Modélisation et caractérisation du faisceau d’électrons dans les canons de tubes cathodiques de téléviseurs Présenté par : Olivier Doyen Sous la direction de : Jean-Marie De Conto Michel Lefort 1 Plan 1. Thèse CIFRE : Contexte et objectifs de l’industriel 2. Modélisation du courant total extrait des canons 3. Mesure des d’électrons 4. Modélisation de la formation du faisceau et de ses caractéristiques initiales 5. Conclusion caractéristiques des faisceaux 2 1. Contexte de la thèse, problématique, et physique des canons à électrons 3 1. Contexte 2. Modèle de courant 3. Méthode de mesure 4. Modèle de faisceau Thèse CIFRE : Collaboration entre Thomson Genlis SA et le LPSC (CNRS-UJF-INPG) Thomson Genlis SA (21) : conception, production, et commercialisation de tubes cathodiques pour télévisions 20 % du temps couleur. Chaîne de fabrication de tubes cathodiques Service accélérateur du LPSC (38) : valorisation des compétences en optique électronique théorique, dynamique de faisceau, et mesures. 80 % du temps 4 1. Contexte 2. Modèle de courant 3. Méthode de mesure 4. Modèle de faisceau Objectifs commerciaux (court terme) • Cible commerciale de THOMSON : Extrême Orient et Amérique du Sud. • Avantages des TV à tubes cathodiques : qualité d’image, faible coût. Inconvénient : encombrement. • Pour rester concurrentiel face aux écrans plasma ou LCD : nécessité de diminuer la profondeur du tube tout en augmentant la taille de l’écran. 5 1. Contexte 2. Modèle de courant 3. Méthode de mesure 4. Modèle de faisceau Problématiques • Pour améliorer ses tubes, Thomson dispose de codes de calcul puissants, cependant : - des différences notables apparaissent avec les mesures. - l’information sur le contenu de ces codes est incomplète. - impossibilité d’amélioration car aspect « boite noire ». - temps de calcul long. • Les modélisations théoriques publiées reposent sur des hypothèses le plus souvent ad hoc ou déduites empiriquement de l’expérience. 6 1. Contexte 2. Modèle de courant 3. Méthode de mesure 4. Modèle de faisceau Objectifs de la thèse • Modélisation : Comprendre les mécanismes principaux de la physique des canons à électrons de façon non empirique. Développer des modèles physiques simples, analytiques, précis, et rapides. Estimer des grandeurs telles que l’intensité et caractéristiques principales du faisceau d’électrons. les • Mesures sur faisceau : Mettre en œuvre un outil de mesure des caractéristiques du faisceau d’électrons. Valider les modèles théoriques. 7 1. Contexte 2. Modèle de courant 3. Méthode de mesure 4. Modèle de faisceau Structure d’un tube cathodique Bobines de déflection Canon à électrons Faisceaux d’électrons Masque à fentes Masque Ecran Luminophores 8 1. Contexte 2. Modèle de courant 3. Méthode de mesure 4. Modèle de faisceau Le canon à électrons Trous de géométries diverses Electrodes ou « Grilles » Modification du faisceau d’électrons Cathode Emission d’électrons 1 cm 9 1. Contexte 2. Modèle de courant 3. Méthode de mesure 4. Modèle de faisceau Structure des canons Spot K Zone de formation du faisceau Lentille principale K G1 G2 G3 G4 G5 G6 Ecran G7 Bleu ≈ 40 cm Vert Rouge Etude du faisceau central 10 1. Contexte 2. Modèle de courant 3. Méthode de mesure 4. Modèle de faisceau Critères de qualité d’un téléviseur • Taille et densité courant du spot. de 1,5 mm • Intensité du spot à l’écran. 1,3 mm Ces éléments dépendent notamment des caractéristiques du faisceau dans sa zone de formation. 11 1. Contexte 2. Modèle de courant 3. Méthode de mesure 4. Modèle de faisceau Comment se forme le faisceau ? équipotentielles équipotentielles Champ V électrique à K vide E VG1 VG2 VG3 Charge d’espace 0V 0V y Faisceau d’électrons Thermique x z Potentiel électrostatique Transverse + Longitudinal Cathode K ΦK=0V G1 ΦG1<0V G2 ΦG2>0V G3 ΦG3>0V 12 1. Contexte 2. Modèle de courant 3. Méthode de mesure 4. Modèle de faisceau Principales difficultés du problème • Vitesses initiales des électrons (thermique). • Charge d’espace. Calcul du potentiel électromagnétique. phénomènes liés entre eux • Géométries 3D. Tout prendre en compte d’emblée Modèles numériques, ne font pas apparaître la physique, imprécis, et parfois empiriques. Notre approche Analytique : physique. Plus simple. Découplage des phénomènes physiques. Plus précis. 13 2. Modélisation du courant total extrait 14 2. Modèle de courant 3. Méthode de mesure 4. Modèle de faisceau Situation avant la thèse Caractéristiques courant tension 14000 Code d'origine 12000 Intensité (μA) 1. Contexte Expérience 10000 environ 35% d’erreur 8000 6000 4000 2000 0 0 50 100 150 VK (volts) • Précision faible, surtout à fort courant. • Temps de calcul long : environ 1 heure. • Impossibilité d’amélioration du code. 15 1. Contexte 2. Modèle de courant 3. Méthode de mesure 4. Modèle de faisceau Approche du problème • Phénomènes physiques complexes. • Géométries 3D, très variables selon les canons. • Modèle 2D (symétrie de révolution) : cas simple, pour prendre conscience de l’importance des phénomènes en jeu. • Modèle 3D : approche plus complexe valable pour tout type de canons. 16 2. Modèle de courant 1. Contexte 3. Méthode de mesure 4. Modèle de faisceau Hypothèses réalisées équipotentielles équipotentielles Champ électrique à vide E Charge d’espace r Faisceau Faisceau d’électrons d’électrons Thermique z Longitudinal Longitudinal + Transverse Cathode G1 G2 17 1. Contexte 2. Modèle de courant 3. Méthode de mesure 4. Modèle de faisceau Grandes lignes du modèle 2D 1. Calcul analytique du potentiel Φ sans faisceau (à base de TF et de fonctions de Bessel) 2. Calcul du champ électrique sans faisceau sur la cathode EK EK E z (r ,0) (r , z ) z z 0 3. Calcul de la densité de courant E (V/m) Loi de Child-Langmuir : valable dans le cas d’une diode plane infinie K 4 2e / m 0 3 / 2 j (r ) EK (r ) 9 D -R 4. Calcul de l’intensité R I 2rj (r )dr 0 r (m) z=0 5. Correction de la loi de Child-Langmuir Prise en compte du rayon fini du faisceau Distance cathode - anode R 20 à 100% d’intensité en plus 18 1. Contexte 2. Modèle de courant 3. Méthode de mesure 4. Modèle de faisceau 1 paramètre indéterminé La pseudo distance de diode D : 4 2e / m 0 3 / 2 j (r ) EK (r ) 9 D Distance cathode - anode Paramètre unique pour l’intensité appliquée). chaque canon (indépendant de Besoin d’une référence expérimentale au courant maximal : I Modèle (VK 0) I Expérience (VK 0) 19 2. Modèle de courant 1. Contexte 3. Méthode de mesure 4. Modèle de faisceau Résultats 2D : comparaison des caractéristiques courant tension 10 Expérience 9 Intensité (mA) 8 Code de calcul d'origine 7 6 Nouveau modèle 5 4 3 2 1 0 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 VK (volts) Vérifications sur 2 différents types de canons, dans plusieurs configurations d’émission. 20 1. Contexte 2. Modèle de courant 3. Méthode de mesure 4. Modèle de faisceau Conclusion sur le modèle 2D • Modèle précis, simple, et rapide (quelques lignes de programmation Maple). • Paramètres déterminants : - le champ électrique à vide sur la cathode - la distance équivalente D • Travaux suivants Généraliser à la modélisation de structures variables 3D. Difficultés : calcul du potentiel en 3D. 21 1. Contexte 2. Modèle de courant 3. Méthode de mesure 4. Modèle de faisceau Modèle 3D : semi analytique 1. Calcul numérique du champ électrique à vide sur la cathode. 2. Calcul de la densité de courant Loi de Child-Langmuir : valable dans le cas d’une diode plane infinie j ( x, y ) 3. Calcul de l’intensité 2e / m 0 D E 3 / 2 ( x, y ) Référence expérimentale I j ( xi , y j )xy i, j 4. Correction de la loi de Child-Langmuir Par W. S. Koh et al. (2005) : 1 0.25 G 30 à 100% en plus D (si surface émissive = cercle) G R 22 1. Contexte 2. Modèle de courant 3. Méthode de mesure 4. Modèle de faisceau Résultats 3D : comparaison des courbes caractéristiques 20 18 Expérience Intensité (mA) 16 Code d'origine 14 Nouveau modèle 12 10 8 6 4 2 0 0 50 100 150 200 VK (volts) Vérifications sur 3 différents types de canons, dans plusieurs configurations d’émission. 23 1. Contexte 2. Modèle de courant 3. Méthode de mesure 4. Modèle de faisceau Création d’un outil logiciel : CE3D a1 a2 s1 s2 Temps de calcul : environ 3 secondes 24 2. Modèle de courant 1. Contexte 3. Méthode de mesure 4. Modèle de faisceau Interface graphique s1 Courbe caractéristique I vs VK Temps de calcul : environ 30 secondes 25 1. Contexte 2. Modèle de courant 3. Méthode de mesure 4. Modèle de faisceau Interface graphique 26 1. Contexte 2. Modèle de courant 3. Méthode de mesure 4. Modèle de faisceau Conclusion sur le modèle 3D • Objectifs de l’industriel atteints Modèle physique, simple, rapide, valable pour tout type de canon. • Paramètres déterminants : - le champ électrique à vide sur la cathode - distance de diode équivalente D (notion mal comprise). • On constate que l’on peut négliger la thermique et la charge d’espace transverse. • Perspective : généralisation de la notion de distance de diode équivalente pour les canons en cours de conception. 27 3. Mise en place d’une méthode de mesure d’émittance dans les canons 28 1. Contexte 3. Méthode de mesure 2. Modèle de courant 4. Modèle de faisceau Qu’est ce qu’une émittance ? L’émittance se définit dans l’espace des traces : (x, x’) par exemple. x’ z0 x’ Emittance RMS ex’ x y 0 0 x z Faisceau de particules Espace des traces en z0 29 1. Contexte 2. Modèle de courant 3. Méthode de mesure 4. Modèle de faisceau Définition de l’émittance RMS • L’émittance RMS renseigne sur la nature globale du faisceau (taille, divergence, distribution). • Elle est définie par 4 paramètres : α, β, γ (Twiss), et ε (émittance). 2 1 A x ' x ' 0 x x • Equation de l’ellipse : x'2 2xx'x 2 30 1. Contexte 2. Modèle de courant 3. Méthode de mesure 4. Modèle de faisceau But des mesures d’émittances Objectifs • Construire un outil de mesure de l’émittance du faisceau des canons, en amont de la lentille principale. NOUVEAU pour Thomson. • Qualités requises : robuste et discriminant par rapport aux différents types de canons. Pourquoi? Pour avoir un outil de caractérisation et d’optimisation des canons, complémentaire aux codes de calcul. 31 1. Contexte 3. Méthode de mesure 2. Modèle de courant 4. Modèle de faisceau Moyen : la méthode des 3 gradients Plan d’entrée Plan de sortie Système optique n réglages, sans changer le faisceau amont n mesures d’écarts type z M 11 M 12 Matrice de transfert: M M 21 M 22 1 1 2 M 11 M 12 ... 2 M 11n M 12n M1 11 ... n M 11 2 2 M 2 0 e e 1 ... e e ... ... 2 n 2 M 12 e e n 0 1 2 12 n mesures e e e2 1 Paramètres d’émittance Ecarts type (tailles RMS) 32 1. Contexte 2. Modèle de courant 3. Méthode de mesure 4. Modèle de faisceau Application aux canons à électrons Plan d’entrée Plan de sortie Spot x y z Cathode K Lentille principale 1.64 cm Ecran Ajustement de la lentille Calcul de M par simulation ≈ 40 cm 33 1. Contexte 2. Modèle de courant 3. Méthode de mesure Schéma de la méthode Choix d’une intensité Plan d’entrée Réglage de la lentille Calcul de M par simulation 4. Modèle de faisceau Mesure des écarts type de spot CCD Ecran Résultats Validation Emittance RMS pour une intensité Critères de validité Précautions Acquisition Traitement de données Algorithme de reconstruction Méthode des 3 gradients Programmation Maple Calcul des écarts type 34 1. Contexte 3. Méthode de mesure 2. Modèle de courant 4. Modèle de faisceau Critère de validité : « critère des paraboles » Idéalement, 2000 2 2 f Ne marche plus à 4 mA (mils2) 1500 V est une parabole. Il existe un seuil de validité en intensité pour chaque canon. 1000 500 4mA 1mA 0.5mA 0.2mA Causes : 0 5 5,2 5,4 V 5,6 ( volts ) 5,8 6 - charge d’espace - non linéarités. 35 1. Contexte 2. Modèle de courant 3. Méthode de mesure 4. Modèle de faisceau Vérification préliminaire par simulation Le code de Thomson calcule : • l’émittance dans le plan d’entrée. • les profils de spots sur l’écran. Validation de notre méthode par simulation. Simulation avec 3 gradients x’ (rad) Simulation x (mils) Simulations sur un même canon 36 1. Contexte 2. Modèle de courant 3. Méthode de mesure 4. Modèle de faisceau Série de mesures • • • • • 3 3 2 2 6 types de canons conditions d’émission faisceaux (rouge et vert) directions (x et y) intensités • 11 tensions de lentille principale 1512 spots à l’écran mesurés. 216 émittances obtenues. Idem en simulation : outil de contrôle. 37 1. Contexte 3. Méthode de mesure 2. Modèle de courant 4. Modèle de faisceau Résultats expérimentaux Comparaison des émittances mesurées et simulées x’ (rad) Simulation Mesure x (mm) I = 0.2 mA Mesure et simulations sur un même canon, en x Les différences entre la mesure et la simulation sont normales : on vérifie que les spots sont bien différents. 38 1. Contexte 3. Méthode de mesure 2. Modèle de courant 4. Modèle de faisceau Robustesse de la mesure x’ (rad) x (mm) I = 1 mA Mesures réalisées sur deux canons de même géométrie La méthode est robuste. 39 1. Contexte 2. Modèle de courant 3. Méthode de mesure 4. Modèle de faisceau Discrimination de la mesure Canon 2 Canon 3 Canon 1 x’ (rad) Canon 3 y’ (rad) Canon 1 Canon 2 x (mm) y (mm) Mesures réalisées sur 3 canons différents, en x et en y, à 1 mA. La méthode est discriminante pour les différents canons. 40 1.1.Contexte Contexte 2. Modèle 2. Modèle de courant de courant 3.3.Méthode de mesure mesure Méthode de 4. Modèle 4. Modèle de de faisceau faisceau Conclusion Objectifs de l’industriel atteints : outil robuste et discriminant pour les différents types de canons. Domaine de validité inférieur à 2 ou 3 mA selon les canons (effets de la charge d’espace). Mise en évidence de différences entre la mesure et la simulation. 41 4. Modélisation de la création du faisceau et transport de celui-ci jusqu’à l’écran 42 2. Modèle de courant 4. Modèle de faisceau 3. Méthode de mesure Situation avant la thèse 1,E-04 Mesure 1,E-04 Densité de courant (A/mm) 1. Contexte Code d'origine 1,E-04 8,E-05 6,E-05 4,E-05 2,E-05 -3 -2 0,E+00 -1 0 1 2 3 x (mm) Profil d’un spot sur l’écran • Précision moyenne : erreur = faisceau source ? • Temps de calcul long. • Impossibilité d’amélioration du code. 43 1. Contexte 2. Modèle de courant 3. Méthode de mesure 4. Modèle de faisceau Objectifs • Mêmes objectifs que pour le modèle de courant Modèle 2D de faisceau source. Modèle 3D de faisceau source. Comparaison à la simulation. • Transporter le faisceau natif obtenu jusqu’à l’écran. Comparaison à l’expérience. 44 1. Contexte 2. Modèle de courant 3. Méthode de mesure 4. Modèle de faisceau Hypothèse réalisée équipotentielles équipotentielles Champ électrique à vide E Charge d’espace r Thermique z Faisceau d’électrons Longitudinal + Transverse Cathode G1 G2 Emittance native 45 1. Contexte 2. Modèle de courant 3. Méthode de mesure 4. Modèle de faisceau Grandes lignes du modèle 2D • Calcul du potentiel électrostatique Φ (aux premiers ordres) au 2 z 3 zr 2 Emax z 2 2 3 R R voisinage de la cathode : • Equations du mouvement : m r eE e r r mz eE z e z • Reformulation du système d’équations 2e Emax r zr 2 m R e e z Emax Emax 2 z 2 r 2 2 m mR z 2 ir R 2e Emax 1 2 m R • Développement limité des trajectoires • Correction liée à la charge d’espace 46 1. Contexte 2. Modèle de courant 3. Méthode de mesure 4. Modèle de faisceau Résultats du modèle 2D Calcul des trajectoires Calcul de l’émittance native r(m / s ) r (mm) z (mm) K r (m ) 0.05 mm de la cathode Effet visible des non linéarités du champ électrique : création d’émittance RMS. 47 1. Contexte 2. Modèle de courant 3. Méthode de mesure 4. Modèle de faisceau Résultats du modèle 2D Calcul des trajectoires Calcul de l’ émittance native r (mm) r’ (rad) Nouveau modèle z (mm) + correction estimative K 0.05 mm de la cathode r (mils) Code d’origine 48 1. Contexte 2. Modèle de courant 3. Méthode de mesure 4. Modèle de faisceau Conclusion 2D • Modèle analytique, simple, rapide (quelques lignes sous Maple). • Peu d’éléments en jeu : - le champ électrique maximal à vide sur la cathode Emax - le rayon d’émission R • Le faisceau subit fortement les non linéarités du champ électrique. • La thermique ? Point abordé dans la suite. • Généralisation du modèle en 3D : approche similaire, et comparaison à la simulation. 49 1. Contexte 2. Modèle de courant 3. Méthode de mesure 4. Modèle de faisceau Grandes lignes du modèle 3D • Calcul du potentiel à vide Φ au voisinage de la cathode (EK approximé à une section d’ellipse à profil parabolique) 2 • Insertion dans les xéquations y 2 du mouvement 1 1 1 ( x, y, z ) Emax 1 2 2 X max Ymax 3 z Emax 2 2 z 3 X max Ymax • Reformulation du système d’équations x 2 e Emax xz 2 m X max e yz y 2 E max 2 m Ymax e x2 y2 z Emax 1 2 2 m X max Ymax Z X Q Y 0 1 1 2 2 X max Ymax X Y Z 0 0 Z Y X 2 z 0 Y X Z 1 Q 2 Q • Développement limité des trajectoires • Correction liée à la charge d’espace 50 1. Contexte 2. Modèle de courant 3. Méthode de mesure 4. Modèle de faisceau Résultats du modèle 3D Calcul des trajectoires x (m) Calcul de l’émittance native x’ (rad) z (m) x (m) K 0.05 mm de la cathode Les non linéarités du champ électrique : phénomène prépondérant dans la formation du faisceau. 51 1.1.Contexte Contexte 2. Modèle 2. Modèle de courant de courant 3. Méthode 3. Méthode de mesure de mesure 4.4.Modèle Modèle de de faisceau faisceau Effets de la thermique : simulation Emittances filaires x’ (rad) Emittances RMS Code d'origine (avec thermique) 0,8 Avec thermique x’ (rad) 0,6 Nouveau modèle 0,4 0,2 x (mm) Sans thermique x (mm) 0,0 -0,20 -0,15 -0,10 -0,05 0,00 -0,2 0,05 0,10 0,15 0,20 -0,4 -0,6 -0,8 Résultats de simulation La thermique donne de l’épaisseur à l’émittance, sans en changer la structure principale. 1. Pas prépondérant 2. Phénomène découplé 52 1. Contexte 2. Modèle de courant 4. Modèle de faisceau 3. Méthode de mesure Résultats du modèle : comparaisons avec le code d’origine Emittances filaires x’ (rad) Emittances RMS x’ (rad) 0,8 Code d'origine 0,6 Nouveau modèle 0,4 0,2 x (mm) Nouveau modèle x (mm) 0,0 -0,20 -0,15 -0,10 -0,05 0,00 -0,2 -0,4 -0,6 0,05 0,10 0,15 0,20 Code d’origine -0,8 53 1. Contexte 2. Modèle de courant 3. Méthode de mesure 4. Modèle de faisceau Conclusion sur le modèle • Paramètres importants : - le champ électrique maximal à vide - les rayons d’émission. • Le champ électrique est non linéaire : fabrication de l’ossature de l’émittance. • La thermique peut se rajouter à posteriori. • La correction de charge d’espace est possible, car le rayon du faisceau est constant au voisinage de la cathode. • Le modèle est-il plus précis que le code d’origine ? Nécessité du transport jusqu’à l’écran. 54 1. Contexte 2. Modèle de courant 3. Méthode de mesure 4. Modèle de faisceau Transport jusqu’à l’écran • Moyens : pas possible de créer notre propre code de transport (temps limité). • Le seul outil disponible est le code de Thomson : - code à base de mini faisceaux, et non particulaire. - quelques différences avec l’expérience : création du faisceau, ou transport? • Insertion du faisceau modélisé dans le code au voisinage de la cathode : procédure réalisée (difficilement) par le laboratoire Sarnoff. 55 1. Contexte 2. Modèle de courant 3. Méthode de mesure 4. Modèle de faisceau Résultats du transport jusque dans le plan de mesure d’émittances (cf. partie 3) Canon asymétrique x’ (rad) Canon symétrique Code y’ (rad) Code Nouveau modèle Nouveau modèle x (mm) y (mm) Expérience Expérience Comparaisons nouveau modèle / mesure / code d’origine 56 1. Contexte 2. Modèle de courant 3. Méthode de mesure 4. Modèle de faisceau Analyse • D’où viennent les différences observées? Le code de Thomson est inadapté au transport de particules La procédure d’injection Aspect boite noire Nécessité d’utiliser ou de réécrire un vrai code de particules. • On modélise approximativement le même faisceau que celui des codes, avec des moyens totalement indépendants. L’erreur doit venir du transport et non de la source. 57 Conclusion générale Identification des mécanismes et paramètres physiques mis en jeu. Découplage des mécanismes : nouveau par rapport aux modèles classiques. descriptions analytiques ou semi analytiques simples • Courant total : modèle beaucoup plus précis. Outil pour l’industriel. • Génération du faisceau : modèle détaillé et bien compris (notamment pour les aspects très complexes de thermique). • Transport jusqu’à l’écran : on pense que l’erreur vient des codes d’origine. • Outil de mesure : méthode mise en œuvre avec succès, avec des critères clairs et industriels. Nouveau pour les tubes cathodiques. • Perspectives : avoir un code particulaire. Analyser la pseudo distance de diode. Utiliser d’autres codes (EGUN…). 58 Merci pour votre attention ! 59