MOLÉCULAIRES JETS & FAISCEAUX

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Faisceaux moléculaires thermiques (de 0,01 à 0,5 électronvolt)

La première réalisation de faisceau moléculaire a été faite en France par L. Dunoyer en 1911, à partir d'une source thermique. Son dispositif devenu classique comprend essentiellement trois chambres 1, 2, 3 maintenues sous vide et ne communiquant entre elles qu'à travers deux orifices O1 et O2. Un gaz ou une vapeur produite dans un four (par exemple de la vapeur de sodium dans l'expérience de L. Dunoyer) se trouve dans la chambre 1 à l'état de chaos moléculaire. Les molécules s'échappent à travers O1 par effusion thermique et rayonnent dans un angle solide de 2π. La répartition spatiale des flux est alors représentée par des vecteurs reliant O1 aux divers points d'une sphère tangente à l'ouverture O1. Les molécules continuent dans le vide leur parcours rectiligne soit pour rebondir sur les parois de la chambre 2, soit pour traverser la deuxième ouverture O2 et former un faisceau moléculaire bien défini en chambre 3. Ainsi, avec le sodium, Dunoyer avait obtenu sur une plaque froide P un dépôt à profil trapézoïdal déterminé par l'éclairement de la source O1 à travers O2, ce qui montrait bien pour la première fois qu'en l'absence de collisions les molécules se propagent en ligne droite. Les faisceaux moléculaires thermiques ont permis de grands progrès en physique jusque vers les années 1950. Ils sont cependant insuffisants avec leurs énergies cinétiques (proportionnelles à la température absolue du gaz en chambre 1) qui n'atteignent pas 0,05 eV à 300 K et donc 0,5 eV à 3 000 K. De plus, ces faibles énergies ont des dispersions très larges correspondant à des distributions de vitesses maxwelliennes à la température de la source. Enfin, les faibles intensités et densités réalisables dans ces faisceaux classiques ont découragé de nombreux expérimentateurs qui ont recherché de nouveaux types de faisceaux moléculaires.

Dispositif pour des faisceaux d'énergie inférieure à 0,5 eV

Dessin : Dispositif pour des faisceaux d'énergie inférieure à 0,5 eV

Dispositif expérimental permettant d'obtenir des faisceaux moléculaires thermiques d'énergie inférieure à 0,5 électron-volt. 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Dispositif pour des faisceaux d'énergie inférieure à 0,5 eV

Dessin : Dispositif pour des faisceaux d'énergie inférieure à 0,5 eV

Dispositif expérimental permettant d'obtenir des faisceaux moléculaires thermiques d'énergie inférieure à 0,5 électron-volt. 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Faisceaux thermiques et supersoniques

Dessin : Faisceaux thermiques et supersoniques

Comparaison des distributions de vitesses obtenues dans des faisceaux moléculaires thermiques et supersoniques produits avec un même gaz pris à la même température initiale. 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Jets et faisceaux moléculaires supersoniques (de 0,01 à 40 électronvolts)

Dans une analyse théorique de 1951, A. Kantrowitz et J. Grey ont suggéré de remplacer l'effusion thermique par une extraction de jet supersonique libre. Un tel jet est formé dans une enceinte sous vide reliée à un réservoir de gaz ou de vapeur à haute pression (par exemple de 1 à 200 bar) à travers une microtuyère généralement cylindrique. Son diamètre D est par exemple de 0,1 mm mais toujours beaucoup plus grand que le libre parcours moyen du gaz dans le réservoir, maintenu à pression génératrice P0 élevée. Un écoulement supersonique sous vide se produit ainsi par détente adiabatique, c'est-à-dire sans échanges avec l'extérieur et avec de multiples collisions qui transforment progressivement les énergies thermiques initialement désordonnées en énergie cinétique de translation bien dirigée suivant l'axe de la tuyère. Il s'ensuit que la vitesse hydrodynamique U, représentant ce mouvement axial d'ensemble, augmente au détriment des composantes perpendiculaires de vitesses. Cela donne une répartition spatiale de flux très allongée sur l'axe qui, beaucoup plus que la forme sphérique obtenue par effusion thermique, favorise le flux axial et donc l'intensité d'un faisceau moléculaire. En même temps, les dispersions de vitesses suivant l'axe se resserrent autour de U. Ainsi, pour un observateur mobile à la vitesse U, l'agitation thermique dans le jet devient de plus en plus faible, les molécules de plus en plus monocinétiques et leur température de translation (Ttrans) de plus en plus basse jusqu'à des valeurs Ttrans < 10–2 K obtenues pour l'hélium. La vitesse du son a variant comme ‘ il ;Ttrans, il en résulte des nombres de Mach M  = U/a >> 1, donc un écoulement qui est bien supersonique et même hypersonique avec M = de 10 à 400.

Dispositif pour des faisceaux d'énergie inférieure à 0,5 eV

Dessin : Dispositif pour des faisceaux d'énergie inférieure à 0,5 eV

Dispositif expérimental permettant d'obtenir des faisceaux moléculaires thermiques d'énergie inférieure à 0,5 électron-volt. 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Dispositif pour des jets faisceaux d'énergie comprise entre 0,01 et 40 eV

Dessin : Dispositif pour des jets faisceaux d'énergie comprise entre 0,01 et 40 eV

Dispositif expérimental permettant d'obtenir des jets et faisceaux moléculaires supersoniques d'énergie comprise entre 0,01 et 40x eV. 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Dispositif pour des jets faisceaux d'énergie comprise entre 0,01 et 40 eV

Dessin : Dispositif pour des jets faisceaux d'énergie comprise entre 0,01 et 40 eV

Dispositif expérimental permettant d'obtenir des jets et faisceaux moléculaires supersoniques d'énergie comprise entre 0,01 et 40x eV. 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Faisceaux thermiques et supersoniques

Dessin : Faisceaux thermiques et supersoniques

Comparaison des distributions de vitesses obtenues dans des faisceaux moléculaires thermiques et supersoniques produits avec un même gaz pris à la même température initiale. 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Il est à la fois surprenant et extrêmement intéressant de pouvoir conserver l'état gazeux après un tel refroidissement, mais le processus de condensation, qui exige des collisions triples relativement rares, n'a généralement pas le temps de se produire au cours d'une détente rapide (de l'ordre de 10 μs) où la fréquence de collisions simples ne cesse de diminuer pour devenir quasi nulle. Dans le cas des molécules polyatomiques, il faut tenir compte aussi des énergies internes de rotation et de vibration qui sont initialement en équilibre avec les énergies de translation. Au cours de la détente du gaz, la plus grande partie de l'énergie rotationnelle a le temps de se transformer par collisions en énergie translationnelle et, par suite, de contribuer a [...]

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Dispositif pour des faisceaux d'énergie inférieure à 0,5 eV

Dispositif pour des faisceaux d'énergie inférieure à 0,5 eV
Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Dispositif pour des jets faisceaux d'énergie comprise entre 0,01 et 40 eV

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Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Écrit par :

  • : Ingénieur, École nationale supérieure de chimie de Paris, docteur ès sciences, chef de laboratoire au Commissariat à l'énergie atomique, directeur de recherche et thèses

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Pour citer l’article

Roger CAMPARGUE, « MOLÉCULAIRES JETS & FAISCEAUX », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 20 septembre 2022. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/jets-et-faisceaux-moleculaires/