Les tubes à vide

Lorsqu'on applique une tension électrique suffisamment élevée entre deux points dans l'air, une étincelle jaillit entre ces deux points et un courant électrique circule. Ce phénomène est connu depuis des temps immémoriaux et chacun d'entre nous l'a déjà observé naturellement avec la foudre ou simplement l'électricité statique. Mais ce n'est qu'à partir de la seconde moitié du 17ème siècle que les scientifiques vont être capables de reproduire et d'étudier ce phénomène de manière systématique. Ignorant tout des mécanismes microscopiques sous jacents et de leur dépendance avec la pression de l'air, ils vont néanmoins s'intéresser au développement des décharges électriques dans l'air raréfié, et ce très peu de temps après la réalisation des premiers vides artificiels par Torricelli et von Guericke. On doit sans doute à l'abbé Picard la toute première observation de décharges électriques dans un gaz raréfié, et ce de manière fortuite. Transportant son baromètre une nuit de 1676, il voit une légère lumière apparaitre dans la partie supérieure du tube lors des secousses du trajet. D'autres physiciens vont se mettre à étudier cette mystérieuse lumière, et construire ce qui peut être considéré comme l'ancêtre du tube à vide: l'oeuf électrique. Cet instrument est composé d'une enceinte en verre épais munie de deux électrodes, et dont on peut contrôler la pression interne au moyen d'une machine pneumatique. Même avec un vide modeste de quelques pourcents de la pression atmosphérique, l'oeuf électrique permet de voir que l'étincelle observée à l'air libre disparait à basse pression, pour laisser la place à de larges et belles volutes lumineuses.

Les débuts de ces investigations sont néanmoins difficiles compte tenu des moyens techniques de l'époque. Pourtant, dès les années 1700, le talentueux et trop méconnu Francis Hauksbee met au point une machine pneumatique à deux pistons particulièrement ingénieuse, qui lui permet de créer des vides de seulement quelques mbars dans de grands volumes. Il frotte alors divers matériaux entre eux dans cette enceinte, et observe une importante production de lumière. La compréhension des phénomènes n'avance guère malgré tout et, preuve de l'incroyable talent d'Hauksbee, personne ne fera réellement mieux que lui pendant 150 ans.

Puis, dans les années 1850, plusieurs innovations majeures voient le jour et relancent l'étude des décharges dans les gaz raréfiés. Tout d'abord la bobine d'induction, ou bobine de Ruhmkorff, connait des améliorations très significatives qui surclassent définitivement les machines électrostatiques, notamment avec des fréquences de plusieurs dizaines de Hz. Les techniques de vide font également un bond en avant, avec la mise au point de pompes à mercure. En 1857, Geissler invente une pompe à déplacement de mercure avec laquelle il atteindra bientôt 0,1 mbar. Il constate qu'à ces pressions, les décharges deviennent très brillantes. Souffleur de verre de formation, il remplit des tubes de différents gaz à des pressions de l'ordre du mbar, et produit de somptueux effets lumineux. Ces tubes trouvent un intérêt scientifique de premier plan avec les débuts de l'analyse spectroscopique mise au point par Kirchhoff et Bunsen en 1859, et permettent d'obtenir le spectre de nombreux éléments chimiques. Un intérêt industriel également, ces tubes étant les ancêtres des tubes à Néon utilisés pour l'éclairage. Un intérêt ludique enfin, leurs magnifiques couleurs les rendant très populaires, au point que des bobines de Ruhmkorff miniatures voient bientôt le jour pour les alimenter et les commercialiser sous forme de jouet. Dès les premières années, Ruhmkorff lui-même s'en fait livrer plusieurs dizaines. La technique, d'abord maitrisée uniquement par Geissler, se répand petit à petit dans toute l'Europe. En France, c'est Adrien Alvergniat qui construit les premiers modèles vers 1862.

Par la suite, les progrès et les découvertes s'enchaînent. En 1867, Sprengel développe une astucieuse pompe à mercure dans laquelle des goutteletes de mercure évacuent l'air d'une enceinte, jusqu'à des pressions de 0,01 mbar. En 1869, Hittorf constate qu'un objet placé entre la cathode et l'extrémité opposée du tube projette une ombre nette sur la zone de fluorescence du verre: un rayonnement part donc de la cathode et se propage en ligne droite. Vers 1875, Goldstein arrive aux mêmes conclusions, et propose le nom de "rayons cathodiques". L'année suivante, Gimingham, l'assistant de Crookes, améliore la pompe de Sprengel et atteint 0,001 mbar, soit un millionième de la pression atmosphérique. Crookes constate alors que le gaz n'émet plus de lumière, l'intérieur des tubes devenant sombre. Il fait réaliser par Gimingham un ensemble de tubes à vide de démonstration, dont les célèbres tubes à croix de Malte et à roue à aube. Par la suite, la plupart des tubes à vide poussé prendront ainsi le nom de tubes de Crookes. En 1895, Roentgen découvre qu'un écran fluorescent placé devant un tube de Crookes émet de la lumière, prouvant ainsi qu'un rayonnement s'échappe du tube: les fameux rayons X, identifiés plus tard à des photons de haute énergie. Entre 1896 et 1897 un ensemble d'expériences sont menées, notamment par Thomson, Wiechert, Kaufmann, Zeeman, Perrin ou encore Lenard, sur les rayons cathodiques qui sont finalement associées à des particules subatomiques qui seront appelés "électrons". Cette découverte est le point culminant et l'aboutissement de près de deux siècles de recherches, mais sera elle-même le point de départ de la physique atomique et subatomique au début du 20ème siècle. Les rayons X seront de leur côté à la base du développement de la radiologie, une technique d'imagerie médicale devenue très familière.

Aujourd'hui les mécanismes microscopiques des décharges électriques nous sont connus: lorsque le champ électrique dépasse une certaine valeur dans l'air ambient, il accélère des électrons présents par ionisation naturelle jusqu'à une énergie suffisamment élevée pour qu'ils puissent à leur tour ioniser des molécules, et générer toujours plus d'électrons conduisant à une réaction de multiplication des charges par avalanche et à la formation d'un plasma de charges conducteur entre les deux points. Lorsque la pression diminue et avec elle la densité de molécules, la distance parcourue par les électrons entre deux collisions s'allonge, ce qui augmente l'énergie que leur transfère le champ électrique. Si la densité de molécules n'est plus suffisante pour générer un plasma conducteur, les électrons vont malgré tout continuer d'exciter les molécules du gaz, qui vont se dés-exciter en émettant des photons de longueur d'onde (et donc de couleur) caractéristique de ces éléments. C'est le principe des tubes de Geissler, dans lesquels ces électrons sont arrachés au niveau de la cathode par l'arrivée de molécules de gaz ionisées. En diminuant encore la pression, la densité de molécules devient si faible que le libre parcours moyen des électrons devient plus grand que la longueur du tube. Les électrons arrachés à la cathode traversent alors le tube en ligne droite, et ceux passant à côté de l'anode vont aller heurter les parois en verre et exciter les atomes qui émettent ainsi une lumière verte en se désexcitant (fluorescence du verre). Le freinage brutal de ces électrons dans le verre, ainsi que les excitations aux niveaux d'énergie les plus élevés vont alors émettre des rayons X vers l'extérieur (par rayonnement de Bremstrahlung et fluoresence X respectivement).

Un oeuf électrique de taille impressionnante dans le cabinet de physique de la Seyne-sur-Mer.

Les vignettes ci-dessous présentent de nombreux tubes à vide témoins de cette passionnante histoire, ainsi que des écrans de radiologie.



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