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Master APIMOctobre 2012

Plan de l’exposé

• Rappels• canon à électrons• Processus émissions• Nouvelles sources• conclusions

La moins « lourde » des particules (e+)Masse très faible !

- Cathode : émetteur électrons

vide

Quatre principes physiques d’émission des électrons (matériau solide)

émetteur électrons non solide : plasma (gaz ionisé)

Comment fait-on un canon à électrons ?

- Cathode : émetteur électrons- Créer un champ électrique E

o le plus simple : plaques // chargées o plus complexe : cavité RF (canon RF)

vide

cathode anode

E

F = -e E

Le champ E accélère les électrons

Comment fait-on un canon à électrons ?

- Créer un champ électrique E

- Cathode : émetteur électrons- Créer un champ électrique E

vide

cathode anode

E

F = -e E

Comment fait-on un canon à électrons ?

- Faire un trou !

- 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 ?

Propriétés optiques des sources d’électrons : qualité de focalisation

e

Sources THERMOIONIQUES

0 2 4 6 8 10 121

10

100

1000

années

Densité courant (A/cm²)

Densité de courant maximale atteinte en fonction des années

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 d

e vi

e (h

)

Den

sité

de

cour

ant

(A/c

m²)

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 àà La haute température : stress thermique pour la matrice et pour la couche d’activation (évaporation)à La pollution de surface : l’activation se transforme en contamination à cause du vide résiduel à bombardement de la surface éventuel

Une cathode n’est pas un réservoir infini, mais fini d’électrons qui se videPlus 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° 241321

Vf V tension chauffage 39∆ Vf/Vf %

If A courant chauffage 15,5Pf W Puissance chauffage 604,5

∆ Pf/Pf %Vk cr kV tension faisceau 232Ik cr A courant faisceau 238Va kV tension anodeIa mA courant anodeZ Ohm impédance faisceau 975

µP micropervéance 2,13fr Hz fréquence répétition 150

Pct kW puissance moyenne corps 1Ict mA courant corps

Ps moy kW puissance moyenne RF sortie 11,3tp V µS largeur Vk à 75% 3,7tp F µS largeur RF à -3dB 3Fo MHz fréquence RF 2998,5

Pecr W puissance crête RF entrée 130Pscr MW puissance crête RF sortie 25,1

∆ Pscr dB bande passante

G dB gain 52,9Rdt % rendement 45,5%

Ifoc1 A courant foc1Ifoc2 A courant foc2Ifoc3 A courant foc3Ifoc A courant foc unique 17,5Ipi µA courant pompe ionique <1

Klystron = amplificateur

Cathode type MDurée vie klystron = durée vie cathodeGarantie constructeur ~ 5000 h

Applications

Cathode I ~ mA

Canon électrons écran TV1 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

LES SOURCES PHOTOELECTRIQUES

Fort gradient accélérateur : 100MV/m

Exemples Photoinjecteurs

Photo-injecteurs :- CLIC 3 GHz- PHIL 3 GHz- ELYSE 3GHz- ThomX 3 GHz- PITZ(XFEL) 1.3 GHz- …

PHIL ELYSE

PITZ

LES SOURCESA EMISSION DE CHAMP

Effet de pointe

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

On remplace E par βE

Resserrement des lignes de potentielau 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 = β = 60

Pour renforcer l’émission de champ : fabriquer des pointes

β ~ 100 à 10000 β dépend de la géométrie

LES SOURCES EMISSION

SECONDAIRE

élément δ max V (δ max) V (δ =1) élément δ max V (δ max) V (δ =1)Ag 1,47 800 4000 C 0,45 460Al 0,97 300 Li 0,5 85Au 1,47 700 3500 K 0,69 200B 1,2 150 400 Be 0,8 200Ba 0,9 400 Cs 0,8 400Be 0,8 200 Rb 0,85 350Bi 1,2 500 1600 Ti 0,85 280C 1,02 300 350 Ba 0,9 400C 0,45 460 Mg 0,95 300

Ca Al 0,97 300Cd 1,1 450 700 C 1,02 300 350Co 1,2 600 1000 Hg 1,05 600 800Cr Pb 1,08 500 600Cs 0,8 400 Cd 1,1 450 700Cu 1,35 500 1900 Si 1,1 250 350Fe 1,32 400 1400 Th 1,1 800 1000Ge 1,2 300 1100 Zr 1,1 300 400Hg 1,05 600 800 Nb 1,18 375 1100K 0,69 200 B 1,2 150 400Li 0,5 85 Bi 1,2 500 1600Mg 0,95 300 Co 1,2 600 1000Mn Ge 1,2 300 1100Mo 1,23 380 1300 Ta 1,2 500 2400Nb 1,18 375 1100 Mo 1,23 380 1300Ni 1,27 550 1800 Ni 1,27 550 1800Pb 1,08 500 600 Pd 1,3 250Pd 1,3 250 Re 1,3 800 3700Pt 1,78 700 9000 Fe 1,32 400 1400Rb 0,85 350 Cu 1,35 500 1900Re 1,3 800 3700 Sn 1,35 500 2400Rh W 1,43 700 2000Sb Ag 1,47 800 4000Se 1,5 360 2500 Au 1,47 700 3500Si 1,1 250 350 Se 1,5 360 2500Sn 1,35 500 2400 Pt 1,78 700 9000Sr CaTa 1,2 500 2400 CrTe MnTh 1,1 800 1000 RhTi 0,85 280 SbU SrW 1,43 700 2000 TeZn UZr 1,1 300 400 Zn

élément δ max V (δ max) V (δ =1)

Ag2O 0,88 500Al2O3 2,6 250 4000BaO 5 à 12 500 à 800BeO 3,5 2000CaO 5 600 3000Cu2O 1,2 500 1100MgO 4 à 9 600MoO2 1,1 450 700ZnO 2 400 2300

AgCs2OCs 10 700 30000WCs2O 1 à 4 200 à 600SbCs 9 500 30000

Par δmax croissant

En général δmax métaux < δmax semiconducteur

• émission électrons de faible énergie ~ 1 à 50 eV• proviennent de la surface ~ 1 à 10 nm• taux émission > 1 plusieurs électrons sont émis pour un électron incident• taux émission à un maximum pour 0.1 < Ep < 1 keV• taux émission métaux < semiconducteur• spectre énergie : primaire (keV)+rétrodiffusé (η) + secondaire (δ)• effet indésirable ou exploité• Suppression : traitement surface, géométrie + chp magnétique, dépôt matériaux δmax < 1 (Aquadag)•Augmentation : par dépôt de matériau δmax >> 1 et activation augmentation angle incidence

Photomultiplicateur

MCP

Gain 104 à 107

Projet de source d’électrons

LES NOUVELLES SOURCES

Interaction laser-plasma

• 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