Emission électronique sous bombardement électronique à basse énergie

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Fernande Lavergne
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1 Emission électronique sous bombardement électronique à basse énergie Thomas Tondu Mohamed Belhaj, Julien Roupie ONERA Département Environnement Spatial - Toulouse

2 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 Effets de fluence Effet de courant Effet du "vieillissement" 2

3 L'émission électronique sous impact d'électron! # %& #() ) +() ( & #! # %& ( &)%& +,,.)! # %& #() () ( & #! # %& ( +( + #(%! # %& (.# ( /+&# #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) Secondaires : issus de la cible 3

4 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 Rendement [electrons/electron] 2 1 Rentement total Electrons secondaires Electrons rétrodiffusés Energie primaire [ev] 4

5 Caractéristique 1 : Rendement d'émission Influence de l'incidence Rendement accru à incidence plus rasante Pas d'effet à basse énergie Rendement total Mesures DEESSE et A_/Sr 1A_/Sr.1A_/Sr.1A_/Sr 1eV 1eV 1eV Energie (ev) Electrons sur argent Sections efficaces d'interaction élastique sur argent 5

6 Caractéristique 2: Energie des électrons émis Description : cas général Pic électrons secondaires Pic rétrodiffusés élastiques dn /de Pic rétrodiffusés diffus Quelques ev Energie électrons émis E Cas de la basse énergie recouvrement des pics de secondaires et rétrodiffusés signal U.A 8E-12 7E-12 6E-12 5E-12 4E-12 3E-12 2E-12 1E-12-1E-12 élastiques Ei= 1 ev Energie (ev) signal U.A 8E-12 7E-12 6E-12 5E-12 4E-12 3E-12 2E-12 1E-12-1E-12 secondaires Ei= 3 ev Energie (ev) élastiques 7E-12 9E-12 6E-12 secondaires Ei= 2 ev 8E-12 7E-12 secondaires Ei= 4 ev 5E-12 6E-12 signal U.A 4E-12 3E-12 2E-12 élastiques signal U.A 5E-12 4E-12 3E-12 élastiques 2E-12 1E-12 1E E Energie (ev) -1E Energie (ev)

7 Caractéristique 3: Direction d'émission Cu 7 7

8 Quelques applications Effet multipactor dans les guides d'ondes Phénomène: Electrons accélérés par le champ électrique de l'onde Mutiplication électronique aux parois Absorption de l'onde par les électrons Données nécessaires Rendement total ( à 3eV) Cibles métalliques Energie des électrons Charge des satellites Environnement spatial chargeant : ceintures de radiations + photons Charge du satellite Potentiel d'équilibre dépend du rendement d'émission électronique Rendement dépend du matériau => différence de potentiel Décharges electrostatiques Dégradations de performances Perturbations électromagnétiques Données nécessaires Rendement total (qq kev) Cibles isolantes Propulsion électrique à effet Hall Confinement d'électrons dans champs ExB Ionisation de gaz par bombardement électronique Accélération des ions (non magnétisés) par E Bombardement électronique des parois Influe sur les caractéristiques du plasma Données nécessaires Rendement total (- 5eV) Cibles isolantes V Sat (-3V) Anode Gaz V CG (-1V) E Guide d'onde Avalanche électronique Verre Silicium Canal de décharge céramique B Vide Emission électronique Plasma 8

9 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 Effets de fluence Effet de courant Effet du "vieillissement" 9

10 Principe de la mesure d'émission électronique = I e Qe = I 1 Q 1 Canon à électrons = = Q1 Qc Q e Q 1 Qe + Q c faisceau primaire I 1, Q 1 Electrons émis I e, Q e Collecteur Polarisé positivement Cible A Mesure électrons émis

11 Difficultés liées à la basse énergie Aspect technologique Canon travaillant à basse énergie Polarisation négative de la cible Problèmes de collection Il faut que les électrons atteignent la cible Champ E (dû au collecteur) Champ B terrestre Simulation E =5eV et V collecteur =+18V Faiseau électron Electrons secondaires Potentiel Bx 11

12 Difficultés liées aux isolants Potentiel de surface induit sous irradiation Potentiel d'équilibre : -E /q Rendement [electrons/electron] Potentiel d'équilibre : + qqv Rentement total Electrons secondaires Electrons rétrodiffusés Potentiel d'équilibre : (E c2 -E )/q Potentiel initial E c1 Energie primaire [ev] Jusqu'à quelques centaines de V positif ou négatif (triboélectricité) Charge hétérogène E c2 12

13 Moyen de mesure: DEESSE Canons à électrons (1 ev à 5 kev) electron gun available flange for UV lamp RFA FC electron gun KP FC sample holder FC electron collector DEESSE Pompe cryogénique P=2 1-7 Torr Dispositif d étude de l Emission Electronique Secondaire Sous Electron 13

14 Méthode de mesure par sonde de Kelvin. Mesure de potentiel de surface initial > ( #1 #1? %#(%+#./(.1 (%/ %. ( #1 #1<# +(3 1. Décharge : bombardement électronique 2. Irradiation: pulse d'électrons 5/( (! # %& ( =.#17 Χ 3. Mesure de potentiel final 9%/ ((/Φ# /( ( = Q1 Qc Q Q 1 = C Γ#. &#1+(.+% c V S! 8/(%+ ( <1= <1= ;. 1ΑΒ;3 7 5 <1= ; > 1 ΑΧ;1 1ΕΧ;3 4. /(% 9 # %& # #1 (%&: # ; 5 ; 5 1ΑΒ;3 ; 5 1ΑΒ;3 ; 5 1ΑΒ;3 14

15 Quelques résultats de mesure basse énergie Rendement total [electrons / electron] Or laminé Graphite Aluminium (oxydé) TEEY EEY ev Al2 O3 39 ev BNSiO2 ΗΙ BN 45 ev Energie d'impact [ev] Energy (ev) Mesures sur conducteurs Mesure de courants Mesures sur isolants Mesure de potentiel de surface 15

16 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 Effets de fluence Effet de courant Effet du "vieillissement" 16

17 Effet de fluence V Potentiels (V) Potentiel de surface > ( #1 #1? %#(%+#./(.1 (%/ %. ( #1 #1<# +(3! 8/(%+ ( <1= 4. /(% Potentiel de contrôle 9 # %& # #1 (%&: # ; 5 TEEY pulse 4 8 pulses 3 2 SiO Energy (ev) Injection de trous: piégeage des électrons Génération d'un champ électrique TEEY ev 85eV V culumé [V] 17

18 Effet de courant incident Diamant polycristallin (LIMHP) Verre (borosilicate)! # %& (..# ( /+&#.! # %& (?&+ϑ/+&# > 2.%&/% Κ&. Courant élevé Mobilité faible Densité de trous élevée en surface Rendement limité 18

19 Effets de vieillissement Al 2 O 3 Vieillissement par electrons 2eV Modification de la cible sous irradiation: - Création de défauts - Désorption d'oxygène - Décontamination - Fixation de contaminants - Migration d'impuretés Al 2 O 3 Guérison (partielle) à l'air 19

20 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 2

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