Brevet FR2003222A1 — publié le 19691107

La présente invention concerne un électromètre,avec deux corps chargés électriquement en cours de fonctionnement, dont l'un, au moins, est monté déplaçable contre une force de rappel de sorte que, lorsque l'appareil est en marche, il s'écarte de sa position de repos dtune valeur proportionnelle à sa charge électrique et à l'intensité du champ électrique entre les deux corps. Des électromètres de ce type, pour la mesure de charges électriques et/ou d'intensités de champs électriques, sont suffisautent connus dans les milieux scientifiques et techniques. On se heurte toutefois à des difficultés lors de la mesure de charges ou d'intensités très faibles, car en raison de l'inertie de masse ou des forces de frottement, la sensibilité de ces électromètres est limitée,comme c'est le cas, par exemple, lorsque le corps mobile est une plaque de condensateur ou autre élément similaire reliés à une aiguille. L'invention a donc pour objet un électromètre soustrait, dans une large mesure, aux limitations précitées,et qui est extrêmement sensible. Â cet effet, elle prévoit,dans un électromètre du type précité,un système magnétique pour créer un champ magnétique hétérogène autour du premier corps mobile qui est fait d'une matière dont la perméabilité est moindre que celle du milieu qui l'entoure, de manière à être porté par le champ magnétique, lorsque l'appareil est en marche, des dispositifs pour charger les deux corps,et des instruments optiques d'observations pour mesurer la distance entre les deux corps. Dans une première forme d'exécution, le second corps a la forme d'une pointe métallique,dont la position est fixe relativement aux moyens magnétiques,et à laquelle on peut appliquer la tension d'une source variable de tension continue. Dans une seconde forme d'exécution préférée, le second corps est,comme le premier, un corps qui flotte librement dans le champ magnétique hétérogène, à proximité du premier corps. Dans la première forme d'exécution, pour la charge du corps flottant, on applique tout d'abord à la pointe métallique un faible potentiel électrique, grâce auquel le corps flottant sphérique est attiré et entre en contact avec la pointe. Le corps sphérique se charge alors et est repoussé. Dans la seconde forme d'exécution, pour charger les deux corps flottants,on utilise Pour ces deux corps une matière dont l'effet photoélectrique ou effet de Compton est choisi tel que les électrons quittant ladite matière donnent, à l'irradiation, une charge plus faible ou plus forte que les électrons qui se dirigent vers les corps. Pour produire la force de rappel qui assure le retour à la position de repos du ou des corps flottants,lorsqu'ils s'en sont écartés, les deux corps peuvent etre disposés de telle façon qu'au moins une composante de la pesanteur sert de force de rappel. Toutefois, il est préférable de donner au champ magnétique hétérogèhe, qui maintient les corps en suspension, une forme telle que la force de rappel est fournie,au moins en partie,par des forces magnétiques qui se produisent lorsque le corps quitte sa position au point minimum original. Au lieu des forces magnétiques, on peut utiliser aussi,comme forces de rappel,des forces électrostatiques ou électromagnétiques. L'électromètre de l'invention réunit donc la condition propice au fonctionnement de n'importe quel appareil de mesure, à savoir, un frottement nul lors du déplacement de l'organe indicateur de l'appareil, et l'avantage d'une force agissant à distance comme force de rappel. Cette combinaison est réalisée par le fait que la partie mobile indicatrice de l'appareil, l'index, en quelque sorte, est en même temps le corpuscule dévié par les forces et les charges à mesurer, qui flotte pour ainsi dire, dans le champ magnétique et se trouve dans une enceinte sous vide ou remplie d'un gaz ou d'un liquide. Le ou les corps flottants qui servent d'index sont faits d'une matière diamagnétique,par exemple, du graphite ou du bismuth ou d'une manière générale, d'une matière dont la perméabilité est plus faible que celle de la matière qui remplit l'enceinte où ils se trouvent.Si les corps flottants se trouvent dans le vide, on a l'avantage supplémentaire que l'isolation, pour les corps flottants, est très grande. La grandeur mesurée, c'està-dire la grandeur de l'action de la force qui doit être indiquée par l'appareil, peut être une grandeur électrostatique, par exemple,comme déjà mentionné, la répulsion de deux corps flottants chargés,ou l'action d'une force sur un corps chargé, flottant dans un champ électrique. Il va de soi qu'il peut s'agir aussi du couple de rotation d'un corps flottant dans un champ magnétique. Les corps flottants librement sont, de préférence, de petites billes, disposées dans un récipient où l'on a fait le vide. Le choix de la matière du récipient est fonction de la matière dont sont faite les flottants,car il faut observer la règle selon laquelle le rayonnement amène aux corps ou en retire des charges supérieures à celles qu'ils cèdent au milieu qui les entourent ou qu'ils reçoivent de ce milieu. C'est ainsi que lorsqu'on utilise un récipient de verre,par exemple, il est possible d'employer des corps flottants faits de bismuth ou de carbone, les corps devant, dans le dernier cas, être revêtus d'une mince couche d'or. Lorsqu'on utilise des corpuscules de graphite non revêtues, il est par contre, avantageux que le récipient soit en or, ou tout au moins de revêtir d'or la face interne du récipient. Pour le fonctionnement d'un électromètre suivant l'inven tion, il est nécessaire que les corps flottants soient chargés électriquement, ce qui peut être effectué avantageusement, corme déjà mentionné, par exposition aux rayons X ou aux rayons gamma. Inversement, un électromètre de ce type peut être utilisé pour la mesure de l'intensité de rayonnement d'une source de rayons I ou de rayons gamma, car le déplacement des corps flottants,lors de l'irradiation par une source de rayons, constitue une mesure de l'intensité du rayonnement de cette source. Pour étalonner cet appareil de mesure des radiations, on peut spécialement lorsque le second corps est une pointe métallique fixe à laquelle on applique une tension variable, amener au corpuscule flottant des charges dXterminées,par contact avec la pointe. Les distances dont le corpuscule ainsi chargé s'écarte de la pointe métallique fournissent les repères d'étalonnage pour la mesure des radiations, lorsqu'on connait en outre , la grandeur de charge que produit sur le corpuscule flottant une quantité de rayonnement donnée. De toute façon, l'invention sera bien comprise, à l'aide de la description qui suit, en référence au dessin schématique annexé représentant, à titre d'exemples non limitatifs,deux formes d'exécution de cet électromètre. Fig.1 est une vue schématique d'une forme d'exécution de l'électroiêtre de l'invention, avec deux corps flottant dans le champ magnétique Fig.2 est une vue de dessus du dispositif de fig.1 Fig.3 est une vue en coupe longitudinale d'un électromètre avec un seul corps flottant et une électrode fixe,sans les appareils pour produire le champ magnétique, ni les instruments d'observation optiques. Comme le montrent les figures 1 et 2,le système magnétique comporte trois pôles 1, 2 et 3, groupés en étoile et dont l'extrémité tournée vers le centre du système est en forme de coin. Le p8le inférieur 2, tourné vers le centre de la configura tion,peut avoir n importe quelle polarité,tandis que les deux autres pales 1 et 2 ont chacun la polarité contraire, de sorte qu'il se produit entre ces pôles un champ magnétique hétérogène, qui diminue en allant vers le haut.i)ans la forme d'exécution décrite en référence aux fig.1 et 2,les deux pôles supérieurs 1 et 2 sont des pôles nord, tandis que le pôle 5 est un p81e sud. Cette disposition n'est pas limitative,car une disposition inverse des piles fonctionnerait tout aussi bien. Entre ces pôles magnétiques groupés en forme d'étoile est placé un récipient de verre 4,dans lequel on a fait le vide,et qui contient deux petites billes 5 et 6,faites,pour l'essentiel, d'une matière diamagnétique. En raison du champ magnétique hétérogène produit par la disposition des pôles magnétiques, champ qui s'affaiblit en allant vers le haut,on peut , par une valeur appropriée de l'intensité des pôles magnétiques, maintenir les deux billes 2 et 6 suspendues à l'intérieur du récipient de verre 4. En principe,les billes peuvent être faites de n'importe quelle matière diamagnétique,dans la mesure où l'on tient compte de ce que le vide a été fait dans l'enceinte où elles se trouvent,c'est-à-dire qu'elles flottent dans le vide. Etant donné que ces billes ne peuvent être chargées électriquement qu'en les exposant à une source de radiations 2,cette source 2 étant,par exemple, une source de rayons Z ou de rayons gamma, il faut choisir pour les corps flottants d'autres matières diamagnétiques,suivant le choix du milieu qui entoure lesdits corps,c'est-à-dire aussi suivant la matière de l'enveloppe du récipient, sous vide 4.Dans le cas présent,les corps flottants sont en bismuth,mais ils peuvent aussi être en graphite,un cylindre d'or venant alors être intercalé entre les corps flottantset l'enveloppe du récipient de verre. Ce cylindre doit présenter en outre, en un point de sa surface, un évidement permettant une observation visuelle des corps flottants,et en particulier, de leur distance,à l'aide d'un dispositif optique 8. Lorsque des rayons X ou des rayons gamma viennent frapper les billes diamagnétiques de bismuth 5 et ,celles-ci se chargent de plus en plus positivement et se repoussent, jusqu'à ce que la force de rappel magnétique et la force de répulsion électrostatique soient égales.Pour produire la force de rappel magnétique nécessaire,le pôle magnétique 3 peut avoir, au lieu d'une arrête rectiligne, une arête concave,de sorte qu'il se produit une position préférentielle à l'endroit où se forme le champ. La distance entre les deux billes de bismuth reste constante indéfiniment, car les porteurs de charge se trouvent isolés parfaitement par le vide. Outre 11 action de la force de répulsion des deux petites billes de bismuth,il existe naturellement des forces d'attraction en direction des parois du récipient de verre,qui sont pratiquement au potentiel de la terre.Mais le champ magnétique qui porte les billes de bismuth augmente d'intensité latéralement,en direction de la paroi du récipient,de sorte que les billes de bismuth,dans la "cuvette" de l'intensité de champ,se déplacent dans la direction de l'axe du récipient,suivant uniquement les forces qui les font se repousser l'une l'autre. Si,au lieu du bismuth,la matière dont sont faites les billes 5 et 6 est du graphite,il faut disposer un petit cylindre d'or entre les billes et le récipient de verre.Dans ce cas aussi, la distance qui sépare les deux billes de graphite chargées négativement par irradiation augmente avec l'intensité du rayonnement. Le déplacement relatif des deux billes de graphite est mesuré à partir d'une distance initiale do ,et il est assez difficile d'obtenir un do très petit,car l'attraction magnétique des deux corps diamagnétiques magnétisés l'un sur l'autre doit être compensée,ce qui peut être effectué par exemple, en donnant au cham2Eagnétique une allure appropriée. Cette allure appropriée du champ magnétique peut s'obtenir en remplaçant le pale 3 ayant une forme concave simple, par un pale magnétique dont la forme est telle qu'il se produit deux minima voisins,entre lesquels il y a toujours un corpuscule de graphite à l'étant de repos. La figure 3 est une vue schématique partielle d'une disposition dans laquelle,au lieu de deux corps flottants,on n'en utilise qu'un seul, indiqué par 2,tandis que le second corps, qui représente la seconde électrode du système électrostatique, est constitué par une pièce fixe 10,qui se termine en pointe en direction du corps flottant i. Cette électrode 10, à laquelle on peut appliquer le potentiel d'une source variable de tension continue 11, et le corps flottant 2 qui, dans cette forme d'exécution, est fait de graphite,sont entourés d'un cylindre d'or 12.Ce cylindre d'or ne couvre pas entièrement 36001mais présente une ouverture en forme de bande allongée,qui permet l'observation de la pointe et de la bille de graphite 2. L'ensemble est contenu dans un récipient de verre 4,dans lequel on a fait le vide,auquel est raccordé le pôle qui produit le champ magnétique. Dans cette forme d'exécution, comme d'ailleurs dans la forme d'exécution précédente,il n'est pas nécessaire que les piles magnétiques arrivent jusqu'à la surface du récipient de verre 4. La bille de graphite,dont le diamètre est,par exemple, de 0,05 mm est chargée négativement par exposition au rayonnement d'une source de rayons X ou de rayons gamma (non visible).La charge éventuelle de la pointe 10 par irradiation ne joue,dans ce cas, aucun roAle,car son potentiel est déjà donné nettement par la source variable de tension continue 11.Pour ne rien oublier, il convient encore de mentionner une autre forme possible d'exécution,dans laquelle la pointe 10 n'est pas reliée à une source de tension qui lui est propre, et dont le potentiel résulte de la charge due à la source de radiations,de sorte que les conditions ressemblent davantage à celles de la première forme d'exécution, avec la seule différence que la pointe 10 ne peut être déplacée. L'utilisation d'une source de tension séparée 11,reliée à la pointe 10,présente l'avantage que,par suite de la présence de ce champ électrique étranger,la répulsion ou l'attraction de la bille de graphite chargée par irradiation sont beaucoup plus grandes que ce ne serait le cas, si seul le champ créé par la charge agissait entre cette bille de graphite 2 et la pointe 10. Par suite du lien précis qui existe entre les charges des corpuscules flottants et les doses d'irradiation qui les produisent les électromètres selon l'invention ne conviennent pas seulement à la mesure de charges et de champs électriques,mais aussi, indirectement, à la mesure de cette irradiation. En raison de l'absence de tout frottement dans le mode de suspension des éléments indicateurs de l'appareil,la sensibilité de celui-ci est extrêmement grande, ce qui permet de mesurer des doses de radiations très faibles. VENDICATIOES 1.- Electromètre,avec deux corps chargés électriquement en cours de fonctionnement, dont l'un, au moins, est monté dépla çable contre une force derappel,de sorte que, lorsque l'appa rei) est en marche, il s'écarte de sa position de repos d'une valeur proportionnelle à sa charge électrique et à l'intensité du champ électrique entre les deux corps, caractérisé par un système magnétique pour créer un champ magnétique hétérogène autour du premier corps mobile,fait d'une matière dont la perméabilité est moindre que celle du milieu qui l'entoure, de manière à être porté par le champ magnétique lorsque l'appareil est en marche,par des dispositifs pour charger les deux corps et par des instruments optiques d'observation pour mesurer la distance entre les deux coprs. 2.- Electromètre suivant la revendication 1,caractérisé en ce que le premier corps flotte dans un milieu gazeux ou liquide. 3.- Electromètre suivant la revendication 1,caractérisé en ce que le milieu précité est remplacé par le vide et en ce que le premier corps flottant est fait d'une matière diamagnétique. 4.- Electromètre suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3,caractérisé en ce que le second corps comporte une pointe métallique,et en ce qu'il est fixe relativement au système magnétique. 5.- Electromètre suivant la revendication 4,caractérisé en ce que le second corps muni d'une pointe est relié à une source variable de tension continue. 6.- Electromètre suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3,caractérisé en ce que le second corps est flottant,comxe le premier corps, et en ce qu'il est maintenu par le champ hétérogène du système magnétique à proximité du premier corps. 7.- Electromètre suivant l'une quelconque des revendications 1 à 6,caractérisé en ce que le dispositif pour le chargement est une source de radiations,qui irradie au moins les corps flottants,et en ce que ces corps sont faits d'une matière ayant un effet photo électrique ou un effet Compton tel que le nombre d'électrons cédés par eux à l'environnement diffère du nombre d'électrons qu'ils reçoivent de l'environnement. 8.- Electromètre suivant l'une quelconque des revendications 1 à 7,caractérisé en ce que les deux co ,s sont disposés de telle façon qu'au moins une composante de la pesanteur sert de force de rappel. 90- Electromètre suivant l'une quelconque des revendications 1 à 8,caractérisé en ce que le système magnétique est conçu et disposé de telle façon que le champ hétérogène qu'il crée produit une force magnétique qui s'oppose à ce que les corps s'écartent de leur position de repos. 10.- Electromètre suivant la revendication 9,caractérisé en ce que le système magnétique comporte trois pôles groupés en étoile, dont l'extrémité tournée vers l'intérieur du système est en forme de coin, pôles dont l'un a une polarité différente de celle des deux autres, l'arête intérieure du pôle seul de son nom étant orientée obliquement aux arêtes des deux autres pôles de même nom. 11.- Electromètre suivant la revendication 10,caEsagtérisé en ce que l'arête intérieure du pôle seul de son nom/incurvée. 12.- Electromètre suivant les revendications 10 ou 11, caractérisé en ce que le pôle seul de son nom est disposé audessous des corps flottants. 13 > - Electromètre suivant l'une quelconque des revendications 1 à 12,caractérisé en ce que les corps flottants sont de petites billes. 14.- Electromètre suivant l'une quelconque des revendications 1 à 13,caractérisé en ce qua les corps flottants sont disposés dans un récipient où l'o 7 fait le vide. 15.- Electromètre suivant la revendication 14,caractérisé en ce que le récipient est en verre et les corps flottants en bismuth. 16.- Electromètre suivant la revendication 14,caractérisé en ce que les corps flottants sont en graphite et en ce qu'un cylindre d'or fendu dans le sens de sa génératrice est interposé entre le récipient de verre et les corps flottants.