Modélisation des phénomènes physiques intervenant lors

Modélisation des phénomènes physiques intervenant lors de l'émission électronique
sous haute tension sous vide
Benjamin SEZNEC
Début de la thèse : Octobre 2014
Pôle : ECo2
Thème : Décharges et arcs électriques
Encadrement : -Tiberiu MINEA (LPGP)
École doctorale : EDOM
-Philippe DESSANTE
Université de rattachement : Université Paris Sud
-Philippe TESTE
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Contexte de la thèse
Protéger : Isolation haute tension sous vide
Dans des instruments comportant de la haute tension, le vide est
utilisé comme isolant électrique. Cependant des décharges
surviennent causées par des processus d’émission d’électrons.
Contrôler : Emission électronique pulsées
Emettre des paquets d’électrons de haute densité peut être
intéressant pour des applications telles que l’alimentation des
accélérateurs utilisés pour les sources de rayons gamma ou X utilisées
pour la radiothérapie.
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Un exemple d’applications intéressantes:
générateur haute puissance d’ondes hyperfréquences
solénoide
extraction accélération
cathode
anode
Contre Entrée HF
électrode
Interaction
onde
faisceau
Cavité
Sortie HF
résonnante
Puissance augmentée en envoyant des paquets d’électrons
Régime de tension pulsée
Objectif : Description de l’extraction des électrons de la cathode
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Emission d’électrons
•Haute tension entre les électrodes
•Renforcement du champ (β) au niveau des
rugosités, par effet de pointe
•Augmentation du courant électronique
•Chauffage de la micropointe (effet Joule)
Emballement thermo-émissif, Vaporisation de la micropointe,
ionisation de la vapeur métallique, plasma, passage à l’arc
▶ Etude de l’émission électronique en effectuant un bilan thermique de sorte à
éviter l’emballement thermo-émissif
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Intérêt d’utiliser des pulses de tension
Hypothèse: On définit la tension de claquage comme étant la tension pour laquelle on atteint la
température de fusion du métal.
Pulses
Régime continu
Tension
appliquée
durée très inférieure (ns) au temps
caractéristique de diffusion thermique
dans la pointe
VDC
VDC
1 2 3
Température
Tfusion
T<<Tfusion
Claquage
Pas de
Claquage
t, ns
Pour atteindre la température de fusion en régime de tension pulsée, on peut augmenter la
tension appliquée.
Courant émis plus important
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Géométrie de la rugosité
Géométrie de la rugosité : elliptique ou hyperbolique (2D-axisymétrique)
z
H=10 µm
β=50
Titane
r
Rb=0.97 µm
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Modèle physique : calcul du champ électrique
V  0


E  V
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Modèle physique : Calcul de la densité de courant émis
1
E.L. Murphy, and R.H. Good Jr, Phys. Rev., 102, p.1464 (1956)
Je=f(E,T,φ)1
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Modèle physique: densité de courant dans la pointe
 
. j e  0

 
je  (   0 r ) E
t


E  V
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Modèle physique: équation de la chaleur

J e2
T 
 (T )c(T )
 .( (T )T ) 
t
c
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Couplage de phénomènes physiques
Electrostatique
Thermique
Emission électronique
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Electrocinétique
Evolution de la densité de courant en bout de pointe au cours d’un pulse de
3ns
z
H=10 µm
β=50
Ti
r
Rb=0.97 µm
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Evolution de la température en bout de pointe au cours d’un pulse de 3ns
1
EFANOVV.M et al .in Ultra-Wideband, Short Pulse Electromagnetics Vol.9(Springer, New York), 2010,pp301-305
z
H=10 µm
β=50
Ti
r
Rb=0.97 µm
Temps de relaxation de la température de l’ordre de 100ns
Possibilité de répétition des pulses avec des générateurs haute tension pulsés
performants1 (pulse de 3ns pour des tensions de 30 kV à une cadence de 5kHz)
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Résultats obtenus
Forme
métal
Titane
Tungstène
Titane
Tungstène
I3ns/IDC
1.57
1.08
2.2
1.48
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Conclusions et perspectives
Conclusions
 Effet des pulses sur la tension et la densité de courant :
Intensité peut être multipliée par un facteur 2.2
 Possibilité de répéter les pulses à des cadences élevées
Perspectives
 Prise en compte de la charge d’espace
 Surface aléatoires (3D)
 Emission photoélectrique (picoseconde) stimulée par effet de champ( physique hors
équilibre)
 Comparaison avec des résultats expérimentaux
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Merci de votre attention
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