Brevet FR3000290A1 — publié le 20140627

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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. REVENDICATIONS1.- Source d'émission d'électrons (12) comportant : - une cathode (220), - une anode (218), l'anode (218) faisant face à la cathode (220), - une cavité (238) délimitée par l'anode (218) et la cathode (220), - une première source de tension (224) pour établir une différence de potentiel entre la cathode (220) et l'anode (218), la cathode (220) étant adaptée pour émettre des électrons à l'intérieur de la cavité (238) lorsque la première source (224) établit une différence de potentiel entre la cathode (220) et l'anode (218), - une grille (222) positionnée dans la cavité (238), la grille (222) étant interposée entre la cathode (220) et l'anode (218), - une alimentation en tension (226) de la grille (222), la grille (222) étant 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, la source (12) d'émission d'électrons étant 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). 2.- Source selon la revendication 1, dans laquelle la distance entre la grille (222) et la cathode (220) est inférieure à 100 pm. 3.- Source selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle la cathode (220) est adaptée à émettre des électrons dans une pluralité de zones d'émission (232), la grille (222) étant une plaque (240) avec une pluralité d'ouvertures (246) placées de sorte que chaque zone d'émission (232) soit en regard d'au moins une ouverture (246) de la pluralité d'ouvertures (246). 4.- Source selon la revendication 3, dans laquelle chaque zone d'émission (232) est en regard d'une ouverture (246) respective. 5.- Source selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans laquelle la cathode (220) est adaptée à émettre des électrons dans une pluralité de zones d'émission (232), les zones d'émission (232) étant des cavités pratiquées dans la cathode (220). 6.- Source selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans laquelle la cathode (220) est adaptée à émettre des électrons dans une pluralité de zones d'émission(232), les zones d'émissions (232) comprenant des nanotubes (236) adaptés à émettre un faisceau d'électrons. 7.- Canon à électrons radiofréquence (10) comprenant une source (12) selon l'une quelconque des revendications 1 à 6. 8.- Canon à électrons selon la revendication 7, dans lequel le canon à électron (10) comprend, en outre, un système de contrôle (14) du profil temporel de vitesses du faisceau d'électrons émis par la source (12), le système (14) comportant : - une première source (50) d'ondes radiofréquences propre à émettre une première onde radiofréquence (RF1) à une première fréquence (F1), - une deuxième source (52) d'ondes radiofréquences propre à émettre une deuxième onde radiofréquence (RF2) à une deuxième fréquence (F2), la deuxième fréquence (F2) étant multiple de la première fréquence (F1), la deuxième source (52) d'ondes radiofréquences comportant une unité de contrôle de l'intensité (56) de la deuxième onde radiofréquence (RF2), et - une cavité radiofréquence (54) conformée pour être en résonance avec une onde à la première fréquence (F1) et une onde à la deuxième fréquence (F2). 9.- Canon à électrons selon la revendication 8, dans lequel le canon à électrons (10) comprend, en outre, un espace (16) de glissement placé en sortie du système de contrôle (14). 10.- Canon à électrons selon la revendication 8, dans lequel le canon à électrons (10) comporte, en outre, un espace de post-accélération placé en sortie du système de contrôle (14).25