Sources d`électrons

Février 2014-Bénodet
Plan de l’exposé
•
•
•
•
Rappels
canon à électrons
Processus émissions
conclusions
Masse très faible !
La plus « légère » des particules (avec e+)
Travail de sortie W
Comment fait-on
Un faisceau d’électrons ?
De quoi est constitué un canon à électrons ?
Zone vide d’air (P 10-6 à 10-10 mbar ) + cathode + champ électrique E (keV au MeV)
- Cathode : émetteur électrons
vide
eNous verrons :
Trois principes physiques
d’émission des électrons
(matériau solide)
pompage
Comment fait-on un canon à électrons ?
Ligne de champ E = cte
- Cathode : émetteur électrons
-- Créer
Créer un
un champ
champ électrique
électrique EE
vide
e-
Le champ E accélère les électrons
(augmente leur vitesse)
E
o le plus simple : anode
plaques // chargées
o plus complexe : cavité RF
canon RF : cavité résonante EM
(mode TM 010)
F
cathode
anode
F = -e E
E [V/m] = V / d
Comment fait-on un canon à électrons ?
- Cathode : émetteur électrons
- Créer un champ électrique E
(anode)
vide
e-
- Faire un trou !
E
cathode
anode
F = -e E
Canon RF
cathode
Comment fait-on un canon à électrons ?
- Cathode : émetteur électrons
- Créer un champ électrique E
- Faire un trou !
vide
e-
o déformation lignes de champ
défocalisation du faisceau
o focalisation nécessaire
E
- focaliser
Focaliser
cathode
o électrostatique (Einzel)
( énergie ~keV)
o magnétique (solénoïde, quadrupôle)
( énergie ~ MeV)
anode
F = -e E
Comment fait-on
Un faisceau d’électrons ?
Caractérisation :
• Courant (moyen) : Nbre e-/s
• Taille et divergence = émittance
• Brillance = courant/émittance
Problème : les électrons se repoussent ! : divergence du faisceau
Cathode
Modification géométrie plaques //
en géométrie plus complexe :
Modifie ligne de champ E
anode
 Géométrie de Pierce (1954)
faisceau
JR Pierce
Exemple Faisceau électrons
Tube de Crookes (1870)
Exemple canon
1 cm
W (tungstène)
LaB6
Exemple canon
focalisation
Image : T Shintake
Qualités du faisceau
recherchées
> 100 mA
> 1013 A/(m.rad)²
> 1 mois
< 1 ns
Recherche
- Injecteurs grands accélérateurs
- Soudure cavité supraconductrice
- Source RX
- MEB (Microscope Electronique)
- …
Industrie
- Soudure
- Évaporation métaux
- Production RX : contrôle non destructifs
- Stérilisation matériel médical
- Traitement de surface matériaux
- Polymérisation (protection câbles)
- Écrans TV, oscillo (disparaissent)
- …
Sources
THERMOIONIQUES
1000
Densité courant (A/cm²)
W/Re+Sc203
?
scandate
(W+Sc203):BaO:
100
type M,S
dispenser
(W poreux+Ba,
W+Th)
10
1
dispenser alliage
(W+Ir)+Ba
cathode oxide
Tungstène (W)
0,1
1900
1920
1940
1960
1980
2000
années
Densité de courant maximale atteinte en fonction des années
2020
Durée de vie d’une cathode de type M
Matrice de [W poreux]+5BaO:3CaO:2Al2O3
102
106
7 ans
105
101
104
100
1 an
103
Densité de courant (A/cm²)
Temps de vie (h)
25 ans
10-1
900
950
1000
1050
1100
Température (°C)
1150
Durée de vie = temps ou bout duquel on observe une baisse de 10% du courant
Durée de vie
La limitation de la durée de vie est due à
 La haute température : stress thermique pour la matrice et pour
la couche d’activation (évaporation)
 La pollution de surface : l’activation se transforme en contamination
à cause du vide résiduel
 bombardement éventuel de la surface de la cathode
La durée de vie d’un appareil utilisant une source thermoionique d’électrons
est généralement la durée de vide de la cathode
Le nombre d’électrons est infini (très grand) : le tarissement n’est pas du au
nombre fini d’électrons mais aux conditions d’extraction qui changent
Une cathode n’est pas un réservoir infini, mais fini d’électrons qui se vide
Plus ou moins rapidement suivant l’intensité et la fréquence d’utilisation
La source se tarie !
Applications
PV reception 30 nov 1993 - TH2040E
klystrons
~ 1.8 m
Vf
Vf/Vf
If
Pf
Pf/Pf
Vk cr
Ik cr
Va
Ia
Z
µP
fr
Pct
Ict
Ps moy
tp V
tp F
Fo
Pecr
Pscr
Pscr
G
Rdt
Ifoc1
Ifoc2
Ifoc3
Ifoc
Ipi
Klystron = amplificateur
V
%
A
W
%
kV
A
kV
mA
Ohm
tension chauffage
n° 24132
1
39
courant chauffage
Puissance chauffage
tension faisceau
courant faisceau
tension anode
courant anode
impédance faisceau
micropervéance
Hz
fréquence répétition
kW
puissance moyenne corps
mA courant corps
kW
puissance moyenne RF sortie
µS
largeur Vk à 75%
µS
largeur RF à -3dB
MHz fréquence RF
W
puissance crête RF entrée
MW puissance crête RF sortie
dB
bande passante
dB
%
A
A
A
A
µA
gain
rendement
courant foc1
courant foc2
courant foc3
courant foc unique
courant pompe ionique
Cathode type M
Durée vie klystron = durée vie cathode
Garantie constructeur ~ 5000 h
15,5
604,5
232
238
975
2,13
150
1
11,3
3,7
3
2998,5
130
25,1
52,9
45,5%
17,5
<1
Applications
Canon électrons écran TV
1 cm
R
V
B
Cathode I ~ mA
T ~ 1000 K
Cathode à oxydes
Applications
Canon pour LINAC
Canon CLIO
24 mm
Filament tungstène
Cathode dispenser – canon Pierce
I = 120 mA t=2.6 µs F=1Hz E=40 keV
I = 1 A t= 1 ns F=500 MHz E=90 keV
Applications
Canon pour fusion métaux
200 kW - 20 kV
canons électrons
4x140 kW - 20 kV
1.7 MW
Métal broyé
canon
cathode
Cathode LaB6 ou métal
Pression élevée
Lingots métaux
focalisation
déviation
creuset
Métal en fusion
Applications
Soudure par faisceau d’électron (electron beam welding)
faisceau
P ~ 1MW/cm²
Epaisseur soudée : 0,02 à 100 mm
Utilisé :
- Aéronautique
- Centrale nucléaire
- Médical
- Industrie auto
- Composants pour le vide
- …
Avantages :
• grandes épaisseurs
• Retrait minimal
• Grande précision
• Grande vitesse de soudure
Métaux
• réfractaires
• Faiblement allié
• À grande conductibilité thermique (Cu, Al)
Applications
Evaporation par faisceau d’électron (EBPVD Electron beam physical vapor deposition)
P ~ 10 à 100 kW
E ~ 30 kV courant ~ 1 A
Vevap ~ 1 nm/min à 1µm/min
Utilisé dans
- Electronique
- aéronautique
- Traitement surface miroir
- Couche protection chimique
* Métaux, alliages
TiC, TiBr, ZrBr
* Co-évaporations
D. Wolfe et J. Singh, Surface and Coatings Technology, vol. 124, 2000, 142–153 p
LES SOURCES
PHOTOELECTRIQUES
Effet photoélectrique
Travail de sortie W
Influence du travail de sortie
= 300 nm
e = 4.13 eV
Densité de courant J1 (A/cm²)
J1 = A a1 T² I (1-R) F(x1) [e/ hw]
x = (hn – W)/kT
1000
W
100
W=4 eV
W=3 eV
W=2 eV
W=1 eV
10
1
10
100
1000
Eclairement (MW/cm²)
 Intérêt d’utiliser un matériau à faible travail de sortie
x
F(x)
²
Fabrication
Enceinte fabrication
microbalance
Te
Source Cs
Cs
Te
ELYSE - LCP
évaporation
Na2KSb
K2Te
Na2KSb
K3Sb Cs2Te II CsI+Ge
Données du CERN/CTF (G. Suberlucq)
PLZT
Y (I)
WK
Inox
Cu I Au
1E-9
Al
1E-7
10-7
1E-8
1E-6
1E-4
QE
1E-5
1E-3
1E-2
1E-1
1E+0
Mg
Au
Cu
Sm
Cu (ICE)
Mg
St steel
193 nm
Y
Sm
WK (ICE)
213 nm
CsI
Y
Y (ICE)
266 nm
308 nm
Cs2Te I Cs3Sb
CsI
CsI+Ge
Cs3Sb
Cs2Te
355 nm
K2Te
Cs2Te (reg.)
K3Sb
532 nm
Photocathodes tested in the Photoemission Lab.
Semiconducteur
Métal
Rendement quantique
Cu II Al
100
10-1
10-2
10-3
10-4
10-5
10-6
10-8
Durée de vie
La limitation de la durée de vie est due à
La pollution de surface : l’activation se transforme en contamination
à cause du vide résiduel
 bombardement éventuel de la surface de la cathode
La durée de vie d’une photocathode dépend de son utilisation :
Le nombre d’électrons est infini (très grand) : le tarissement n’est pas du au
nombre fini d’électrons mais aux conditions d’extraction favorables qui se dégradent
Une cathode n’est pas un réservoir infini, mais fini d’électrons qui se vide
Plus ou moins rapidement suivant l’intensité et la fréquence d’utilisation
La source se tarie !
Fort gradient accélérateur : 100MV/m
Canon RF : mesures
h
Q (nC)
7
6
charge (nC)
Q (nC)
5
8
7
6
5
4
3
2
1
0
4
3
Eacc = 60 MV/m
Eacc = 40 MV/m
Eacc = 20 MV/m
2
1
0
0
2
4
6
8
10
12
14
energie laser (µJ)
16
18
20
22
8
mesures Elaser = 12 µJ
fit modele saturation
7
6
5
4
3
2
1
ELYSE - mars 2008
0
0
0
10
20
20
30
40
40
50
60
60
70
80
80
surface laser (mm²)
90
100
110
120
100 120
Surface laser (mm²)
Mesure durée 1 seule impulsion
130
140
150
Exemples Photoinjecteurs
PHIL
ELYSE
LAL, bât 200, UPS
PITZ
LCP, bât 349, UPS
Photo-injecteurs :
- CLIC/CERN 3 GHz
- PHIL
3 GHz
- ELYSE
3GHz
- ThomX
3 GHz
- PITZ(XFEL) 1.3 GHz
- …
LES SOURCES
A EMISSION DE CHAMP
Effet de pointe
Effet de pointe : renforcement du champ par un facteur noté b
Resserrement des lignes de potentiel
au niveau de la pointe
1 mm
V = 100 V sur d = 1 mm
Em = 0.1 MV/m
dV = 6 V sur 0.001 mm
Eloc = 6 MV/m
Eloc / Em = b = 60
On remplace E par bE
b dépend de la géométrie
b ~ 100 à 10000
Pour renforcer l’émission de champ : fabriquer des pointes
Surface émission petite
Emission de champ
Différentes technique de fabrication nanotube carbone :
Pointe un seul tube
Nanotubes anarchiques
Nanotubes alignés
Nanotube en réseau
Emission d’un réseau :
Taille 500µm x 500 µm
Hauteur nanotube = 8 µm
Espacement = 5 µm
Courant émis ~ mA et j ~ 1A/cm²
Y. Saito et al., carbon 38, (2000) 169-182
Thèse E. Minoux (2006)
Développement écrans ultra-plats ~ 5 mm
Le choix de la source dépend de l’application envisagée
Historique subjectif
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
1832 M. Faraday : soupçonne existence porteurs charge négative
1858 J. Plucker : étude rayons cathodiques
1864 JC. Maxwell : théorie électromagnétique
1878 Crooks faire fondre le métal avec rayons cathodiques
1881 T. Edison : découverte effet thermoélectronique
1887 H. Hertz : découvre l’effet photoélectrique
1895 J. Perrin travaux sur rayons cathodiques
1897 JJ. Thompson prouve existence électrons et mesure q/m
1897 RW. Wood : découvre effet émission de champ. Premier oscilloscope !
1902 O Richardson : loi thermoémission
1904 A Wehnelt : découvre activation surface
1905 R. Millikan : mesure de la charge d’un électron
1905 A Einstein : article interprétation effet photoélectrique
1913 Child : loi de Child-Langmuir
1914 Schottky : découvre effet Schottky
1925 : première accélération 200 keV d’électrons
1928 Fowler Nordheim : loi du même nom
1937 EW. Muller : invente microscope électronique (émission de champ)
1949 Synchrotron à 320 MeV électrons
1950 Lemmens ; invente cathode L
1960 ; invention du laser
1972 électrons de 20 GeV au SLAC
1980 : premier laser picoseconde
1984 : invention canon RF, premier faisceau électrons picoseconde
1990 : premier laser femtoseconde
1993 : première démonstration accélération laser-plasma
1995 : apparition photocathode CsTe
2004 : démonstration accélération laser-plasma régime dit « de la bulle »
Références
Articles Historiques
• Richardson O W 1912 Phil. Mag. 23 594
• Wehnelt A 1904 Ann. Phys., Lpz. 14 425
• Fowler R H and Nordheim L W 1928 Proc. R. Soc. A 119 173
•
GA Boutry, Acta. Elec., 16 (1973) p 127,”Brève histoire de la photoémission”
Références sources en général
• Fundamental physics of vacuum electron sources, S, Yamamoto, Rep. Prog. Phys., 69
(2006) 181-232
• Thèse E. Minoux (2006), Ecole Polytechnique
Livres
• The physics of high brightness beam, J. Rosenzweig, L. Serafini, 2nd ICFA AAW
• Intense electron and Ion beams, SI Molokovsky, AD Sushkov (Springer)
• Electron beams & microwave vacuum electronics, SE Timsring, (Wiley) 2007