A – Les sources d`électrons I
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Matière et Rayonnements les techniques expérimentales d’observation et d’analyse des matériaux 1ère partie III – L’Optique électronique: aspects technologiques 1 Plan A – Les sources d’électrons B – L’optique électronique 2 A – Les sources d’électrons I – Les diverses sources électroniques II – Principe de fonctionnement des divers canons 3 Domaines d ’émission électronique selon le champ électrique appliqué à la pointe et la température de celle-ci Champ électrique (V/m) 10 10 CFE (cold field emission) 9 loi de Föwler-Nordheim TEF (thermal field emission) 10 B3/ 2 J 0 AE exp E 2 E : champ électrique (107 à 109 V/cm) 8 10 7 10 émission Schottky 6 10 Emissions électroniques (« canons ») 5 10 4 10 3 10 émission thermo-électronique 2 10 densité de courant 500 1000 1500 filament W, pointe LaB6 2500 2000 température (K) Loi de Dushman-Richardson J 0 AT2 exp kT : travail de sortie : abaissement du travail de sortie (3,8 10-4 E1/2) 4 Rappels sur le canon de type triode (émission thermo-ionique) chauffage IA R canon à résistance d ’autopolarisation résistance de polarisation cathode wehnelt VK h D V0 + V0 tension d'accélération cross-over anode IA zone émissive au niveau de la pointe ; apparition du cross-over tension du wehnelt : V0 chute de tension dans la résistance : VW RI A tension appliquée à la cathode : VK V0 VW V0 RI A la différence de potentiel entre le wehnelt et la cathode est fonction du courant électronique ( ou d ’anode) 5 wehnelts wehnelt et anode 6 Caractéristiques des canons à émission thermo-ionique 1) cathode en tungstène (filament en « épingle à cheveux ») (=4,5 eV) - température de fonctionnement : 2600 à 2700 K - faible densité d ’émission : 1A/cm2 - faible brillance : 105 A/cm2/sr - cross-over de grand diamètre : 50 à 150 µm - médiocre dispersion énergétique (thermique) >10 eV - durée de vie brève : 20 à 200 h mais : - très bonne stabilité d ’émission (microanalyse) - ne nécessite pas de vide poussé (vide secondaire) - peu chère (environ 100 €) 2) cathode en pointe LaB6 (=2,7 eV) pour améliorer la brillance du canon... - température de fonctionnement : 1900 K - bonne densité d’émission : 40 A/cm2 - bonne brillance : 106 A/cm2/sr - cross-over de faible diamètre : 10 µm - médiocre dispersion énergétique (thermique) >10 eV - longue durée de vie : >1000 h mais : - moins bonne stabilité d ’émission (microanalyse exclue) - nécessite un vide poussé (vide ionique) - chère (environ 1000 € à 2000 €) 7 Exemple de filament en pointe LaB6 Pour améliorer la brillance : utiliser l’effet de champ (ou effet tunnel) ! 8 Principe du canon à émission de champ L’électrode d’extraction fournit le champ électrique qui extrait les électrons de la pointe par effet tunnel La 2ème anode fournit la tension d’accélération des électrons. Le cross-over est virtuel et de faible diamètre (environ 3 à 10 nm) 2 à 4 kV ère 1 anode extraction ème 2 anode accélération d0 source virtuelle 9 B – Optique électronique - Petits rappels sur les lois de l’optique géométrique - Optique électronique : quelques relations fondamentales I - Action d’un champ électrique sur une particule chargée II - Action d’un champ magnétique sur une particule chargée III - La lentille électromagnétique IV - Défauts des lentilles : les aberrations V - La colonne électronique 10 Petits rappels sur les lois de l’optique géométrique La lentille convergente : trajectoire des rayons lumineux et construction de l’image (réelle) objet point focal image A -les rayons parallèles à l’axe convergent par le foyer image, -les rayons passant par l’axe de la lentille ne sont pas déviés, -les rayons passant par le foyer objet deviennent parallèles à l’axe, O B point focal objet f distance focale objet f’ image distance focale image La lentille divergente : trajectoire des rayons lumineux et construction de l’image (virtuelle) Mêmes règles mais avec des foyers virtuels ! objet image (virtuelle) point focal objet O A B point focal image f’ distance focale image f distance focale objet 11 III - La lentille électromagnétique lignes de champ lignes de champ 1 – Champ magnétique créé par une bobine torique parcourue par un courant I anneau de Cu 2 – si la bobine est fermée par un blindage ferromagnétique, le champ est entièrement canalisé. Si le blindage comporte une partie diamagnétique (anneau de Cu) le champ magnétique peut alors apparaître localement dans l’axe de la bobine (« l’entrefer »). 3 – En modifiant la forme du blindage au niveau de l’entrefer (« pièces polaires »), on favorise la concentration du champ magnétique : on a réalisé une « lentille magnétique » 12 Quelques exemples de lentilles électromagnétiques anneau de Cu partie interne démontable de la lentille anneau de Cu lentille « double condenseur » : - une seule bobine - deux pièces polaires lentille finale (« objectif ») 13 Microscope électronique conventionnel : usages des différents champs électrique et magnétique cathode Canon wehnelt Champs magnétiques anode lentilles 1 et 2 Champs électriques bobines de déplacement fin bobines de balayage stigmateur lentille 3 détecteur ET 14 Canons (émissions thermoélectronique ou de champ) Lentilles électromagnétiques bobines d’alignement, de correction, de balayage… Autres dispositifs éventuels Colonne électronique 15 V - La colonne électronique Approximation de la lentille mince cross-over 9 V p1 d1 d m1d p1 d Canon p1 114,5 4,5 d2 m1m2d condenseur 1 p* 1 d1 10 150 condenseur 2 Applications numériques p* 2 d2 p3 si d=20µm dg=15 nm Cas 2 : excitation maximale condenseur 3 dg exemple numérique Cas 1 : excitation minimale M=7,4 10-4 10 17,25 p3 p1 p2 p3 dg d2 d p3 p1 p2 p3 dg m1m2m3 d Md p2 4,5 154,75 p2 p1 p2 d2 d1 d p2 p1 p2 p* 3 diamètre gaussien (réduction de cross over d) M=1,4 10-4 si d=20µm dg=2,8 nm 16 relation « courant électronique - taille de sonde » Brillance : W : 5,3 104 à 1,6 105 A/cm2/sr LaB6 : 4,6 105 à 1,4 106 A/cm2/sr Variation du diamètre du faisceau électronique (« sonde ») en fonction de l’intensité du courant électronique pour différentes valeurs de la tension d’accélération et pour 2 types de canon 17
