VIDE MESURE DU

Le terme mesure du vide désigne la mesure des pressions inférieures à la pression atmosphérique. Elle fait appel à des procédés et à un appareillage spécifiques, ainsi qu'à des méthodes particulières conduisant à des mesures le plus généralement indirectes, en raison de la faible intensité des forces en présence et de la petitesse des quantités de matière à mesurer.

Le seul appareil absolu utilisé en mesure du vide est le manomètre de Mac Leod, faisceau de tubes calibrés et gradués, dans lequel on introduit une certaine quantité du gaz dont on veut mesurer la pression ; ce gaz est ensuite soumis à une compression isotherme de rapport également connu ; l'application de la loi de Mariotte permet alors de connaître la pression initiale du gaz étudié. Le manomètre de Mac Leod est un appareil de grande précision qui peut être utilisé dans un large domaine de pressions (de 10 à 10^—6 hPa), et l'on s'en sert pour étalonner les autres appareils ; il présente néanmoins l'inconvénient de ne se prêter qu'à des mesures discontinues, ce qui, en dehors de ces difficultés de manipulation, ne permet pas de l'employer comme appareil de mesure courant.

La plupart des appareils utilisés en mesure du vide font appel à des procédés indirects et ne fournissent que des mesures relatives, qui dépendent en outre de la nature des gaz contenus dans une enceinte. Les plus employés sont le manomètre de Pirani et le manomètre à thermocouple, fondés sur les variations de la conductivité thermique en fonction de la pression ; ces manomètres sont utilisés pour la mesure des vides primaires. Le manomètre de Penning et le manomètre de Bayard-Alpert sont réservés aux vides secondaires ; ils mesurent des courants d'ions.

Le manomètre de Pirani comporte essentiellement une thermistance, placée dans une branche d'un pont de Wheatstone à l'équilibre et parcourue par un courant constant ; la température d'équilibre de la thermistance placée dans l'enceinte à vide sera déterminée par la quantité de chaleur cédée au milieu extérieur, donc par la quantité de matière existant dans l'enceinte. Une fonction de cette pression peut être directement lue sur le galvanomètre du pont de mesure. Le manomètre à thermocouple fait appel au même phénomène : une soudure de thermocouple est placée à proximité d'une résistance chauffante parcourue par un courant constant ; l'autre soudure est à l'extérieur de l'enceinte dans un milieu à température constante. À l'équilibre, la température de la soudure chaude sera fonction de la pression de l'enceinte, et on pourra lire le courant qui parcourt le thermocouple en intercalant un galvanomètre dans l'une de ses branches. Ces deux appareils permettent de mesurer des pressions de 100 à 10^—4 hectopascals.

Parmi les appareils de mesure de vide primaire, on peut également citer le tube de Geissler. Plutôt qu'un appareil de mesure, c'est un indicateur de pression qui comporte une pointe portée à haute tension (quelques kilovolts) placée en face d'une plaque au potentiel de la masse ; selon la distance et la différence de potentiel entre pointe et plaque, et la nature du gaz dans l'enceinte, il s'établira une décharge luminescente qui cessera pour des pressions de l'ordre de 10^—2 hectopascals. Le tube de Geissler est encore utilisé comme voyant ou comme relais de mise en œuvre pour dispositifs à seuil (vannes, pompes, autres appareils de mesure). Son emploi tend à disparaître.

Le manomètre de Penning est une amélioration du tube de Geissler. Il comporte deux cathodes froides disposées l'une en face de l'autre et encadrant une anode portée à un potentiel voisin de 2 kilovolts ; l'ensemble est placé dans l'entrefer d'un aimant permanent, de façon à allonger le parcours des électrons émis par les cathodes. Les collisions entre les électrons et les molécules de gaz résiduel créent des ions positifs et des électrons secondaires. Il circule ainsi entre anode et cathode un courant dont l'intensité est proportionnelle à la quantité de gaz présente entre les électrodes, c'est-à-dire à la pression. On mesure le courant en plaçant un galvanomètre dans le circuit interélectrodes. En dessous d'une certaine pression, la production d'électrons devient déficitaire et le manomètre se désamorce. Le manomètre de Penning permet de mesurer des vides compris entre 10^—2 et 10^—7 hectopascals. Certains artifices (introduction d'une cathode auxiliaire, tension portée à 6 kV) repoussent la limite inférieure vers 10^—10 hectopascals. L'usage en est cependant peu répandu.

Le manomètre Bayard-Alpert est une évolution au sein d'une famille de dispositifs inspirés par la lampe triode. Les électrons ionisants sont émis par un filament chaud, placé à l'extérieur d'une grille d'accélération en forme de solénoïde. Le collecteur se réduit à un fil fin (0,1 mm de diamètre). Le débit et l'énergie des électrons sont contrôlés indépendamment de la pression résiduelle, en réglant la température du filament et la tension de grille (de 180 à 200 V). L'ensemble grille-filament est polarisé (de 30 à 40 V) positivement par rapport au collecteur, de telle sorte que l'on mesure le courant ionique seul entre le collecteur et la masse du dispositif. La sensibilité et la linéarité de la réponse sont ainsi très améliorées. La tête du manomètre est étuvable selon les impératifs de l'ultravide. Sous cette forme, le manomètre permet de déceler des pressions de quelque 10^—10 hectopascals. Cette limite a pour origine le rayonnement X émis lors du captage final des électrons par la grille. Soumis à cette irradiation électromagnétique, le collecteur engendre un courant de photoélectrons qui se confond avec le courant ionique incident et le masque en-dessous de 10^—10 hectopascals.

Le fonctionnement des grands équipements de physique sous des pressions obligatoirement plus basses a suscité diverses améliorations suppléant ce défaut. La plus employée est l'adjonction d'un second collecteur, excentré, appelé modulateur, qui prélève une partie du courant ionique selon une proportion connue et indépendante de la pression. Mais, si l'on porte le modulateur au potentiel de grille, son action est neutralisée. De la différence de ces deux valeurs lues au collecteur principal, on déduit la valeur vraie du courant ionique. La limite atteinte est alors de 10^—13 hectopascals.

Le fonctionnement détaillé des manomètres à ionisation est très complexe. Même à l'arrêt, on essaie de ne pas les remettre à l'air, et leurs indications doivent toujours être interprétées avec prudence.

— Jean-Pierre LÉVIS