Emission électronique sous bombardement électronique à basse

Emission électronique
sous bombardement électronique
à basse énergie
Thomas Tondu ([email protected]), Mohamed Belhaj, Julien Roupie
ONERA – Département Environnement Spatial - Toulouse
Plan de la présentation
•
Contextes
•
•
•
•
Le phénomène d'émission électronique sous impact électronique
Les principales caractéristiques
Quelques applications des basses énergies
La mesure de l'émission électronique
•
•
•
•
Principes
Difficultés liées à la basse énergie
Difficultés liées aux diélectriques
Moyen de mesure ONERA
• Méthode par sonde de Kelvin
• Quelques mesures
•
Impact des conditions d'irradiation
•
•
•
2
Effets de fluence
Effet de courant
Effet du "vieillissement"
L'émission électronique sous impact d'électron
!∀#∃%&∋(
&)%&∋∗+,,−.)
!∀#∃%&∋(
+(∃+∗#(%
!∀#∃%&∋(
.#∃∋(∗/+&#
0+..−1∗#1∀/1∃+2∀#3
•
Interactions de l'électron primaire
dans la cible
•
Interactions ionisantes
• Electron plasmon
• Electron – electron
• De conduction
• De valence
• De cœur
!∀#∃%&∋#()∀
()∀(∗&∀#∃
•
Interactions non ionisantes
• Electron noyau (élastique)
• Electron phonons
!∀#∃%&∋#()∀∗
∀)∀+()∀(∗&∀#∃∗
•
Emission d'électrons
•
Rétrodiffusés
• Elastique
• Diffus (en moyenne 2/3 de l'énergie
primaire)
•
3
Secondaires : issus de la cible
Caractéristique 1 : Rendement d'émission
•
Définitions:
•
•
Nombre d'électrons émis par électron incident
Distinction des électrons émis
• Rendement de rétrodiffusion
• Rendement d'électrons secondaires
• Rendement total
Dépendance typique en énergie
•
Points caractéristiques
• Rendement total maximum
• Rendement total =1
2
Rendement [electrons/electron]
•
Rentement total
2
Electrons secondaires
Electrons rétrodiffusés
1
0
0
500
1000
Energie primaire [eV]
4
1500
Caractéristique 1 : Rendement d'émission
•
Influence de l'incidence
•
•
Rendement accru à incidence plus rasante
Pas d'effet à basse énergie
10A_/Sr
2.5
Mesures DEESSE
1000eV
1A_/Sr
2
10eV
70
Rendement total
100eV
60
40
30
20
1.5
°
°
°
°
°
1
0.1A_/Sr
et 45
0.01A_/Sr
0
°
°
0.5
0
0
500
1000
1500
2000
2500
Energie (eV)
Electrons sur argent
5
Sections efficaces d'interaction
élastique sur argent
Caractéristique 2: Energie des électrons émis
Description : cas général
Pic rétrodiffusés
élastiques
dN /dE
•
Pic électrons
secondaires
Pic rétrodiffusés
diffus
E0
Energie électrons émis
Quelques eV
8E-12
8E-12
élastiques
7E-12
7E-12
secondaires
E i= 30 eV
6E-12
Ei= 10 eV
Cas de la basse énergie
•
recouvrement des pics de
secondaires et rétrodiffusés
signal U.A
5E-12
•
signal U.A
6E-12
4E-12
3E-12
5E-12
4E-12
élastiques
3E-12
2E-12
2E-12
1E-12
1E-12
0
0
0
10
20
30
40
50
-1E-12
0
10
20
30
40
50
-1E-12
Energie (eV)
Energie (eV)
9E-12
7E-12
8E-12
secondaires
6E-12
E i= 20 eV
6E-12
4E-12
signal U.A
signal U.A
Ei= 40 eV
secondaires
7E-12
5E-12
élastiques
3E-12
2E-12
5E-12
élastiques
4E-12
3E-12
2E-12
1E-12
1E-12
0
0
0
6
10
20
30
40
50
-1E-12
0
10
20
30
-1E-12
Energie (eV)
Energie (eV)
40
50
Caractéristique 3: Direction d'émission
Cu
7
7
Quelques applications
•
Effet multipactor dans les guides d'ondes
•
Phénomène:
•
•
•
•
Guide d'onde
Electrons accélérés par le champ électrique de l'onde
Mutiplication électronique aux parois
Absorption de l'onde par les électrons
Données nécessaires
•
•
•
Rendement total (0 à 300eV)
Cibles métalliques
Energie des électrons
Avalanche électronique
•
Charge des satellites
•
•
Environnement spatial chargeant : ceintures de radiations +
photons
Charge du satellite
•
•
•
Décharges electrostatiques
•
•
•
Données nécessaires
•
•
•
Verre
Vide
Silicium
VSat(-3000V)
Rendement total (qq keV)
Cibles isolantes
Canal de décharge
céramique
Propulsion électrique à effet Hall
•
Confinement d'électrons dans champs ExB
•
•
•
•
Ionisation de gaz par bombardement électronique
Accélération des ions (non magnétisés) par E
Anode
Bombardement électronique des parois
•
Influe sur les caractéristiques du plasma
Données nécessaires
•
•
8
Dégradations de performances
Perturbations électromagnétiques
Emission
électronique
VCG(-1000V)
Potentiel d'équilibre dépend du rendement d'émission
électronique
Rendement dépend du matériau => différence de potentiel
Rendement total (0- 50eV)
Cibles isolantes
Gaz
E
B
Plasma
Plan de la présentation
•
Contextes
•
•
•
•
Le phénomène d'émission électronique sous impact électronique
Les principales caractéristiques
Quelques applications des basses énergies
La mesure de l'émission électronique
•
•
•
•
Principes
Difficultés liées à la basse énergie
Difficultés liées aux diélectriques
Moyen de mesure ONERA
• Méthode par sonde de Kelvin
• Quelques mesures
•
Impact des conditions d'irradiation
•
•
•
9
Effets de fluence
Effet de courant
Effet du "vieillissement"
Principe de la mesure d'émission électronique
I e Qe
1= =
I1 Q1
Q1 1 Qc
2=
Q1
Canon à
électrons
faisceau
primaire
I1, Q1
Qe
1=
Qe + Qc
Cible
456175
10
Electrons émis
Ie, Qe
Collecteur
Polarisé positivement
Mesure
électrons
A émis
Difficultés liées à la basse énergie
•
Aspect technologique
•
•
Canon travaillant à basse énergie
Polarisation négative de la cible
Simulation
E0=5eV et Vcollecteur=+18V
• Problèmes de collection
•
Il faut que les électrons atteignent la cible
•
•
Champ E (dû au collecteur)
Champ B terrestre
Faiseau électron
Electrons secondaires
Potentiel
Bx
11
0
Difficultés liées aux isolants
Potentiel de surface induit sous irradiation
Potentiel d'équilibre :
-E0/q
______
Rendement [electrons/electron]
•
Rentement total
++++++
2
Potentiel d'équilibre :
(Ec2-E0)/q
Electrons secondaires
Electrons rétrodiffusés
1
Potentiel d'équilibre :
+ qqV
______
0
0
500
Ec1
•
Ec2
1500
Potentiel initial
•
•
12
1000
Energie primaire [eV]
Jusqu'à quelques centaines de V positif ou négatif (triboélectricité)
Charge hétérogène
Moyen de mesure: DEESSE
Canons à électrons (1 eV à 5 keV)
electron gun
FC
av
ail
ab
le
A
RF
fla
ng
ef
or
UV
lam
p
electron gun
FC
KP
FC
electron collector
sample holder
DEESSE
Pompe cryogénique
P=2 10-7 Torr
Dispositif d’étude de l’Emission Electronique Secondaire Sous Electron
13
Méthode de mesure par sonde de Kelvin
0. Mesure de
potentiel de surface
initial
1. Décharge : 2. Irradiation:
bombardement
pulse
électronique
d'électrons
5/(∋(
!∀#∃%&∋(
=−∀.#17Χ
3. Mesure de
potentiel final
9%/∀∋((/Φ#
∃/(∋(
2=
Q1 1 Qc
Q1
>∋(∗#1∗#1?∋%#(%+#∀
./(.1∃∋(%/∃%
0.∋(∗#1∗#1<#∀≅+(3
<1=
<1=
<1=
Qc = C 2 1VS
;.10ΑΒ;3
!∃8/(%+∀∀∋(
75
14
;5
;510ΑΒ;3
;510ΑΒ;3
1;>1
0ΑΧ;1∆1ΕΧ;3
4.∋∀/(%
9∀#∃%&∋∗#
∗#1∃∋(%&:∀#
Γ#.−&#1+(
.+%−
;510ΑΒ;3
Quelques résultats de mesure basse énergie
1.4
1.5
Graphite
1.2
EEY
0.8
0.6
39 eV
20 eV
1
45 eV
ΗΙ
0.4
0.2
0
0.5
0
5
10
15
20
Energie d'impact [eV]
Mesures sur conducteurs
Mesure de courants
15
BN
Al2 O3
1
BNSiO 2
Aluminium (oxydé)
TEEY
Rendement total [electrons / electron]
Or laminé
25
30
0
20
40
60
Energy (eV)
Mesures sur isolants
Mesure de potentiel de surface
Plan de la présentation
•
Contextes
•
•
•
•
Le phénomène d'émission électronique sous impact électronique
Les principales caractéristiques
Quelques applications des basses énergies
La mesure de l'émission électronique
•
•
•
•
Principes
Difficultés liées à la basse énergie
Difficultés liées aux diélectriques
Moyen de mesure ONERA
• Méthode par sonde de Kelvin
• Quelques mesures
•
Impact des conditions d'irradiation
•
•
•
16
Effets de fluence
Effet de courant
Effet du "vieillissement"
Effet de fluence
0V
<1=
>∋(∗#1∗#1?∋%#(%+#∀
./(.1∃∋(%/∃%
0.∋(∗#1∗#1<#∀≅+(3
Potentiels (V)
Potentiel de surface
!∃8/(%+∀∀∋(
4.∋∀/(%
Potentiel de contrôle
9∀#∃%&∋∗#
∗#1∃∋(%&:∀#
;5
6
1 pulse
5
• Injection de trous: piégeage des électrons
• Génération d'un champ électrique
TEEY
4
3.6
8 pulses
3
3.4
3.2
TEEY
2
SiO2
1
3
2.8
2.6
1175 eV
2.4
85eV
0
0
500
1000
Energy (eV)
1500
2.2
2
0
17
5
10
1 V culumé [V]
15
Effet de courant incident
Verre (borosilicate)
Diamant
polycristallin
(LIMHP)
!∀#∃%&∋(.
.#∃∋(∗/+&#.
!∀#∃%&∋(
?&+ϑ/+&#
Κ&∋−.
>−2.%&/%
18
Courant élevé
Mobilité faible
Densité de
trous élevée
en surface
Rendement
limité
Effets de vieillissement
Al2O3
Vieillissement par
electrons 200eV
Al2O3
Guérison (partielle) à l'air
19
Modification de la cible sous irradiation:
- Création de défauts
- Désorption d'oxygène
- Décontamination
- Fixation de contaminants
- Migration d'impuretés
Conclusion
Il n'y a pas unicité de la courbe de
rendement d'émission électronique
-Influence de la densité de courant
-Sur mauvais isolants
-Influence de la quantité de charges injectées
-Sur les bons isolants
-Effet de vieillissement des matériaux
-Sur métaux et diélectriques
20