i e de CO 2 sous 150 T o r t . Une photodiode r a p i d e (CSF DA 24 75) plac4e, s u r l e t r a j e t du f a i s c e a u t r a n s m i s p e r m e t de v ~ r i f i e r si le c l a q u a g e l a s e r s e p r o d u i t ou non.
La haute t en si o n est fix~e ~ 13 920 V, soit 450 V en d e s s o u s du c l a q u a g e continu; et nous avons v d r i f i ~ que le d ~ t ect eu r fonctionnait a l o r s en c o m p t e u r p r o p o r t i o n n e l . P o u r c e l a , la cathode est ~ c l a i r ~ e p ar le r a y o n n e m e n t att~nud d 'u n e l a m p e u.v. ~ v a p e u r de m e r c u r e . On obtient a l o r s , aux b o r n e s de Z des i m p u l s i o n s i s o l ~ e s c a r a c t d r i s t i q u e s de la composante ionique, a v e c un t e m p s de c o l l e c t i o n des ions v o i s i n de 80 ~ s et d ' a m p l i t u d e a l ~ a t o i r e (ce qui, c o m p t e tenu de la n a t u r e a l d a t o i r e du phdnom~ne de m u l t i p l i c a tion, est n o r m a l pour une a v a l a n c h e p r o v o q u d e p ar un d l e c t r o n unique [4]) dont l ' o r d r e de g r a n deur est q u e l q u e s m i l l i v o l t s . Nous avons calcul~ la d u r d e de l ' i m p u l s i o n et le co ef f i ci en t de m u l t i p l i c a t i o n en nous b a s a n t sur l e s v a l e u r s exp~r i m e n t a l e s de la v i t e s s e des ions et du p r e m i e r c o e f f i c i e n t de Townsend qui sont publides clans la l i t t ~ r a t u r e [4, p ag es 72 et 76]. En tenant c o m p t e de la g d o m d t r i e de n o t r e c o m p t e u r et de la v a l e u r dlev~e de la co n st an t e de t e m p s , on t r o u v e , r e s p e c t i v e m e n t 78 ~ s et 3 × 105 (soit une a m p l i t u d e moyenne de 2 mV), v a l e u r s en bon a c c o r d a v e c 1' e x p e r i e n c e . L'6 t u d e de la composante dlectronique de l ' a v a l a n c h e a v e c une c o n s t a n t e de t e m p s faible c o n f i r m e le boa f o n c t i o n n e m e n t du c o m p t e u r . 579
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Notons que, pour le t r a j e t c o m m e n ~ a n t au foyer du l a s e r , le calcul donne une multiplication v o i s i n e de 5 × 104. Nous avons ~galement v6rifi6 qu'aucun signal ne peut etre ddtectd en l ' a b s e n c e de haute tension, ou bien, si le f a i s c e a u l a s e r est i n t e r c e p t ~ avant d ' e n t r e r dans l ' e n c e i n t e . La f o r m e des 61ectrodes et la position du foyer, par r a p p o r t fi la cathode, p e r m e t t e n t d ' 6 c a r t e r l'hypoth6se de l ' e x t r a c t i o n d ' ~ l e c t r o n s de la cathode par le f a i s c e a u l a s e r . Le dispositif e x p 6 r i m e n t a l a i n s i 6talonn~ et controld, nous avons ~tudid les i m p u l s i o n s f o u r n i e s au p a s s a g e du f a i s c e a u l a s e r (~ = 1.06 #, i m p u l s i o n s de 30 ns, dnergie r~glable de 0 1.5 J ~ l ' a i d e de f i l t r e s 6talonn6s). Aucun signal n ' a pu ~tre d6tectd pour des ~ c l a i r e m e n t s infdr i e u r s ~ 4 × 108 W / c m 2. Au voisinage de cette v a l e u r , l ' a p p a r i t i o n et l ' a m p l i t u d e des signaux sont a l ~ a t o i r e s en r a i s o n des v a r i a t i o n s i n c o n t r o l a b l e s de la p u i s s a n c e l a s e r et de la n a t u r e stochastique du p r o c e s s u s de multiplication. Mais ces signaux, l o r s q u ' i l s existent, ont m~me f o r m e , et une amplitude v o i s i n e de celle des i m p u l s i o n s d 6 c r i t e s c i - d e s s u s . Nous en d~duisons q u ' i l s c o r r e s p o n d e n t d la l i b 6 r a t i o n de quelques ~lectrons (1 ~ 10).
22 A p r i l 1968
L o r s q u e l ' d c l a i r e m e n t du foyer augmente, l ' a m p l i t u d e des i m p u l s i o n s cro]t. En r6duisant s i m u l t a n ~ m e n t la haute t e n s i o n du compteur, on peut m a i n t e n i r cette a m p l i t u d e dans des l i m i t e s a c c e p t a b l e s et a t t e i n d r e a i n s i le seuil de claquage l a s e r qui se situe v e r s 3 × 1011 W / c m 2 (Notons que ce seuil est peu different de ce qu'il s e r a i t de champ ~lectrique continu). Les t h e o r i e s de l'effet multiphotonique sont d~j~i bien en peine d ' e x p l i q u e r le claquage des gaz s o u m i s ~i des r a y o n n e m e n t s de l ' o r d r e de 1011 W / c m 2. Meme en invoquant des i m p u r e t ~ s de faible potentiel d ' i o n i s a t i o n , il l e u r est encore plus difficile de j u s t i f i e r la l i b e r a t i o n d ' ~ l e c t r o n s par des flux 800 fois plus faibles. I1 s e m b l e n ~ c e s s a i r e de f a i r e appel pour cela ~ des effets faiblement non-lin~aires.
References 1. C.S. Naimanet al., Phys. Rev. 146 (1966) 133. 2. M. Young et M. Hercher, J. Appl. Phys. 3 (1967) 4393. 3. V. Chalmeton et R. Papoular, Comptes Rend. 264B (1967} 213. 4. M. Raether, Electron avalanches and breakdo~,a in gases (Butterworth. London, 1964).
ERRATUM Etude p a r diffraction de n e u t r o n s ~i 0.31°K de la s t r u c t u r e magn~tique du g r e n a t de n~odyme et de g a l l i um, J. H a m m a n n , P h y s i c s L e t t e r s 26A (1968) p. 263. The table on page 264 left column should be Position des ions
I o,¼ I ,
~5 , 0 , ~ 1
,x,o,o~-x,o,o~-x,o,o
Ia3d'
x,o,o
Ia'3d
X, O, O---~-X, O, O---)--X,O, 0--~ X, O, 0
Moments t
This m e a n s for example that in group Ia3d', operation T t r a n s f o r m s ion (~, 0, ¼) into (~, 0, ~) and its m o m e n t (X, 0, 0) into (X, O, 0); w h e r e a s in group Ia'3d, the c o r r e s p o n d i n g t r a n s f o r m a t i o n ~ ' t r a n s f o r m s this m o m e n t into (-X, 0, 0), etc.
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