MOLÉCULAIRES JETS & FAISCEAUX

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Caractéristiques

Un faisceau moléculaire se caractérise essentiellement par sa composition en atomes, molécules, agrégats, son intensité (ou flux de particules par stéradian et par seconde), sa densité numérique (ou nombre de particules par centimètre cube), ses répartitions de vitesses ou d'énergies cinétiques, et, enfin, ses états d'énergie interne (électronique, vibrationnelle ou rotationnelle), avec même des orientations de molécules qui sont parfois privilégiées. L'analyse de la composition des faisceaux moléculaires est nécessaire à partir de mélanges (comme les faisceaux ensemencés qui s'enrichissent fortement en espèces lourdes), mais aussi lorsque de nouvelles particules sont créées par condensation. Cette analyse fait appel à la spectrométrie de masse, également aux diagnostics par laser et même à la diffraction électronique pour connaître la structure des agrégats moléculaires.

Les mesures d'intensités, ou de densités, qui sont reliées par la vitesse du faisceau, font généralement appel à l'ionisation par bombardement électronique (jauge de Bayard-Alpert, quadripôle) ou par fil chaud de tungstène (détecteur de Langmuir pour alcalins). La fluorescence et l'ionisation induites par laser, par processus à un ou plusieurs photons, sont aussi de plus en plus employées. On utilise enfin des détecteurs très sensibles fondés sur des effets de température (jauge de Pirani, bolomètre, thermopile), de pression (membrane, quartz), d'émission électronique secondaire (pour métastables et hautes énergies), etc. Les faisceaux moléculaires supersoniques sont de 102 à 105 fois plus intenses et plus denses que les faisceaux thermiques en donnant, selon les gaz et les conditions, de 1018 à 1021 molécules par stéradian et par seconde et de 1011 à 1014 molécules par centimètre cube. Au contraire, les faisceaux produits par échange de charge en milieu gazeux ont les densités et intensités les plus faibles (de 1010 à 1014 particules par centimètre carré et par seconde, entre 10 et 104 eV). L'échange de charge sur une surface permet cependant de rejoindre les caractéristiques des faisceaux thermiques.

Les distributions de vitesses sont déterminées à l'aide des techniques bien connues de temps de vol (dispositif de Fizeau). Ainsi, on a pu montrer que les dispersions d'énergies très larges des faisceaux thermiques ont été remplacées par des répartitions quasi monocinétiques avec le développement des faisceaux supersoniques. Par exemple, il a été possible d'extraire d'une zone de silence de jet d'hélium des dispersions de vitesses ne dépassant pas 0,5 p. 100, ce qui correspond à une température Ttrans ≃ 6 × 10–3 K. Cependant, l'augmentation de la vitesse hydrodynamique U, au cours d'une détente qui produit une telle monochromatisation, ne s'accompagne d'aucun accroissement spectaculaire d'énergie cinétique. On obtient, en effet, juste un peu mieux que les énergies thermiques, soit 0,063 eV pour les gaz rares et 0,088 eV pour l'azote à température ambiante, et il faut chauffer à 3 000 K le gaz dans la tuyère pour gagner un ordre de grandeur. Aux températures de 10 000 à 20 000 K accessibles avec l'arc électrique, la décharge radiofréquence, le tube à choc (onde de choc) et plus récemment le chauffage entretenu par laser, des énergies cinétiques de 3 à 3,5 eV ont été obtenues pour l'argon et l'azote. L'utilisation de telles techniques est limitée par la dissociation des molécules et l'ionisation partielle (plasma froid) lorsque ces processus sont à éviter, mais ils peuvent avoir des applications importantes. Heureusement, la méthode des jets ensemencés permet de limiter un tel chauffage en lui combinant une accélération aérodynamique de molécules lourdes par un gaz vecteur léger (hélium, hydrogène). Dans les jets de mélanges assez denses, toutes les molécules suivent en effet le même mouvement d'ensemble et un gain d'énergie voisin du rapport des masses est alors possible pour les méthodes lourdes à faible concentration (< 1 p. 100). Ainsi, des énergies de 30 à 40 eV ont été produites pour le xénon en combinant le chauffage de la tuyère (T0 ≃ 2 000 K) à l'accélération aérodynamique dans un jet de H2. Avec un jet du type américain, le même mélange à la même température ne donne que 7 eV pour le xénon, par suite d'un glissement de vitesses entre molécules lourdes et légères, inévitable à basse densité. Enfin, d'une façon générale, il faut utiliser l' [...]

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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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. 

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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

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

Faisceaux thermiques et supersoniques
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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 23 juin 2022. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/jets-et-faisceaux-moleculaires/