Étude de l`émission cathodique sous vide en présence d`un champ

UNIVERSITE PARIS-SUD
ÉCOLE DOCTORALE : STITS
Laboratoire de Génie Électrique de Paris
DISCIPLINE PHYSIQUE
THÈSE DE DOCTORAT
Soutenue le 27/01/2014
par
Khaled ALMOUSA ALMAKSOUR
Étude de l’émission cathodique sous vide en présence d'un
champ électrique intense et des paramètres physiques
gouvernant son intensité
Directeur de thèse : M. Philippe TESTÉ CR CNRS (LGEP / Gif-sur-Yvette)
Co-directeur de thèse : M. Emmanuel ODIC Professeur (Supélec-Énergie / Gif-sur-Yvette)
Composition du jury :
Président du jury : M. Frédéric BOUILLAULT Professeur (LGEP / Gif-sur-Yvette)
Rapporteurs : M. Alain GLEIZES DR CNRS (LAPLACE / Toulouse)
M. Olivier LESAINT DR CNRS (G2Elab / Grenoble)
Examinateurs : M. Alain SIMONIN Chercheur CEA (IRFM/St Paul-lez-Durance)
M. Bruno LEPETIT CR CNRS (LCAR / Toulouse)
M. Jean-Claude VANNIER Professeur (Supélec-Énergie / Gif-sur-Yvette)
M. Michael KIRKPATRICK Professeur assistant (Supélec-Énergie/Gif-sur-Yvette)

REMERCIEMENT
A l'issue de la rédaction de cette recherche, je suis convaincue que la thèse est loin d'être un
travail solitaire. En effet, je n'aurais jamais pu réaliser ce travail doctoral sans le soutien
d'un grand nombre de personnes dont la générosité, la bonne humeur et l'intérêt manifestés à
l'égard de ma recherche m'ont permis de progresser dans cette phase délicate de « l'apprenti-
chercheur».
Je tiens dans un premier temps à remercier mon directeur de thèse M. Philippe Testé pour
cours de ces années. Je remercie également M. Emmanuel Odic, co-directeur de ce travail de
thèse, pour sa disponibilité, ses idées et conseils, ainsi que pour son aide précieuse de tous les
jours. Merci à M. Philippe Dessante pour ses conseils et son aide et ses contributions
indispensables notamment dans la m  
expérimentaux. Je souhaiterais exprimer ma gratitude à M. Michael Kirkpatrick  
accompagné de très près, jour par jour, lors de ces trois années de thèse et notamment lors de
mon travail expérimental qui représente la majeure partie de ma thèse.
Je remercie M. Jean-Claude Vannier, Chef du Département d'Electrotechnique et de Systèmes
d'Energie de Supélec
M. Frédéric Bouillault directeur du Laboratoire de Génie Electrique de Paris, pour m'avoir
accueilli au sein de ces institutions.
Je tiens à remercier M. Alain Gleizes, Directeur de Recherche au LAPLACE, et M. Olivier
Lesaint, Directeur de Recherche au G2Elab       
travail.
Grâce à de nombreuses       
 le vide et 
cet environnement particulière. Je remercie également M. Thierry Leblanc,
 au LGEP, José De Freitas, technicien à Supélec et M. Damien Huchet,
normément aidé pendant ces années.
vie

Table des matières K. Almaksour
I
Table des matières
Introduction générale .................................................................................................................. 1
Chapitre I .................................................................................................................................. 5
Etude bibliographique sur l’émission électronique par effet de champ électrique ............ 5
1.1. Introduction ..................................................................................................................... 6
1.2. Généralités sur le courant noir ........................................................................................ 6
L’émission primaire ................................................................................................. 7 1.2.1.
L’émission secondaire ............................................................................................. 7 1.2.2.
1.3. Les principaux modèles d’émission électronique ........................................................... 8
Description du calcul proposé par Fowler-Nordheim [5] ........................................ 9 1.3.1.
Renforcement local du champ ............................................................................... 11 1.3.2.
Influence de la température .................................................................................... 14 1.3.3.
Commentaire sur les différentes hypothèses sur lesquelles se basent les modèles 15 1.3.4.
1.3.4.1. Commentaire concernant le modèle pris pour le métal .................................. 15
1.3.4.2. Commentaire concernant la forme de la barrière ........................................... 17
1.3.4.3. Commentaires concernant l’emploi de la distribution de Fermi-Dirac .......... 18
1.3.4.4. Commentaire concernant le calcul du coefficient de transmission ................ 18
1.4. Méthodes utilisées pour dépouiller les mesures : obtention d’information sur le champ
local et sur la surface des sites émetteurs ................................................................................. 21
Méthode classique (pour un travail de sortie φ donné) .......................................... 22 1.4.1.
Méthode quand le travail de sortie est inconnu ..................................................... 23 1.4.2.
1.5. Conclusion ..................................................................................................................... 28
Chapitre II .............................................................................................................................. 30
Dispositifs expérimentaux et préparation des électrodes ................................................... 30
2.1. Introduction ................................................................................................................... 31
2.2. Étude bibliographique sur les dispositifs expérimentaux : la préparation des électrodes,
la mesure de courant et de la rugosité de surface ..................................................................... 31
Le choix des électrodes .......................................................................................... 32 2.2.1.

Table des matières K. Almaksour
II
2.2.1.1. Géométrie des électrodes ................................................................................ 32
Matériaux des électrodes ........................................................................................ 33 2.2.2.
Préparation des électrodes ...................................................................................... 33 2.2.3.
2.2.3.1. Polissage mécanique ....................................................................................... 33
2.2.3.2. Polissage électrolytique (EP) .......................................................................... 34
2.2.3.3. Polissage chimique BCP (buffered chemical polishing) ................................ 35
2.2.3.4. Préparation thermique ..................................................................................... 35
2.2.3.5. Nettoyage à l’eau ultra pure à haute pression ................................................. 36
Mesure de la rugosité de surface des électrodes ................................................... 36 2.2.4.
2.2.4.1. Microscope à force atomique (AFM) ............................................................. 36
2.2.4.2. Profilomètre optique 3D ................................................................................. 37
2.2.4.3. Microscope électronique à balayage (MEB) .................................................. 37
Mesure de courant .................................................................................................. 37 2.2.5.
2.2.5.1. Picoampèremètre (Keithley) ........................................................................... 37
2.2.5.2. A partir de la caractéristique I-V d’une résistance ......................................... 37
2.2.5.3. Mesure par un circuit amplificateur ................................................................ 38
2.2.5.4. Protection de l’appareil de mesure de courant ................................................ 39
2.3. Description des dispositifs expérimentaux utilisés dans la thèse .................................. 40
Cahier des charges ................................................................................................. 40 2.3.1.
2.4. Description générale du dispositif expérimental ........................................................... 40
Description de l’enceinte à vide, du système de pompage et des jauges de pression2.4.1.
40
L’alimentation haute tension .................................................................................. 42 2.4.2.
Diapositif de chauffage des électrodes .................................................................. 42 2.4.3.
2.5. Choix de forme et de géométrie des électrodes ............................................................. 43
Cathode plane – anode sphérique .......................................................................... 44 2.5.1.
Cathode pointe - anode plane ................................................................................. 46 2.5.2.

Table des matières K. Almaksour
III
2.6. Préparation des électrodes ............................................................................................. 47
2.7. Mesure du courant ......................................................................................................... 47
Mesure de courant de quelques picoampères à quelques nanoampères avec un 2.7.1.
échantillonnage de 1 Hz (montage intégrateur) ................................................................... 48
2.7.1.1. Principe théorique ........................................................................................... 48
2.7.1.2. Circuit réel ...................................................................................................... 50
2.7.1.3. Choix des composants .................................................................................... 50
Exemple pratique .............................................................................................................. 51
2.7.1.4. Erreur de mesure ............................................................................................. 52
Mesure de courant de 1 nA à 1 µA avec un échantillonnage de 1 kHz (montage 2.7.2.
amplificateur) ....................................................................................................................... 53
Mesure de courant de 1 pA à 1 mA avec un échantillonnage de 1 Hz .................. 54 2.7.3.
2.8. Mesure de la rugosité de surface par un Profilomètre optique 3D ................................ 55
Chapitre III ............................................................................................................................. 57
Emission électronique de faible intensité en champ électrique macroscopique homogène
.................................................................................................................................................. 57
3.1. Introduction ................................................................................................................... 58
3.2. Etude bibliographique portant sur les paramètres expérimentaux d’étude du courant
noir 58
Effet du matériau de l’électrode ............................................................................. 59 3.2.1.
Effet de la distance inter-électrodes ....................................................................... 60 3.2.2.
Effet de la rugosité de surface de la cathode .......................................................... 61 3.2.3.
Effet de l’état de surface de l’anode ...................................................................... 62 3.2.4.
Moyens de diminution de courant noir .................................................................. 63 3.2.5.
3.2.5.1. Diminution de courant noir par implantation ionique .................................... 63
3.2.5.2. Traitement par décharge « glow » .................................................................. 64
Facteurs influant sur le renforcement de champ  ................................................ 65 3.2.6.
Surface émissive S ................................................................................................. 66 3.2.7.