Février 2014-Bénodet

Plan de l’exposé

• Rappels

• canon à électrons

• Processus émissions

• conclusions

La plus « légère » des particules (avec e+) Masse très faible !

Travail de sortie W

De quoi est constitué un canon à électrons ?

Comment fait-on

Un faisceau d’électrons ?

- Cathode : émetteur électrons

vide

Nous verrons : Trois principes physiques d’émission des électrons (matériau solide)

Zone vide d’air (P 10-6 à 10-10 mbar ) + cathode + champ électrique E (keV au MeV)

pompage

e-

- Cathode : émetteur électrons - Créer un champ électrique E

o le plus simple : anode plaques // chargées o plus complexe : cavité RF canon RF : cavité résonante EM (mode TM 010)

vide

cathode anode

E

F = -e E

Le champ E accélère les électrons (augmente leur vitesse)

Comment fait-on un canon à électrons ?

- Créer un champ électrique E

F

e-

Ligne de champ E = cte

E [V/m] = V / d

- Cathode : émetteur électrons - Créer un champ électrique E (anode)

vide

cathode anode

E

Comment fait-on un canon à électrons ?

- Faire un trou !

Canon RF cathode

e-

F = -e E

- Cathode : émetteur électrons - Créer un champ électrique E - Faire un trou !

o déformation lignes de champ défocalisation du faisceau o focalisation nécessaire - focaliser o électrostatique (Einzel) ( énergie ~keV) o magnétique (solénoïde, quadrupôle) ( énergie ~ MeV)

vide

cathode anode

E

F = -e E

- Focaliser

Comment fait-on un canon à électrons ?

e-

Comment fait-on

Un faisceau d’électrons ?

Problème : les électrons se repoussent ! : divergence du faisceau

Modification géométrie plaques // en géométrie plus complexe : Modifie ligne de champ E Géométrie de Pierce (1954)

Cathode anode

faisceau JR Pierce

Caractérisation : • Courant (moyen) : Nbre e-/s • Taille et divergence = émittance • Brillance = courant/émittance

Exemple Faisceau électrons

Tube de Crookes (1870)

Exemple canon

LaB6

W (tungstène)

1 cm

Exemple canon

Image : T Shintake focalisation

Qualités du faisceau

recherchées

> 100 mA

> 1 mois

< 1 ns

> 1013 A/(m.rad)²

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

Tungstène (W)

cathode oxide

dispenser

(W poreux+Ba,

W+Th) dispenser alliage

(W+Ir)+Ba

type M,S

scandate

(W+Sc203):BaO:

?

0,1

1

10

100

1000

1900 1920 1940 1960 1980 2000 2020

Den

sité

co

ura

nt

(A/c

m²)

années

Densité de courant maximale atteinte en fonction des années

W/Re+Sc203

Durée de vie d’une cathode de type M

Durée de vie = temps ou bout duquel on observe une baisse de 10% du courant

900 950 1000 1050 1100 1150

106

105

104

103

Température (°C)

Tem

ps

de

vie

(h

)

Den

sité

de

cou

ran

t (A

/cm

²)

102

101

100

10-1

7 ans

25 ans

1 an

Matrice de [W poreux]+5BaO:3CaO:2Al2O3

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

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 !

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

Applications

klystrons

~ 1.8 m

PV reception 30 nov 1993 - TH2040E n° 24132

1

Vf V tension chauffage 39

Vf/Vf %

If A courant chauffage 15,5

Pf W Puissance chauffage 604,5

Pf/Pf %

Vk cr kV tension faisceau 232

Ik cr A courant faisceau 238

Va kV tension anode

Ia mA courant anode

Z Ohm impédance faisceau 975

µP micropervéance 2,13

fr Hz fréquence répétition 150

Pct kW puissance moyenne corps 1

Ict mA courant corps

Ps moy kW puissance moyenne RF sortie 11,3

tp V µS largeur Vk à 75% 3,7

tp F µS largeur RF à -3dB 3

Fo MHz fréquence RF 2998,5

Pecr W puissance crête RF entrée 130

Pscr MW puissance crête RF sortie 25,1

Pscr dB bande passante

G dB gain 52,9

Rdt % rendement 45,5%

Ifoc1 A courant foc1

Ifoc2 A courant foc2

Ifoc3 A courant foc3

Ifoc A courant foc unique 17,5

Ipi µA courant pompe ionique <1

Klystron = amplificateur

Cathode type M Durée vie klystron = durée vie cathode Garantie constructeur ~ 5000 h

Applications

Cathode I ~ mA

Canon électrons écran TV 1 cm

R V B

T ~ 1000 K

Cathode à oxydes

Applications

Filament tungstène

I = 120 mA t=2.6 µs F=1Hz E=40 keV

Canon pour LINAC

Canon CLIO

I = 1 A t= 1 ns F=500 MHz E=90 keV

Cathode dispenser – canon Pierce

24 mm

Applications

Canon pour fusion métaux

200 kW - 20 kV 4x140 kW - 20 kV 1.7 MW

canons électrons

Lingots métaux

Métal broyé

Métal en fusion

creuset

Cathode LaB6 ou métal

Pression élevée

cathode

focalisation

déviation

canon

Applications

Soudure par faisceau d’électron (electron beam welding)

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)

faisceau

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

D. Wolfe et J. Singh, Surface and Coatings Technology, vol. 124, 2000, 142–153 p

* Métaux, alliages TiC, TiBr, ZrBr

* Co-évaporations

LES SOURCES PHOTOELECTRIQUES

Effet photoélectrique

Travail de sortie W

Influence du travail de sortie

J1 = A a1 T² I (1-R) F(x1) [e/ ] hw = 300 nm

e = 4.13 eV

1

10

100

1000

10 100 1000

Eclairement (MW/cm²)

Densité d

e c

oura

nt

J1 (

A/c

m²)

W=4 eV

W=3 eV

W=2 eV

W=1 eV

Intérêt d’utiliser un matériau à faible travail de sortie

x = (hn – W)/kT

W x F(x)

²

Enceinte fabrication

Fabrication

Source Cs

ELYSE - LCP

Te

Cs

Te évaporation

microbalance

Ph

oto

ca

tho

de

s t

es

ted

in

th

e P

ho

toe

mis

sio

n L

ab

.

1E

-91E

-81E

-71E

-61E

-51E

-41E

-31E

-21E

-11E

+0

Al

Au

Cu

Cu (

ICE

)

Mg

St

ste

el

Sm

WK

(IC

E)Y

Y (

ICE

)

PL

ZT

CsI

CsI+

Ge

Cs3S

b

Cs2T

e

Cs2T

e (

reg.)

K3

Sb

K2

Te

Na2K

Sb

QE

532 n

m355 n

m308 n

m266 n

m213 n

m193 n

m

Métal Semiconducteur

K2Te Cs2Te I

Na2KSb K3Sb Cs2Te II

Cs3Sb

CsI+Ge

CsI Y

WK Inox

Sm Mg

Cu I

Cu II

Au

Al

Y (I)

Données du CERN/CTF (G. Suberlucq)

Rendement quantique

10-1

10-2

10-3

10-4

10-5

10-6

10-7

10-8

100

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

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 !

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

Fort gradient accélérateur : 100MV/m

Canon RF : mesures

0

1

2

3

4

5

6

7

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22

energie laser (µJ)

Q (

nC

)

Eacc = 60 MV/m

Eacc = 40 MV/m

Eacc = 20 MV/m

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150

surface laser (mm²)

ch

arg

e (

nC

)

mesures Elaser = 12 µJ

fit modele saturation

ELYSE - mars 2008

0 20 40 60 80 100 120 Surface laser (mm²)

8 7 6 5 4 3 2 1 0

Q (nC) h

Mesure durée 1 seule impulsion

Exemples Photoinjecteurs

Photo-injecteurs :

- CLIC/CERN 3 GHz

- PHIL 3 GHz

- ELYSE 3GHz

- ThomX 3 GHz

- PITZ(XFEL) 1.3 GHz

- …

PHIL ELYSE

PITZ

LCP, bât 349, UPS LAL, bât 200, UPS

LES SOURCES

A EMISSION DE CHAMP

Effet de pointe

Effet de pointe : renforcement du champ par un facteur noté b

On remplace E par bE

Resserrement des lignes de potentiel au niveau de la pointe

1 m

m

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

Pour renforcer l’émission de champ : fabriquer des pointes

b ~ 100 à 10000 b dépend de la géométrie

Surface émission petite

Emission de champ

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

Différentes technique de fabrication nanotube carbone :

Nanotube en réseau Nanotubes anarchiques Nanotubes alignés

Pointe un seul tube

Le choix de la source dépend de l’application envisagée

• 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 »

Historique subjectif

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