Canon a electrons

Canon à électrons

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Schéma d'un canon à électrons.

Le canon à électrons est un des composants essentiels d'un tube cathodique ou d'instruments comme les microscopes électroniques. Ces appareils mettent en jeu un faisceau d'électrons et le canon à électrons constitue la source en électrons de ce faisceau.

Principe général

Dans le cas d'un microscope électronique à balayage, le canon à électrons est la source du faisceau d'électrons qui viendra balayer la surface de l'échantillon. La qualité des images et la précision analytique que l'on peut obtenir avec un MEB requièrent que le spot électronique sur l'échantillon soit à la fois fin, intense et stable. Une forte intensité dans un spot le plus petit possible nécessite une source « brillante ». L'intensité ne sera stable que si l'émission de la source l'est également.

Le principe du canon à électrons est d'extraire les électrons d'un matériau conducteur (qui en est une réserve quasiment inépuisable) vers le vide où ils sont accélérés par un champ électrique. Le faisceau d'électrons ainsi obtenu est traité par la colonne électronique qui en fait une sonde fine balayée sur l'échantillon.

Il existe 2 familles de canon à électrons selon le principe utilisé pour extraire les électrons.

• L'émission thermoïonique, avec les filaments de tungstène et pointes LaB₆
• L'émission par effet de champ

Il existe également un principe intermédiaire : la source Schottky à émission de champ, de plus en plus employée.

Suivant ces distinctions et le mode de fonctionnement, les canons à électrons ont des propriétés et des caractéristiques différents. Il existe des grandeurs physiques pour les caractériser. La principale est la brillance mais la durée de vie est également très importante, ainsi que la stabilité. Le courant maximum disponible peut également être pris en considération, ainsi que la dispersion énergétique ^[1].

Brillance d'une source

On peut définir la brillance B d'une source par le rapport du courant émis par la source au produit de la surface de la source par l'angle solide. Dans le cas général, on ne sait mesurer que la surface d'une « source virtuelle » qui est la zone d'où semblent provenir les électrons. (Définition à revoir)

$B=\frac{courant~entr\acute{e}e}{(surface~de~la~source) \times (angle~solide)}$

Pour une source d'électrons dont les caractéristiques sont :

• Le diamètre de la source virtuelle d
• Le courant d'entrée I_e
• Le demi-angle d'ouverture α

l'expression de la brillance devient :

$B=\frac{I_e}{(\pi (\frac{d}{2})^2) (\pi \alpha^2)}$

Dans les systèmes optiques, la brillance, qui se mesure en A.m ^{− 2}.sr ^{− 1} (ampères par unité de surface et par angle solide), a la propriété de se conserver lorsque l'énergie d'accélération est constante. Si l'énergie varie, la brillance lui est proportionnelle. Pour obtenir un signal de détection abondant lorsque le spot sur l'échantillon est très petit, il faut que la brillance de la source soit la plus élevée possible^[2].

Émission thermoïonique : Filament de tungstène et pointes LaB₆

Article détaillé : Thermoïonique.

Des matériaux tels que le tungstène et l'hexaborure de lanthane (LaB₆) sont utilisés en raison de leur faible travail de sortie, c’est-à-dire de l'énergie nécessaire pour extraire un électron de la cathode. En pratique, cette énergie est apportée sous forme d'énergie thermique en chauffant la cathode à une température suffisamment élevée pour qu'une certaine quantité d'électrons acquière l'énergie suffisante pour franchir la barrière de potentiel qui les maintient dans le solide. Les électrons qui ont franchi cette barrière de potentiel se retrouvent dans le vide où ils sont ensuite accélérés par un champ électrique.

Dans la pratique, on peut utiliser un filament de tungstène, formé comme une épingle à cheveux, que l'on chauffe par effet Joule, comme dans une ampoule électrique. Le filament est ainsi porté à une température supérieure à 2 200 °C, typiquement 2 700 °C.

Les cathodes au LaB₆ doivent être chauffées à une température moins élevées mais la technologie de fabrication de la cathode est un peu plus compliquée car le LaB₆ ne peut pas être formé en filament. En fait, on accroche une pointe de monocristal de LaB₆ à un filament en carbone. Le cristal d'hexaborure de lanthane est porté aux alentours de 1 500 °C pour permettre l'émission d'électrons. Cette cathode nécessite un vide plus poussé que pour un filament de tungstène (de l'ordre de 10^-6 à 10^-7 Torr contre 10^-5). Les cathodes en hexaborure de Cerium (CeB₆) ont des propriétés très voisines.

Le filament de tungstène porté à une température de 2 700 °C a une brillance typique de 10⁶ A/(cm2 sr) pour une durée de vie entre 40 et 100 heures. Le diamètre de la source virtuelle est de l'ordre de 40µm

La cathode LaB₆ portée à une température de 1 500 °C a une brillance typique de 10⁷ A/(cm2 sr) pour une durée de vie entre 500 et 1000 heures. Le diamètre de la source virtuelle est de l'ordre de 15µm ^[3].

Canons à émission de champ

Le principe d'un canon à émission de champ est d'utiliser une cathode métallique en forme de pointe très fine et d'appliquer une tension de l'ordre de 2 000 à 7 000 volts entre la pointe et l'anode. On produit ainsi, par "effet de pointe", un champ électrique très intense, de l'ordre de 10⁷ V.cm^-1, à l'extrémité de la cathode. Les électrons sont alors extraits de la pointe par effet tunnel. Il existe deux types de canons à émission de champ (FEG en anglais pour Field Emission Gun):

• L'émission de champ à froid (CFE en anglais). La pointe reste à température ambiante.
• L'émission de champ assistée thermiquement (TFE en anglais). La pointe est alors portée à une température typique de 1800 °K.

Le gros avantage des canons à émission de champ est une brillance théorique qui peut être 100 fois plus importante que celle des cathodes LaB₆. Le deuxième type de canon (assisté thermiquement) est de plus en plus utilisé, car il permet pour un sacrifice en brillance très modeste de mieux maitriser la stabilité de l'émission. Le courant disponible est également plus élevé. Avec un canon à émission de champ froid, le courant disponible sur l'échantillon n'est en effet jamais supérieur à 1 nA, alors qu'avec l'assistance thermique, il peut approcher les 100 nA^[4].

Une autre grosse différence entre les canons à émission de champ et les canons thermoïoniques est que la source virtuelle est beaucoup plus petite. Cela provient du fait que toutes les trajectoires sont normales à la surface de la pointe, qui est une sphère d'environ 1 µm. Les trajectoires semblent ainsi provenir d'un point. C'est ainsi que l'on obtient des brillances très élevées (10⁹ (cm2 sr) pour les cathodes froides et (10⁸ (cm2 sr) pour les cathodes à émission de champ chauffées. Sur l'échantillon, la brillance est toujours dégradée^[3].

Le très petit diamètre de la source virtuelle nécessite moins d'étages de réduction, mais un inconvénient est que la source, moins réduite est plus sensible aux vibrations.

Comparaison des différentes propriétés des canons à électrons ^[3]

Émission thermoïonique		Émission de champ
Matériaux	Tungstène	LaB6	S-FEG	C-FEG
Brillance réduite	105	106	107	108
Température (°C)	1700 - 2400	1500	1500	ambiante
Diamètre de la pointe	50 000	10 000	100 - 200	20 - 30
Taille de la source (Nanomètre)	30 000 - 100 000	5 000 - 50 000	15-30	<5
Courant d'émission (µA)	100 - 200	50	50	10
Durée de vie (heure)	40 - 100	200 - 1 000	>1 000	>1 000
Vide minimal (Pa)	10-2	10-4	10-6	10-8
Stabilité	cellule 2	cellule 3	cellule 4	cellule 5

Notes et références

1. ↑ J.I.Goldstein et al., Scanning Electron Microscopy and X-Ray Microanalysis, Plenum press, 1992 p.25-42
2. ↑ J.I.Goldstein et al., p.29
3. ↑ ^{a , b  et c} Michael T. Postek, The Scanning Electron Microscope in Handbook of Charged Particle Optics, CRC Press, Université du Maryland, 1997
4. ↑ Selon la brochure New-Technology Scanning Electron Microscope DSM 982 Gemini de la société Karl Zeiss, 1998

Voir aussi

Articles connexes

• Tube cathodique
• Microscope électronique
• Thermoïonique

Bibliographie

• Christian Colliex, La Microscopie Électronique, 1998 [détail des éditions] 

Liens externes

• (fr) Éléments d’optique électronique, Centre d'élaboration de matériaux et d'études structurales, CNRS.
• (fr) Le canon à électrons, laboratoire LSPES de l'Université Lille I - CNRS.

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