Les filaments de tungstène constituent une solution de référence pour la conception de source d’électrons en atmosphère raréfiée. Porté à haute température, le tungstène émet un flux d’électrons stable par le phénomène d’émission thermo-ionique. La forte tenue thermique, la résistance mécanique et la fonction de travail bien caractérisée permettent une émission reproductible et contrôlable. La modélisation de l’émission par un filament est un cas éloquent de l’intérêt des modélisations multiphysiques. L’usage conjoint des équations de conservation du courant et de la chaleur permet de prédire l’échauffement par effet joule du filament et donc sa caractéristique Courant – Température. La distribution spatiale du faisceau et son optique dans le dispositif sous vide sont ensuite déterminés par la combinaison des équations de Maxwell et résolution de la dynamique des particules.
Cette étude a été commandée pour assister la conception d’une source d’électrons ayant pour objectif l’amélioration de l’allumage du plasma d’une source d’ions.
Chauffage du filament et émission
Le filament est traversé par un courant de chauffage réglable – de l’ordre de quelques ampères – qui provoque son échauffement par effet Joule. La prédiction de la température est obtenue par la résolution conjointe des équations de la chaleur et de conservation du courant sur une géométrie 3D par la méthode des éléments finis.
Une résolution précise nécessite la connaissance des propriétés électriques et thermiques, que nous avons sourcées à partir de documents de référence dans la littérature scientifique.
Lorsque le courant de chauffage est suffisamment intense, la température d’équilibre devient suffisante pour donner une émission thermo-ionique notable. La dépendance en température de l’émission est bien décrite par la relation de Richardson :
J=A·exp(W/kT)
Ainsi, à partir des paramètres du filament (épaisseur, longueur, propriété du tungstène), on parvient à prédire l’obtention d’une centaine de micro-ampères d’émission pour un courant de chauffage autour de 2A.
Optique de faisceau
Il reste maintenant à définir le faisceau d’électrons obtenu pour une émission donnée. La forme du faisceau dépend de la configuration électrostatique de l’optique en aval du filament, comme schématisé ci-contre. Dans notre cas, l’optique de faisceau consiste en un jeu de trois électrodes successives : le Wehnelt, une électrode de focalisation, et une électrode de masse.
Nous avons montré que la forme du faisceau dépend au premier ordre de deux paramètres principaux : la distance entre le sommet du filament et la sortie de la première électrode (électrode « Wehnelt »), et la différence de tension entre le filament et cette électrode, appelée tension de biais.
Conclusion
Cette étude a été commandée pour assister la conception d’une source d’électrons basée sur l’usage de filament de tungstène standard, disponible sur le marché.
Les résultats de cette étude ont été utilisés pour dimensionner l’alimentation qui délivre le courant de chauffage et calibrer l’assemblage de l’optique de faisceau.
