FR3000290A1 - SOURCE OF ELECTRON TRANSMISSION - Google Patents
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Abstract
L'invention se rapporte à une source (12) d'émission d'électrons caractérisée en ce que la grille (222) et la cathode (220) sont agencées l'une par rapport à l'autre pour que la grille (222) laisse passer l'intégralité des électrons émis par la cathode (220) lorsque la différence de potentiel entre la cathode (220) et la grille (222) est inférieure à la valeur seuil et que la première source (224) établit une différence de potentiel entre la cathode (220) et l'anode (218).The invention relates to a source (12) of electron emission characterized in that the gate (222) and the cathode (220) are arranged relative to each other so that the gate (222) passes all the electrons emitted by the cathode (220) when the potential difference between the cathode (220) and the gate (222) is less than the threshold value and the first source (224) establishes a potential difference between the cathode (220) and the anode (218).
Description
SOURCE D'EMISSION D'ELECTRONS La présente invention concerne une source d'émission d'électrons. L'invention concerne également un canon à électrons radiofréquence comprenant la source d'émission d'électrons. Dans de nombreuses applications, il est souhaitable de disposer d'une source émettant des électrons groupés en impulsions courtes. Par impulsions courtes, il est entendu des électrons groupés dans une impulsion de quelques dizaines de picosecondes. A titre d'exemple, c'est notamment le cas lorsque les électrons sont à injecter dans des systèmes d'accélération du type accélérateur linéaire haute énergie. Pour obtenir de telles impulsions courtes d'électrons, il est connu d'utiliser des canons à électrons dits radiofréquence. Un canon à électrons radiofréquence comporte une source d'émission d'électrons et au moins une cavité à l'intérieur de laquelle se créée un champ électromagnétique oscillant. La cavité est propre à accélérer les électrons de la source d'électrons à des vitesses relativistes. Dans le reste de la demande, la qualité du faisceau électronique émis par la source d'électrons est quantifiée par la mesure d'émittance. Ainsi, par un faisceau de « bonne qualité », il est entendu un faisceau dont l'émittance normalisée est inférieure à 20 it mm mrad. Plusieurs types de canons à électrons radiofréquence existent selon le type de la source d'émission d'électrons. Dans l'état de la technique, il est notamment connu un canon à électrons utilisant une cathode à émission thermoïonique. Dans une cathode à émission thermoïonique, la matière composant la cathode est portée à une température élevée pour induire une émission d'électrons. L'émission d'électron par la cathode est permanente dès que la matière de la cathode atteint une température seuil.The present invention relates to an electron emission source. The invention also relates to a radiofrequency electron gun comprising the electron emission source. In many applications, it is desirable to have a source emitting electrons grouped into short pulses. In short pulses, it is understood electrons grouped in a pulse of a few tens of picoseconds. By way of example, this is particularly the case when the electrons are to be injected into acceleration systems of the high energy linear accelerator type. To obtain such short pulses of electrons, it is known to use so-called radiofrequency electron guns. A radiofrequency electron gun has an electron emission source and at least one cavity within which an oscillating electromagnetic field is created. The cavity is capable of accelerating the electrons of the electron source at relativistic speeds. In the remainder of the application, the quality of the electron beam emitted by the electron source is quantified by the emittance measurement. Thus, by a beam of "good quality", it is understood a beam whose standardized emittance is less than 20 it mm mrad. Several types of radiofrequency electron guns exist depending on the type of the electron emission source. In the state of the art, it is in particular known an electron gun using a thermionic emission cathode. In a thermionic emission cathode, the component material of the cathode is raised to a high temperature to induce electron emission. Electron emission by the cathode is permanent as soon as the material of the cathode reaches a threshold temperature.
Du fait de l'émission constante des électrons, le nombre d'électrons émis par le canon à électrons est important. Les électrons sont accélérés avec une phase variant de 00 à 180° par rapport au champ radiofréquence. Ces différentes phases engendrent une détérioration de la qualité d'émission du faisceau électronique émis.Due to the constant emission of electrons, the number of electrons emitted by the electron gun is important. The electrons are accelerated with a phase varying from 00 to 180 ° with respect to the radiofrequency field. These different phases cause a deterioration of the emission quality of the emitted electron beam.
Dans l'état de la technique, il est également proposé comme source d'émission d'électrons un photo-injecteur. Un photo-injecteur comporte une photocathode et une source de lumière. La source de lumière est une source laser impulsionnelle de forte puissance émettant des rayonnements dans l'ultra violet. Par exemple, la source laser est un laser à excimère propre à émettre des impulsions inférieures à 100 picosecondes (ps). La source laser est propre à extraire des électrons d'une surface de la cathode par effet photoélectrique. La source laser permet un contrôle fin des instants d'extraction des électrons. En choisissant les instants d'extraction pour que les électrons aient une phase comprise dans une plage de phase privilégiée, il est obtenu un faisceau d'électrons de bonne qualité. Néanmoins, le flux moyen du faisceau d'électrons avec un canon à électrons muni d'un photo-injecteur est bien inférieur au flux du faisceau d'électrons obtenu avec un canon à électrons muni d'une cathode à émission thermoïonique. En outre, la mise en oeuvre de la cathode d'un photo-injecteur est effectuée dans un environnement contrôlé, ce qui complique la maintenance de la cathode. De plus, l'emploi d'un photo-injecteur présente l'inconvénient d'être onéreux du fait de la source lumineuse. Il existe donc un besoin pour une source d'émission d'électrons présentant une émittance améliorée par rapport à l'état de la technique tout en garantissant un flux moyen de faisceau électronique important. A cet effet, il est proposé une source d'émission d'électrons comportant une cathode, une anode, l'anode faisant face à la cathode. La source comprend, également, une cavité délimitée par l'anode et la cathode. La source comprend aussi une première source de tension pour établir une différence de potentiel entre la cathode et l'anode. La cathode est adaptée pour émettre des électrons à l'intérieur de la cavité lorsque la première source établit une différence de potentiel entre la cathode et l'anode. La source comporte aussi une grille positionnée dans la cavité, la grille étant interposée entre la cathode et l'anode. La source comporte aussi une alimentation en tension de la grille, la grille étant adaptée pour interrompre l'émission d'électrons à l'intérieur de la cavité lorsque la différence de potentiel entre la cathode et la grille est supérieure à une valeur seuil. La grille et la cathode sont agencées l'une par rapport à l'autre pour que la grille laisse passer l'intégralité des électrons émis par la cathode lorsque la différence de potentiel entre la cathode et la grille est inférieure à la valeur seuil et que la première source établit une différence de potentiel entre la cathode et l'anode. Suivant des modes de réalisation particuliers, la source comprend une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou suivant toutes les combinaisons techniquement possibles : - la distance entre la grille et la cathode est inférieure à 100 pm. - la cathode est adaptée à émettre des électrons dans une pluralité de zones d'émission. - la grille est une plaque avec une pluralité d'ouvertures placées de sorte que chaque zone d'émission soit en regard d'au moins une ouverture de la pluralité d'ouvertures. - chaque zone d'émission est en regard d'une ouverture respective. - les zones d'émission sont des cavités pratiquées dans la cathode. - les zones d'émissions comprennent des nanotubes adaptés à émettre un faisceau d'électrons.In the state of the art, it is also proposed as a source of electron emission a photo-injector. A photo-injector has a photocathode and a light source. The light source is a high power pulsed laser source emitting ultraviolet radiation. For example, the laser source is an excimer laser capable of emitting pulses less than 100 picoseconds (ps). The laser source is capable of extracting electrons from a surface of the cathode by a photoelectric effect. The laser source allows a fine control of electron extraction times. By choosing the extraction times so that the electrons have a phase within a preferred phase range, a good quality electron beam is obtained. Nevertheless, the average electron beam flux with an electron gun equipped with a photo-injector is much lower than the flux of the electron beam obtained with an electron gun provided with a thermionic emission cathode. In addition, the implementation of the cathode of a photo-injector is performed in a controlled environment, which complicates the maintenance of the cathode. In addition, the use of a photo-injector has the disadvantage of being expensive because of the light source. There is therefore a need for an electron emission source having an improved emittance compared to the state of the art while ensuring a significant average electron beam flow. For this purpose, there is provided an electron emission source comprising a cathode, anode, the anode facing the cathode. The source also includes a cavity delimited by the anode and the cathode. The source also includes a first voltage source for establishing a potential difference between the cathode and the anode. The cathode is adapted to emit electrons within the cavity when the first source establishes a potential difference between the cathode and the anode. The source also comprises a grid positioned in the cavity, the gate being interposed between the cathode and the anode. The source also comprises a voltage supply of the gate, the gate being adapted to interrupt the emission of electrons inside the cavity when the potential difference between the cathode and the gate is greater than a threshold value. The gate and the cathode are arranged relative to one another so that the gate passes all the electrons emitted by the cathode when the potential difference between the cathode and the gate is less than the threshold value and that the first source establishes a potential difference between the cathode and the anode. According to particular embodiments, the source comprises one or more of the following characteristics, taken separately or in any technically possible combination: the distance between the gate and the cathode is less than 100 μm. the cathode is adapted to emit electrons in a plurality of emission zones. - The grid is a plate with a plurality of openings placed so that each emission zone is facing at least one opening of the plurality of openings. each emission zone is opposite a respective opening. the emission zones are cavities practiced in the cathode. the emission zones comprise nanotubes adapted to emit an electron beam.
L'invention concerne également un canon à électrons radiofréquence comprenant une source d'émission d'électrons telle que précédemment décrite. Suivant des modes de réalisation particuliers, le canon à électrons radiofréquence comprend une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou suivant toutes les combinaisons techniquement possibles : - le canon à électron comprend, en outre, un système de contrôle du profil temporel de vitesses du faisceau d'électrons émis par la source. - le système comporte une première source d'ondes radiofréquences propre à émettre une première onde radiofréquence à une première fréquence, une deuxième source d'ondes radiofréquences propre à émettre une deuxième onde radiofréquence à une deuxième fréquence, la deuxième fréquence étant multiple de la première fréquence, la deuxième source d'ondes radiofréquences comportant une unité de contrôle de l'intensité de la deuxième onde radiofréquence, et une cavité radiofréquence conformée pour être en résonance avec une onde à la première fréquence et une onde à la deuxième fréquence. - le canon à électrons comprend, en outre, un espace de glissement placé en sortie du système de contrôle. - le canon à électrons comporte, en outre, un espace de post-accélération placé en sortie du système de contrôle. D'autres caractéristiques et avantages apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit de modes de réalisation de l'invention, donnés à titre d'exemple uniquement et en référence aux figures qui sont : - figure 1, une vue schématique d'un canon à électrons radiofréquence selon l'invention, - figure 2, une vue schématique de côté d'une section d'une source d'émission d'électrons selon l'invention, et - figure 3, une vue schématique d'une partie de la source d'émission d'électrons selon la direction III-Ill. Le canon 10 à électrons radiofréquence illustré sur la figure 1 est propre à émettre des électrons groupés en impulsions courtes.The invention also relates to a radiofrequency electron gun comprising an electron emission source as previously described. According to particular embodiments, the radiofrequency electron gun comprises one or more of the following characteristics, taken individually or in any technically possible combination: the electron gun further comprises a system for controlling the temporal profile of electron beam velocities emitted by the source. the system comprises a first radiofrequency wave source adapted to emit a first radio frequency wave at a first frequency, a second radiofrequency wave source capable of emitting a second radio frequency wave at a second frequency, the second frequency being a multiple of the first frequency; frequency, the second radiofrequency wave source comprising a unit for controlling the intensity of the second radiofrequency wave, and a radiofrequency cavity shaped to resonate with a wave at the first frequency and a wave at the second frequency. the electron gun further comprises a sliding space placed at the output of the control system. the electron gun further comprises a post-acceleration space placed at the output of the control system. Other characteristics and advantages will appear on reading the following detailed description of embodiments of the invention, given by way of example only and with reference to the figures which are: FIG. 1, a schematic view of a radiofrequency electron gun according to the invention, - Figure 2, a schematic side view of a section of an electron emission source according to the invention, and - Figure 3, a schematic view of a part of the electron emission source according to the direction III-III. The radiofrequency electron gun 10 illustrated in FIG. 1 is capable of emitting electrons grouped into short pulses.
Le canon 10 à électrons comprend une source 12 d'émission d'électrons propre à émettre un faisceau d'électrons. Le canon 10 comprend également un système de contrôle 14 du profil temporel de vitesses du faisceau d'électrons émis par la source 12 et un espace de glissement 16 placé en sortie du système de contrôle 14. Il est entendu par l'expression « profil temporel de vitesses », la répartition des vitesses des électrons en fonction du temps ou de la phase. Le système 14 de contrôle du profil de vitesses d'un faisceau d'électron comprend un découpeur 40 du faisceau émis par la source 12, placé en amont de la source 12. Le découpeur 40 est propre à interrompre le faisceau d'électrons entre un instant de fermeture et un instant d'ouverture.The electron gun 10 comprises an electron emission source 12 capable of emitting an electron beam. The barrel 10 also comprises a control system 14 of the electron beam velocity temporal profile emitted by the source 12 and a sliding space 16 placed at the output of the control system 14. It is understood by the expression "temporal profile velocity ", the distribution of electron velocities as a function of time or phase. The control system 14 for controlling the velocity profile of an electron beam comprises a cutter 40 of the beam emitted by the source 12, placed upstream of the source 12. The chopper 40 is capable of interrupting the electron beam between a moment of closure and a moment of opening.
Selon l'exemple présenté, le découpeur 40 est réglable, ce qui signifie que les instants de fermeture et d'ouverture sont réglables. Le découpeur 40 permet de découper le faisceau d'électrons par tranche d'une ou plusieurs centaines de picosecondes. Le système 14 de contrôle du profil de vitesses d'un faisceau d'électron comprend également une première source 50 d'ondes radiofréquences, une deuxième source 52 d'ondes radiofréquences et une cavité 54 radiofréquence. La première source 50 d'ondes radiofréquences est propre à émettre une onde radiofréquence à une première fréquence notée F1. Une onde radiofréquence est une onde ayant une fréquence supérieure à quelques dizaines de Hertz (kHz) et inférieure à 100 gigahertz (GHz) [La deuxième source 52 d'ondes radiofréquences est propre à émettre une onde radiofréquence à une deuxième fréquence F2. La deuxième fréquence F2 est un multiple de la première fréquence F1. Mathématiquement, cette relation s'écrit F2 = k x F1, où : - x est le signe de la multiplication, - k est un nombre entier strictement supérieur à 1. La deuxième source 52 d'ondes radiofréquences comprend une unité 56 de contrôle de l'intensité de l'onde radiofréquence issue de la deuxième source 52 d'ondes radiofréquence et une unité 58 de contrôle de la phase de l'onde radiofréquence que la deuxième source 52 d'ondes radiofréquences est propre à émettre.According to the example presented, the cutter 40 is adjustable, which means that the closing and opening times are adjustable. The chopper 40 makes it possible to cut the electron beam by a slice of one or several hundred picoseconds. The electronic beam velocity profile control system 14 also includes a first radiofrequency wave source 50, a second radiofrequency wave source 52 and a radiofrequency cavity 54. The first radiofrequency wave source 50 is able to emit a radiofrequency wave at a first frequency denoted F1. A radiofrequency wave is a wave having a frequency greater than a few tens of Hertz (kHz) and less than 100 gigahertz (GHz) [The second source 52 of radiofrequency waves is adapted to emit a radio frequency wave at a second frequency F2. The second frequency F2 is a multiple of the first frequency F1. Mathematically, this relation is written F2 = kx F1, where: - x is the sign of the multiplication, - k is an integer strictly greater than 1. The second source 52 of radiofrequency waves comprises a control unit 56 intensity of the radiofrequency wave coming from the second radiofrequency wave source 52 and a radiofrequency phase control unit 58 that the second radiofrequency wave source 52 is capable of emitting.
La cavité 54 radiofréquence comprend deux entrées d'excitation 60 et 62. La cavité 54 comporte également une entrée d'injection 64 et une sortie 66 pour les électrons. La première entrée d'excitation 60 est reliée à la première source 50 d'ondes radiofréquences. La deuxième entrée d'excitation 62 est reliée à la deuxième source 52 d'ondes radiofréquences. L'entrée d'injection 64 est reliée à la sortie de la source d'émission d'électrons 12. En sortie, la cavité 54 est reliée via sa sortie 66 à l'espace de groupement 16. La cavité 54 radiofréquence est conformée pour que la cavité 54 résonne en présence d'une onde radiofréquence à la première fréquence F1. En outre, la cavité 54 radiofréquence est également conformée pour que la cavité 54 résonne en présence d'une onde à la deuxième fréquence F2. Les deux fréquences (première fréquence F1 et deuxième fréquence F2) sont ainsi des fréquences de résonances de la cavité 54 radiofréquences.The radiofrequency cavity 54 comprises two excitation inputs 60 and 62. The cavity 54 also comprises an injection inlet 64 and an output 66 for the electrons. The first excitation input 60 is connected to the first radiofrequency wave source 50. The second excitation input 62 is connected to the second source 52 of radiofrequency waves. The injection inlet 64 is connected to the output of the electron emission source 12. At the output, the cavity 54 is connected via its output 66 to the grouping space 16. The radiofrequency cavity 54 is shaped to the cavity 54 resonates in the presence of a radiofrequency wave at the first frequency F1. In addition, the radiofrequency cavity 54 is also shaped so that the cavity 54 resonates in the presence of a wave at the second frequency F2. The two frequencies (first frequency F1 and second frequency F2) are thus frequencies of resonances of the cavity 54 radiofrequency.
L'espace de glissement 16 selon l'exemple de la figure 1, est un espace qui permet la compression du faisceau d'électrons. L'espace de groupement 16 est un espace dans lequel le potentiel de tension est nul. En variante, l'espace de groupement 16 est remplacé par un espace de post-accélération. Un espace de post-accélération est un espace dans lequel le potentiel de tension est non nul. Le fonctionnement du canon 10 est maintenant décrit. La source 12 émet un faisceau d'électrons vers le système de contrôle 14. Le système de contrôle 14 est alors adapté à mettre en oeuvre un procédé de contrôle du profil temporel de vitesses à partir du faisceau d'électrons généré par la source 12. Le procédé comporte une étape de fourniture d'une première onde radiofréquence notée RF1 à la première fréquence F1. La première onde RF1 a une première intensité notée 11 et une première phase notée (p1. La première onde RF1 est fournie par la première source 50 d'ondes radiofréquences. Le procédé comporte une étape de détermination de différentes caractéristiques à imposer à certains éléments du système de contrôle 14 pour qu'en sortie de la cavité 54 radiofréquence, le faisceau d'électrons obtenu ait un profil de vitesses désiré. Par exemple, à l'étape de détermination, il est déterminé la deuxième intensité 12 d'une deuxième onde radiofréquence RF2 à la deuxième fréquence F2.The sliding space 16 according to the example of Figure 1, is a space that allows the compression of the electron beam. The grouping space 16 is a space in which the voltage potential is zero. In a variant, the grouping space 16 is replaced by a post-acceleration space. A post-acceleration space is a space in which the voltage potential is non-zero. The operation of the barrel 10 is now described. The source 12 emits an electron beam towards the control system 14. The control system 14 is then adapted to implement a method of controlling the velocity temporal profile from the electron beam generated by the source 12. The method comprises a step of providing a first radio frequency wave denoted RF1 at the first frequency F1. The first RF1 wave has a first intensity denoted 11 and a first phase noted (p1.) The first RF1 wave is provided by the first radiofrequency wave source 50. The method includes a step of determining different characteristics to be imposed on certain elements of the RF1. control system 14 so that at the output of the cavity 54 radiofrequency, the electron beam obtained has a desired velocity profile.For example, in the determination step, it is determined the second intensity 12 of a second wave radio frequency RF2 at the second frequency F2.
En option, il est également déterminé la deuxième phase (p2 de la deuxième onde radiofréquence RF2 à la deuxième fréquence F2. Pour mettre en oeuvre l'étape de détermination, selon un mode de réalisation, le profil de vitesses désiré en sortie de la cavité 54 radiofréquence est décomposé en deux composantes. La première composante est liée à l'interaction entre le faisceau d'électrons et la première onde radiofréquence. La deuxième composante est liée à l'interaction entre le faisceau d'électrons et la deuxième onde radiofréquence. La deuxième composante permet de déduire les caractéristiques mentionnées précédemment comme la deuxième intensité 12 ou la deuxième phase (p2.Optionally, it is also determined the second phase (P2 of the second radio frequency RF2 at the second frequency F2.) To implement the determination step, according to one embodiment, the desired velocity profile at the exit of the cavity. The first component is related to the interaction between the electron beam and the first radiofrequency wave.The second component is related to the interaction between the electron beam and the second radiofrequency wave. The second component makes it possible to deduce the characteristics mentioned previously as the second intensity 12 or the second phase (p2.
Par exemple, si le profil de vitesses souhaité est parabolique croissant, il est déterminé que l'intensité 12 de la deuxième onde radiofréquence est égale à 0,22 fois l'intensité 11 de la première onde et que le déphasage Acp= (p2 - (p1 entre la deuxième onde radiofréquence RF2 et la première onde radiofréquence RF1 est égal à 1200 . Le procédé comporte une étape d'émission la deuxième onde radiofréquence RF2 déterminée. L'étape d'émission est mise en oeuvre en contrôlant l'unité de contrôle 56 de l'intensité et l'unité de contrôle 58 de la phase de la deuxième source 52 d'ondes radiofréquences. Cette deuxième onde radiofréquence RF2 est injectée dans la cavité 54 via la deuxième entrée d'excitation 62.For example, if the desired velocity profile is parabolic increasing, it is determined that the intensity 12 of the second radiofrequency wave is equal to 0.22 times the intensity 11 of the first wave and that the phase shift Acp = (p2 - (p1 between the second radiofrequency wave RF2 and the first radiofrequency wave RF1 is equal to 1200. The method comprises a step of transmitting the second radio frequency wave RF2 determined.The emission step is implemented by controlling the radio frequency unit. control 56 of the intensity and the control unit 58 of the phase of the second radiofrequency wave source 52. This second radiofrequency wave RF2 is injected into the cavity 54 via the second excitation input 62.
Le faisceau d'électrons obtenu présente alors le profil temporel de vitesses désiré en sortie 66. Ce profil de vitesse prend en compte les décalages temporel et de vitesse entre les électrons pour que les électrons les plus lents, mais partis en avance de phase, rattrapent les électrons plus rapides partis plus tard. Ce mécanisme de compression est effectué dans l'espace de glissement 16 dont la longueur est ajustée pour que le regroupement soit optimal en sa sortie. Ce faisceau d'électrons se regroupe dans l'espace de glissement 16. Le procédé proposé permet donc de contrôler le profil temporel de vitesses d'un faisceau d'électrons émis par la source 12 et de regrouper en sortie de l'espace de glissement 16 les électrons.The electron beam obtained then has the desired velocity temporal profile at the output 66. This velocity profile takes into account the temporal and velocity shifts between the electrons so that the slowest electrons, but departing in phase advance, catch up with each other. the faster electrons gone later. This compression mechanism is performed in the sliding space 16 whose length is adjusted so that the grouping is optimal at its output. This electron beam is grouped in the sliding space 16. The proposed method therefore makes it possible to control the temporal velocity profile of an electron beam emitted by the source 12 and to group the output of the sliding space 16 the electrons.
Cela permet en particulier d'obtenir un faisceau électronique présentant une meilleure émittance parce que le profil de vitesses est contrôlable et permet de produire un champ accélérateur dès la sortie du canon 10 pour conduire les électrons à des vitesses relativistes à partir desquelles la dégradation d'émittance devient négligeable. En outre, le procédé s'applique indépendamment de la source 12 d'électrons considérée, ce qui permet d'envisager de l'ajouter sur tout type de source.This makes it possible in particular to obtain an electron beam exhibiting better emittance because the velocity profile is controllable and makes it possible to produce an accelerating field as soon as the output of the barrel 10 to conduct the electrons at relativistic speeds from which the degradation of Emittance becomes negligible. In addition, the method applies independently of the electron source 12 considered, which allows to consider adding it on any type of source.
Le canon 10 à électrons présente une émittance améliorée par rapport à l'état de la technique tout en garantissant un flux moyen de faisceau électronique important. Cet ajout est particulièrement avantageux dans le cas de la source 12 présentée à la figure 2.The electron gun 10 has an improved emittance compared to the state of the art while ensuring a significant average electron beam flow. This addition is particularly advantageous in the case of the source 12 shown in FIG.
La source d'émission d'électrons 12 comporte une anode 218, une cathode 220, une grille 222 et une première source de tension 224 et une alimentation 226 de la grille 222. Seule une partie de la cathode 220 est représentée sur la figure 2. La cathode 220 comporte un support 228 comprenant une surface extérieure 230.The electron emission source 12 comprises an anode 218, a cathode 220, a gate 222 and a first voltage source 224 and a supply 226 of the gate 222. Only a portion of the cathode 220 is shown in FIG. The cathode 220 comprises a support 228 comprising an outer surface 230.
La surface extérieure 230 s'étend suivant une direction parallèle à un axe Y. Un axe X est défini comme étant un axe perpendiculaire à l'axe Y dans le plan de la figure 2. Un axe Z est également défini comme étant un axe perpendiculaire aux deux axes X et Y. Dans une autre variante, la surface extérieure 230 a un profil concave permettant une meilleure concentration spatiale du faisceau d'électrons.The outer surface 230 extends in a direction parallel to a Y axis. An X axis is defined as being an axis perpendicular to the Y axis in the plane of Fig. 2. A Z axis is also defined as a perpendicular axis to the two axes X and Y. In another variant, the outer surface 230 has a concave profile allowing a better spatial concentration of the electron beam.
La cathode 220 comporte des zones d'émission 232 et une zone de support 234 de la grille 222. Dix zones d'émission 232 sont représentées sur la figure 3. Les zones d'émission 232 sont des zones propres à l'émission de faisceau d'électrons. Selon l'exemple de la figure 2, les zones d'émission 232 sont des cavités pratiquées dans le support 228. Ces cavités sont cylindriques. Les zones d'émission 232 ont une extension selon une direction parallèle à l'axe X inférieure à 1 pm. Les zones d'émission 232 ont un diamètre inférieure à 2 pm, de préférence égal à 1 pm. Les zones d'émission 232 comportent des nanotubes 236. Dans le cas des figures 2 et 3, chaque zone d'émission 232 comprend quatre nanotubes 236. Les nanotubes 236 sont des cylindres de diamètre inférieur à cent nanomètres.The cathode 220 comprises emission zones 232 and a support zone 234 of the gate 222. Ten emission zones 232 are shown in FIG. 3. The emission zones 232 are zones specific to the beam emission. electron. According to the example of FIG. 2, the emission zones 232 are cavities formed in the support 228. These cavities are cylindrical. The emission zones 232 have an extension in a direction parallel to the X axis less than 1 μm. The emission zones 232 have a diameter less than 2 μm, preferably equal to 1 μm. The emission zones 232 comprise nanotubes 236. In the case of FIGS. 2 and 3, each emission zone 232 comprises four nanotubes 236. The nanotubes 236 are cylinders with a diameter of less than one hundred nanometers.
Les nanotubes 236 s'étendent suivant la direction X. Les nanotubes 236 de la cathode 220 sont dans un matériau propre à émettre des électrons sous l'effet d'un champ électrique (rayonnement par effet de champ), tout en ayant une bonne conductivité, comme du cuivre ou du carbone pyrolytique. Dans l'exemple illustré, chaque zone d'émission 232 est entourée par une partie de la zone de support 234.The nanotubes 236 extend in the direction X. The nanotubes 236 of the cathode 220 are in a material capable of emitting electrons under the effect of an electric field (radiation by field effect), while having good conductivity like copper or pyrolytic carbon. In the illustrated example, each transmission zone 232 is surrounded by a portion of the support zone 234.
Dans la section de la figure 2, les zones de support 234 et les zones d'émission 322 sont en alternance régulière. L'anode 218 s'étend le long de l'axe Y et fait face à la cathode 220, l'anode 218 et la cathode 220 délimitent ainsi entre elles une cavité 238.In the section of FIG. 2, the support zones 234 and the emission zones 322 are alternately regular. The anode 218 extends along the Y axis and faces the cathode 220, the anode 218 and the cathode 220 thus delimit between them a cavity 238.
L'anode 218 est de forme sensiblement cylindrique avec un espace circulaire pour laisser passer les électrons. La cathode 220 est reliée à un potentiel électrique de la source de la première source de tension 224 inférieur au potentiel électrique de la première source de tension 224 auquel est reliée l'anode 218.The anode 218 is of substantially cylindrical shape with a circular space to let the electrons pass. The cathode 220 is connected to an electrical potential of the source of the first voltage source 224 less than the electrical potential of the first voltage source 224 to which the anode 218 is connected.
La grille 222 se présente sous la forme d'une plaque 240 avec des orifices 246. La grille 222 comporte dix orifices 246. Les orifices 246 ont une forme circulaire. En variante, les orifices 246 ont une forme quelconque, par exemple octogonale, La grille 222 et la cathode 220 sont agencées l'une par rapport à l'autre de sorte qu'en présence d'une différence de potentiel entre la cathode 220 et l'anode 218, la grille 222 laisse passer l'intégralité des électrons que la cathode 220 est propre à émettre. Selon l'exemple de la figure 3, les orifices 246 ont une forme carrée entourant les zones d'émission 232. Chaque zone d'émission 232 est en regard d'un orifice de la grille 222.The gate 222 is in the form of a plate 240 with orifices 246. The gate 222 has ten orifices 246. The orifices 246 have a circular shape. Alternatively, the orifices 246 have any shape, for example octagonal, the gate 222 and the cathode 220 are arranged relative to each other so that in the presence of a potential difference between the cathode 220 and the anode 218, the gate 222 passes all the electrons that the cathode 220 is clean to emit. According to the example of FIG. 3, the orifices 246 have a square shape surrounding the emission zones 232. Each emission zone 232 is opposite an orifice of the gate 222.
Pourvu que les orifices 246 soient assez grands, il est possible que la grille 222 laisse passer l'intégralité des électrons que la cathode 220 est propre à émettre. De manière alternative, la distance entre la grille 222 et la cathode 220 est inférieure à 100 pm. Par distance entre la grille 222 et la cathode 220, selon l'exemple de la figure 2, il est entendu la distance entre la plaque 240 et la zone de support 234. Dans ce cas, pourvu que les orifices 246 aient une taille supérieure à la taille des zone d'émission 232, la grille 222 laisse passer l'intégralité des électrons que la cathode 220 est propre à émettre. Bien entendu, toute combinaison bien choisie de distance entre la grille 222 et la cathode 220 et la taille relative des orifices 246 par rapport à la taille des zone d'émission 232 permet d'assurer que la grille 222 laisse passer l'intégralité des électrons que la cathode 220 est propre à émettre. L'alimentation 226 de la grille 222 permet de contrôler le potentiel de la grille 222. La grille 222 est adaptée pour interrompre l'émission d'électrons à l'intérieur de la cavité 238 lorsque la différence de potentiel entre la cathode 220 et la grille 222 est supérieure à une valeur seuil.Provided that the orifices 246 are large enough, it is possible for the gate 222 to pass all the electrons that the cathode 220 is able to emit. Alternatively, the distance between the gate 222 and the cathode 220 is less than 100 μm. By distance between the gate 222 and the cathode 220, according to the example of FIG. 2, the distance between the plate 240 and the support zone 234 is understood. In this case, provided that the orifices 246 have a size greater than the size of the emission zone 232, the gate 222 passes all the electrons that the cathode 220 is clean to emit. Of course, any well-chosen combination of distance between the gate 222 and the cathode 220 and the relative size of the orifices 246 with respect to the size of the emission zone 232 makes it possible to ensure that the gate 222 passes all the electrons that the cathode 220 is clean to emit. The supply 226 of the gate 222 makes it possible to control the potential of the gate 222. The gate 222 is adapted to interrupt the emission of electrons inside the cavity 238 when the potential difference between the cathode 220 and the gate 222 is greater than a threshold value.
Le fonctionnement du canon 10 comprenant la source 12 est maintenant décrit. La première source de tension 224 impose une différence de potentiel entre l'anode 218 et la cathode 220. De ce fait, les zones d'émission 232, et plus particulièrement les nanotubes 236, émettent des électrons. L'alimentation 226 impose à la grille 222 un potentiel pour lequel la grille laisse passer le faisceau d'électrons émis par chaque nanotube 236. Le faisceau d'électrons émis par les nanotubes 236 est représenté schématiquement par des zones délimitées par les pointillés 300 sur la figure 2.The operation of the barrel 10 comprising the source 12 is now described. The first voltage source 224 imposes a potential difference between the anode 218 and the cathode 220. As a result, the emission zones 232, and more particularly the nanotubes 236, emit electrons. The power supply 226 imposes on the gate 222 a potential for which the gate passes the beam of electrons emitted by each nanotube 236. The electron beam emitted by the nanotubes 236 is shown schematically by zones delimited by the dotted lines 300 on Figure 2.
Il apparaît que les faisceaux d'électrons émis ne sont pas interrompus par la plaque 240 de la grille 222. Ces faisceaux d'électrons sont ensuite extraits pour être amenés dans la cavité 54. Le fonctionnement du canon 10 est alors similaire à celui qui a été décrit précédemment.It appears that the emitted electron beams are not interrupted by the plate 240 of the grid 222. These electron beams are then extracted to be brought into the cavity 54. The operation of the barrel 10 is then similar to that which has previously described.
Le canon 10 proposé permet d'obtenir un faisceau d'électrons présentant une meilleure émittance que les canons thermoïoniques. D'une part, le faisceau d'électrons n'est pas écranté ou diffracté par la grille 222, il présente une bonne émittance avant d'être traité par le système de contrôle 14. D'autre part, le canon 10 permet de contrôler le profil temporel de vitesses d'un faisceau d'électrons émis par la source 12. Bien entendu, les deux aspects sont complémentaires, il sera donc compris que une source d'électrons avec la structure de la figure 2 présente une meilleure émittance que dans l'état de la technique.The proposed gun 10 makes it possible to obtain an electron beam having a better emittance than the thermionic guns. On the one hand, the electron beam is not screened or diffracted by the gate 222, it has a good emittance before being processed by the control system 14. On the other hand, the gun 10 makes it possible to control the temporal velocity profile of an electron beam emitted by the source 12. Of course, the two aspects are complementary, it will be understood that an electron source with the structure of FIG. 2 has a better emittance than in FIG. the state of the art.
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