électronique (suite)

Mesure du pH

Les pH-mètres électroniques ont complètement éliminé les pH-mètres utilisant la méthode fondée sur les indicateurs colorés et la méthode électrométrique. En effet, grâce à l’amplification électronique, il est possible de réaliser des pH-mètres à lecture directe, extrêmement sensibles, dont la précision atteint le millième de degré pH.

En pratique, ces appareils doivent mesurer quelques centaines de millivolts avec un courant pratiquement nul, toujours inférieur au picoampère. Deux électrodes, le plus souvent une électrode de verre et une électrode de référence, plongent dans la solution dont on mesure le pH. Les deux électrodes sont connectées à l’entrée d’un amplificateur électronique dont l’impédance d’entrée doit être la plus élevée possible ; aussi utilise-t-on les transistors MOST ou TEC, ou un circuit intégré avec entrée TEC. Les pH-mètres électroniques comportent un dispositif de tarage et un système automatique compensant l’influence de la température de la solution. Le courant de sortie de l’amplificateur débite dans un galvanomètre gradué directement en degrés pH. Le galvanomètre est parfois remplacé par un convertisseur analogique-numérique permettant l’affichage numérique de la valeur du pH.

Mesures dans le domaine nucléaire

Dans le domaine nucléaire, les détecteurs et les équipements de mesure des rayonnements jouent un rôle essentiel. Sans l’électronique, la radio-activité serait restée une curiosité de laboratoire ne conduisant à aucune application pratique. Les capteurs utilisés sont fondés soit sur des phénomènes d’ionisation, soit sur ceux de la luminescence provoquée par l’impact des particules sur les atomes d’un gaz ou sur un agent fluorescent. Les capteurs utilisant l’ionisation sont soit des chambres à ionisation, soit des compteurs Geiger-Müller, qui en réalité utilisent le même principe, ou encore des compteurs à scintillations.

Une chambre à ionisation contient un gaz ou une vapeur à faible pression ; dans cette chambre sont placées deux électrodes entre lesquelles est appliquée une tension de quelques centaines de volts. Lorsqu’une particule émise par la source radio-active vient frapper les atomes du gaz, il y a ionisation de quelques atomes, et un courant traverse la chambre. Si l’on fait croître progressivement la tension appliquée entre les deux électrodes, les ions positifs et négatifs sont respectivement attirés par les électrodes négative et positive. Pour une certaine valeur de la tension appliquée, il y a capture, par les électrodes, de tous les ions produits : la chambre est alors dite « saturée ». Le courant d’ionisation correspondant à la tension de saturation est proportionnel à l’intensité du rayonnement auquel est soumis le gaz. La mesure du courant d’ionisation est faite par mesure de la tension aux bornes d’une résistance de valeur élevée, pouvant atteindre 10¹² ohms. La tension aux bornes de la résistance élevée est appliquée à l’entrée d’un amplificateur comportant soit un tube électromètre, soit des transistors à effet de champ. La chambre d’ionisation, travaillant avec une tension supérieure à la tension de saturation, est dite « compteur proportionnel ». Elle fournit à sa sortie des impulsions qui correspondent à ce que l’on appelle des coups. Le nombre de coups par unité de temps permet de connaître l’activité de la source radio-active.

Le compteur de Geiger-Müller (GM) comporte une enveloppe cylindrique en verre ou en métal à l’intérieur de laquelle est tendu un fil fin d’un diamètre de l’ordre de 0,1 mm. L’électrode négative est constituée soit par l’enveloppe métallique, soit, si le tube est en verre, par une plaque interne ou un dépôt de graphite. Le gaz de l’enceinte est un mélange à faible pression de gaz rares (argon, néon, hélium). Il est nécessaire de faire appel à un système d’extinction pour que l’ionisation ne dure qu’un court instant, chaque fois que des particules viennent frapper les atomes de gaz. Cette extinction peut être réalisée soit par un montage électronique, soit en ajoutant au gaz contenu dans le tube un gaz organique ou halogène. Dans ce cas, le compteur est dit « autocoupeur ». Comme dans le cas d’une chambre d’ionisation, on recueille aux bornes de la résistance placée dans le circuit de brèves impulsions produites par la conduction temporaire du tube, et la fréquence de ces impulsions est proportionnelle à l’activité de la source. Le compteur Geiger-Müller fournit des impulsions d’amplitude constante et par suite indépendante de la nature et de l’énergie des particules, ce qui, dans certains cas, peut être un inconvénient. En revanche, il a l’avantage d’être d’un fonctionnement sûr et de ne faire appel qu’à des circuits électroniques simples.

Les compteurs à scintillations comportent essentiellement un écran transparent sur lequel a été déposée une couche d’une matière fluorescente. Derrière l’écran est disposé un photomultiplicateur. L’impact d’une particule provoque une luminescence quasi ponctuelle de très faible durée, de l’ordre de 10^–6 s. La matière fluorescente utilisée varie avec le type de particules à détecter : pour les rayons X, on utilise du sulfure de zinc activé par des traces d’argent ou de cuivre ; pour les rayons β, des substances aromatiques à plusieurs noyaux (naphtalène, anthracène, stilbène) ; pour les rayons γ, des halogènes alcalins comme l’iodure de sodium activé au thallium. Le photomultiplicateur transforme la luminescence produite sur l’écran en un faible courant qui, après amplification, actionne un appareil indicateur analogique ou numérique. Le taux de comptage par unité de temps est très supérieur à celui du compteur Geiger-Müller, et l’impulsion fournie à la sortie est proportionnelle à l’énergie de la particule.

Spectrographe de masse

Imaginé en 1913 par sir Joseph John Thomson (1856-1940) et perfectionné en 1920 par Francis William Aston (1877-1945), le spectrographe de masse permet de séparer les divers isotopes d’un élément. D’un intérêt considérable dans l’analyse quantitative rapide des mélanges gazeux complexes, il permet également l’analyse d’échantillons solides ou liquides. Son principe est le suivant. Un faisceau électronique ionise les atomes du gaz à analyser. Les ions viennent frapper un écran. Sur le trajet du flux ionique est appliqué un champ magnétique d’intensité réglable. Les ions sont déviés en traversant ce champ, la déviation étant d’autant plus grande que la masse des ions est plus faible. En faisant varier l’intensité du champ magnétique, on collecte successivement les ions de masses différentes. Après amplification, les intensités ioniques sont enregistrées. La courbe obtenue présente une succession de pics étroits à flancs raides. Chaque pic est caractéristique de la présence dans le mélange d’un corps de masse atomique déterminée. La hauteur du pic est proportionnelle au courant ionique, donc à la teneur de l’élément considéré. Le spectrogramme de masse permet l’analyse de très petites quantités de matière, de l’ordre du milligramme pour les gaz et du microgramme pour les solides. La précision des mesures est excellente, de l’ordre de 0,5 p. 100.