Canon à électrons - Définition
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Introduction
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, 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.
Émission thermoïonique : Filament de tungstène et pointes LaB6
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 Cérium (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.cm-2.sr-1 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.cm-2.sr-1 pour une durée de vie entre 500 et 1000 heures. Le diamètre de la source virtuelle est de l'ordre de 15µm.
