Électron - Définition

Applications du plasma

Faisceaux de particules

Les faisceaux d'électrons sont utilisés pour le soudage, qui permet des densités d'énergie jusqu'à 10⁷ W/cm² sur une tache étroite de 0,1 à 1,3 mm, et ce d'habitude sans métal d'apport. Cette technique de soudage doit être utilisée dans le vide pour éviter la diffusion du faisceau par le gaz avant son arrivée sur la cible. Elle peut aussi être utilisée pour souder des métaux très bons conducteurs de la chaleur, que l'on ne saurait pas souder autrement.

La lithographie à faisceau d'électrons est une méthode de gravure pour les semiconducteurs à une finesse meilleure que le micron. Cette technique est limitée par son coût élevé, sa lenteur, la nécessité de travailler sous vide et la tendance des électrons à diffuser dans le solide. Le dernier problème limite la finesse à environ 10 nm. Pour cette raison la lithographie par faisceau d'électrons est utilisée principalement pour la production d'un petit nombre de circuits intégrés spécialisés.

Le traitement par faisceau d'électrons est utilisé pour l'irradiation des matériaux pour changer leurs propriétés physiques ou stériliser des produits à usage médical ou alimentaire. En radiothérapie, on fait des faisceaux d'électrons avec des accélérateurs linéaires pour le traitement des tumeurs superficielles. Comme un faisceau d'électrons ne pénètre qu'à une profondeur limitée avant d'être absorbé, typiquement 5 cm pour des électrons dans la gamme de 5 à 20 MeV, la thérapie par faisceaux d'électrons est utile pour traiter des lésions de la peau comme le carcinome basocellulaire. Un faisceau d'électrons peut être utilisé pour compléter le traitement de zones qui ont été irradiées aux rayons X.

Les accélérateurs de particules utilisent des champs électriques pour propulser les électrons et les positrons à haute énergie. Quand ces particules passent à travers des champs magnétiques, elles émettent un rayonnement synchrotron, qui peut être utilisé à des fins diverses.

L'intensité de ce rayonnement dépend du spin, ce qui provoque une polarisation du faisceau d'électrons – un processus nommé effet Sokolov-Ternov (en). Les faisceaux d'électrons polarisés peuvent être utiles pour diverses expériences, notamment celles qui ont trait aux propriétés liées au spin.

Le rayonnement synchrotron peut aussi être utilisé pour ce que l'on appelle le « refroidissement » des faisceaux d'électrons, c'est à dire pour diminuer les écarts moyens entre leurs énergies. (Cette expression est utilisée par analogie avec la définition de la température thermodynamique, par l'étalement moyen des énergies des constituants du système).

Microscopie

La diffraction d'électrons de basse énergie est une méthode de bombardement d'un cristal avec un faisceau collimaté d'électrons, avec observation des structures de diffraction afin de déterminer la structure du cristal. L'énergie nécessaire pour les électrons est typiquement de l'ordre de 20 à 200 eV. La technique RHEED utilise la réflexion d'un faisceau d'électrons, à angles faibles avec la surface, pour caractériser la surface de matériaux cristallins. L'énergie de faisceau est typiquement dans la gamme de 8 à 20 keV, et l'angle d'incidence entre 1 et 4°.

En lumière bleue, les microscopes optiques ont une résolution limitée par la diffraction d'environ 200 nm. Par comparaison, les microscopes électroniques sont limités par la longueur d'onde de de Broglie de l'électron. Cette longueur d'onde, par exemple est 0,0037 nm pour des électrons accélérés par un potentiel de 100 000 V.

Le microscope électronique dirige un faisceau d'électrons focalisé sur un spécimen. Pendant les interactions des électrons avec le spécimen, certains électrons changent de propriétés, comme leur direction de vol, leur angle, leur phase relative ou leur énergie. En enregistrant ces changements du faisceau, les microscopistes peuvent produire des images du spécimen à la résolution atomique.

Il y a deux types principaux de microscopes électroniques : en transmission et à balayage.

Le microscope électronique en transmission fonctionne avec un faisceau d'électrons passant à travers une couche de matière, puis projeté agrandi sur un récepteur. L'aspect ondulatoire des électrons est largement utilisé au XXI^e siècle dans certains modes d'utilisation. Corrigé d'aberrations, il est capable d'une résolution inférieure à 0,05 nm, ce qui suffit largement à résoudre des atomes individuels.

Dans les microscopes à balayage, l'image est produite en balayant le spécimen avec un faisceau d'électrons focalisé finement, comme dans une télévision.

Les grandissements vont de 100 fois à 1 000 000 de fois ou plus, pour les deux types de microscopes. Cette capacité fait du microscope électronique un instrument de laboratoire utile pour l'imagerie à haute résolution. Cependant les microscopes électroniques sont des instruments chers, tant à l'achat qu'à l'entretien.

La microsonde de Castaing est une forme de microscope électronique à balayage, où l'on s'intéresse aux rayons X émis par l'échantillon sous l'impact du faisceau d'électrons. Une analyse spectrométrique de ce rayonnement permet de tracer une carte microscopique des concentrations d'éléments présents dans l'échantillon.

Le microscope à effet tunnel utilise l'effet tunnel des électrons entre une pointe de métal aiguë et le spécimen, et peut produire des images de sa surface avec la résolution d'un atome.

Autres applications

Le laser à électrons libres émet un rayonnement électromagnétique cohérent de haute brillance dans un grand domaine de fréquences, des micro-ondes aux rayons X mous.

Les électrons sont au cœur des tubes à rayons cathodiques, que l'on a très largement utilisés comme systèmes de visualisation dans les instruments de laboratoire, les écrans d'ordinateur et les postes de télévision.

Dans un tube photomultiplicateur, chaque photon absorbé par la photocathode déclenche une avalanche d'électrons qui produit une impulsion de courant détectable.

Les tubes électroniques utilisaient le courant d'électrons pour manipuler des signaux électriques, et ils ont joué un rôle critique dans le développement de la technologie de l'électronique. Ils ont maintenant été largement supplantés par les dispositifs à semi-conducteurs, tels que les transistors.

Les capteurs photographiques utilisent l’effet photoélectrique : les photons incidents produisent des électrons libres au sein d’une matrice de détecteurs qui sont par la suite comptés lors de la lecture du capteur. Les applications en imagerie sont diverses (astronomie, observation militaire, photographie, cinématographie) dans des gammes de longueur d’onde allant de l’ultraviolet à l’infrarouge. Leur rendement et leur versatilité font qu’ils ont supplanté la plupart des usages de la pellicule photographique.