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Conception du dispositif expérimental pour l’étude de l’influence du champ magnétique sur le TEEY
Détermination du système de bobinage
Nous voulons générer un champ magnétique perpendiculaire à la surface de l’échantillon et uniforme dans l’environnement proche de la surface. Qui plus est, l’intensité du champ magnétique doit être la plus grande possible pour se rapprocher des cas réels. Ces choix sont guidés par un souci de représentativité en accord avec nos deux applications d’intérêt : le spatial et la fusion nucléaire contrôlée par confinement magnétique avec les réacteurs tokamaks. Les aimants dans les circulateurs et isolateurs génèrent un champ magnétique uniforme et perpendiculaire aux surfaces des ferrites avec une intensité allant jusqu’à quelques milliers de Gauss, soit de l’ordre du dixième de Tesla [123]. Dans les antennes micro-ondes placées sur les réacteurs tokamaks le champ magnétique toroïdal est perpendiculaire aux grands côtés des guides d’ondes rectangulaires et a une intensité pouvant atteindre quelques Tesla [4].
Dans un premier temps, nous nous sommes intéressés aux systèmes de bobinage permettant de générer des champs magnétiques uniformes dans l’environnement de l’échantillon. À l’aide des travaux [124], [125] nous avons extrait six systèmes de bobinage qui permettent de remplir les critères d’uniformité du champ magnétique : bobine de Helmholtz [126], bobine de Lee-Whiting [127], bobines de Merritt [128], bobine d’Alldred et Scollar [129] et bobine de Rubens [130]. À ces six systèmes s’ajoute la bobine solénoïde qui permet d’avoir une uniformité au centre du solénoïde de quelques dixièmes de pourcents. Pour une application nécessitant un faible volume de champ magnétique uniforme, les dispositifs les plus adaptés sont la bobine solénoïde, la bobine de Lee-Whiting et celle de Helmholtz. Pour obtenir un grand volume de champ magnétique uniforme, la solution optimale est d’utiliser le dispositif de Merritt à 4 bobines carrées.
Dans un second temps, nous avons comparé l’intensité magnétique que peuvent générer les systèmes de bobinage précédents. L’expression (II-1) donne la relation générale de proportionnalité entre la valeur de l’amplitude du champ magnétique au centre du système de bobinage et le nombre de spires (N), le courant dans la bobine (I) et son diamètre (d). Le coefficient de proportionnalité dépend du système de bobinage utilisé.
À diamètre de bobine d et courant I donnés, le système de bobines qui permet d’obtenir l’amplitude de champ magnétique la plus haute est donc le solénoïde qui est constitué du plus grand nombre N de spires.
L’amplitude de champ magnétique est inversement proportionnelle au diamètre de la bobine. Nous décidons donc de disposer la bobine au plus près de l’échantillon afin d’obtenir l’intensité et l’uniformité les plus grandes possibles.
Il faut alors évaluer la possibilité de placer la bobine sous vide. Lorsque l’on dispose un matériau quelconque sous vide, il peut apparaitre des phénomènes de dégazage plus ou moins marqués selon la nature du matériau et la pression résiduelle voulue. Une bobine est formée d’un fil métallique isolé par un matériau non métallique qui est généralement un polymère. Le taux de dégazage des polymères est donné par l’expression (III-2) que nous comparons au cas des métaux (III-3) [131], [132].
Le taux de dégazage des polymères est supérieur à celui des métaux non étuvés de 4 ordres de grandeur.
Cette différence s’accentue lorsque le matériau subit une montée en température, ce qui se produit lorsque le courant circule dans la bobine. Placer une bobine avec isolant polymère sous vide est donc déconseillé car les phénomènes de dégazage thermique vont altérer le vide et empêcher la mesure du rendement d’émission électronique. En effet, la pression résiduelle nécessaire au bon fonctionnement de canon à électrons ne doit pas excéder 10-6 mbar. Une solution que nous avons envisagée a été de fabriquer une bobine avec un fil de cuivre isolé par une gaine céramique. En effet les matériaux céramiques possèdent une haute densité et de faibles diamètres de grains, ce qui donne un faible taux de dégazage, voisin de celui de l’inox (III-4) [132]. Ce taux de dégazage est plus faible que celui des métaux non étuvés placés communément sous vide. L’utilisation d’un isolant céramique n’a pas pu être considérée du fait de son coût trop important.
La solution envisagée alors est l’utilisation d’une bobine constituée d’un fil de cuivre isolé avec un polymère que nous ne plaçons pas sous vide mais sous air, à l’extérieur de l’enceinte à vide. Pour obtenir la plus grande amplitude de champ magnétique possible, nous cherchons toujours à avoir un système de bobinage le plus petit possible. Pour satisfaire ces conditions, nous avons développé un système de brides permettant d’avoir une bobine de quelques dizaines de millimètres de diamètre tout en étant placée sous air. Sans ce système de brides, le diamètre de la bobine aurait dû être plus grand que le diamètre de CELESTE, soit supérieur à 300 mm.
Le système de bride rentrante
Le système de brides développé permet d’obtenir la bobine sous air tout en étant très proche de l’échantillon étudié. Le système élaboré est constitué de trois brides :
o Un raccord CF200/CF100. La particularité de ce système est que pour le CF 200, le joint cuivre est placé vers l’intérieur, du côté du tube reliant les deux brides. Ce raccord est différent de la norme des fabricants de bride.
o Un raccord CF100/CF40. Ici aussi la particularité est que pour le CF 100, le joint cuivre est placé vers l’intérieur, du côté du tube reliant les deux brides.
o La dernière bride du dispositif est une CF40 permettant le passage de trois contacts électriques tout en maintenant la tenue au vide.
La Fig. 29 représente ce dispositif de bride rentrante.
Nous retrouvons un cylindre central de 39 mm de diamètre au coeur duquel nous avons le vide, ce cylindre correspond au tube du raccord CF100/CF40. Entre ce tube et celui du raccord CF200/CF100, la bobine est à l’extérieur de l’enceinte à vide (Fig. 29). Nous comprenons ici le nom donné au système de brides, système de « bride rentrante » : les trois brides sont placées au sein de l’enceinte à vide et non pas à l’extérieur comme cela est généralement le cas. La présence d’air entre les tubes des raccords CF200/CF100 et CF100/CF40 permet ainsi de placer la bobine au plus près du vide tout en étant de petite dimension et de pouvoir la refroidir en cas de besoin.
Dans cette configuration expérimentale, le système de bobinage qui génère le champ magnétique le plus intense pour un courant et un diamètre donnés est le solénoïde multicouche. Nous avons décidé de réaliser le bobinage directement sur la partie extérieure du tube du raccord CF100/CF40 (section 3.2.4.2, page 70).
Il faut aussi concevoir un système pour la mesure de courants permettant de calculer le rendement d’émission électronique totale (TEEY, σ). Nous avons besoin de connaitre l’information du courant incident (�?) qui impacte l’échantillon ainsi que le courant « face arrière » de l’échantillon (��) (voir section 1.3.3, page 34). Le TEEY étant calculé à partir de ces deux courants avec l’expression (III-5).
Certains dispositifs expérimentaux exploités pour déterminer le TEEY utilisent aussi un collecteur pour avoir l’information sur les électrons dans l’environnement de l’échantillon irradié. Notamment nous pouvons à l’aide d’un collecteur déterminer le flux des électrons émis par l’échantillon en mesurant le courant collecteur (�?). Cela est valable si tous les électrons incidents impactent uniquement l’échantillon et que ce dernier est polarisé négativement afin d’éviter la recollection des électrons émis par l’échantillon. Sous ces conditions nous avons l’égalité (III-6) et nous pouvons calculer le TEEY avec les expressions (III-7) et (III-8).
L’utilisation d’un collecteur permet ainsi de vérifier la loi de conservation des courants [87] en s’assurant que les expressions (III-5), (III-7) et (III-8) donnent des résultats identiques. Lors du développement d’un nouveau dispositif expérimental, cela permet de valider la méthode de mesure expérimentale. Nous avons ainsi décidé de développer un système de cage de Faraday constitué d’un collecteur isolé électriquement de l’échantillon et du support qui est relié à la masse. L’échantillon étant lui aussi isolé du support. L’échantillon et le collecteur sont donc à des potentiels flottants.
Le système de cage de Faraday
Pour développer le système de cage de Faraday, nous avons utilisé le logiciel SolidWorks® (Fig. 30).
La cage de Faraday est un cylindre constitué de huit pièces distinctes. Les conditions nécessaires pour la conception de la cage de Faraday sont :
– L’échantillon doit aussi être isolé du collecteur et du support qui est relié à la masse. L’échantillon fait un diamètre de 10 mm tandis que le collecteur est un cylindre de 12 mm de diamètre intérieur. L’échantillon est posé en contact sur une rondelle électrique qui est reliée à un fil électrique isolé du support. L’échantillon et la rondelle sont isolés du support à l’aide d’une pièce céramique. Le fil électrique est relié à la bride CF40 qui est connectée à l’oscilloscope sur lequel nous mesurons le courant « face arrière » de l’échantillon (��).
– Le collecteur doit être immobile, cette stabilité est indispensable pour éviter tout contact électrique entre le collecteur et le support d’une part et entre le collecteur et l’échantillon d’autre part. Pour satisfaire cette condition, le collecteur est un cylindre avec deux anneaux plus larges qui permettent de contraindre mécaniquement le collecteur à l’aide de deux bagues céramiques et du chapeau de la cage afin que l’ensemble soit immobile. Il n’y pas de contact électrique entre le collecteur et le chapeau qui est à la masse. Le collecteur est ainsi maintenu flottant, grâce à ces bagues isolantes. Une vis métallique isolée vissée sur le collecteur et passant à travers la paroi du support via un trou de 8 mm sert de contact électrique pour la mesure du courant collecteur. La vis est isolée pour empêcher tout contact électrique avec le support. Un fil électrique relié à cette vis est connecté à la bride CF40 que nous relions à l’oscilloscope pour la mesure du courant collecteur (�?).
– Le canon à électrons est placé au-dessus de la cage de Faraday, sur le même axe de symétrie circulaire que la cage de Faraday et du collecteur. Les électrons émis par le canon à électrons entrent par le haut de la cage de Faraday, par le trou au centre du chapeau, et se propagent dans le vide au centre du collecteur jusqu’à l’échantillon.
Si des électrons impactaient le support sous l’échantillon alors leur information serait perdue car le support est relié à la masse. Pour éviter cela, une pièce a été ajoutée sur la partie inférieure du collecteur (Fig. 31) qui collecte tous les électrons qui sont émis par l’échantillon.
Le haut de la cage de Faraday et l’extrémité du canon à électrons sont placés proche l’un de l’autre pour s’assurer que les électrons incidents impactent uniquement l’échantillon, condition nécessaire pour obtenir une mesure de rendement d’émission électronique totale cohérente. En effet l’émission électronique du canon à électrons suit un cône d’émission (d’angle d’ouverture expérimental d’environ 7,4°), la surface irradiée augmente donc avec la distance au canon à électrons.
Nous avons développé ce système pour étudier les propriétés d’émission électronique de nos échantillons soumis à un champ magnétique. Il est impératif de garder le même environnement magnétique pour l’ensemble de nos mesures de courants (�?, �� ?? �?). Avec ces systèmes de cage de Faraday et de bride rentrante, aucun changement géométrique n’est nécessaire lors des mesures de courants. Pour mesurer le courant incident (�?), nous polarisons positivement l’échantillon et le collecteur à +18 V et nous réaliserons un court-circuit en reliant le fil électrique du collecteur à celui de l’échantillon (Fig. 32). La mesure du courant échantillon et collecteur se fait en même temps, nous polarisons le collecteur à +18 V tandis que l’échantillon est polarisée à -9 V pour éviter les électrons secondaires de faibles énergies ne soient récoltés par l’échantillon.
Avec ces systèmes de bride rentrante et de cage de Faraday, nous pouvons obtenir un champ magnétique uniforme et perpendiculaire à la surface de l’échantillon irradié. Nous respectons alors les conditions réelles d’utilisation des systèmes RF hautes puissances dans le spatial et la fusion nucléaire contrôlée. Pour cela il faut fabriquer la bobine précisément à hauteur de l’échantillon de manière à ce que le centre de la bobine solénoïde corresponde au centre de la surface de l’échantillon.
La bobine solénoïde cuivre
Optimisation des dimensions de la bobine solénoïde multicouches
Nous l’avons vu précédemment, la bobine solénoïde multicouches est placée sous air et directement sur la partie extérieure du tube du raccord CF100/CF40. Avant de la fabriquer, il faut optimiser sa géométrie.
Pour cela, nous utilisons trois méthodes de calcul du champ magnétique dont deux logiciels : ANSYS Maxwell [54] (logiciel commercial, disponible à l’IRFM) et FEMM (logiciel libre) [133]. La troisième méthode se base sur l’utilisation de formules théoriques obtenues de la formule de Biot et Savart qui sont explicitées en annexe (voir annexe 0, page 127). Cette dernière méthode nous permet de calculer l’amplitude du champ magnétique au centre d’un solénoïde de spires multicouche. ANSYS Maxwell et FEMM permettent de modéliser le champ magnétique dans un domaine 3D. L’intérêt de ces deux méthodes est d’obtenir les cartes de champ magnétique dans l’ensemble du domaine d’étude.
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Table des matières
INTRODUCTION
CHAPITRE I. ÉTUDE BIBLIOGRAPHIQUE ET ETAT DE L’ART
1.1. La problématique des décharges électroniques sous vide et du champ magnétique
1.1.1. La fusion nucléaire contrôlée par confinement magnétique
1.1.2. Le spatial
1.2. Présentation de l’effet Multipactor
1.2.1. L’histoire des études de l’effet multipactor
1.2.2. Théorie de l’effet multipactor
1.2.3. Méthodes de détermination du seuil multipactor
1.3. Physique et propriétés de l’émission électronique sous impact d’électrons
1.3.1. Physique de l’interaction électron-matière
1.3.2. Principaux paramètres influençant l’émission électronique
1.3.3. Méthodes expérimentales pour déterminer le TEEY
1.3.4. Modèles d’émission électronique
CHAPITRE II. ÉTUDE DE SENSIBILITE DE SEUIL MULTIPACTOR AU TEEY ET AUX MODELES TEEY
2.1. Introduction
2.2. Définition des courbes TEEY de référence
2.3. Étude de sensibilité de la puissance seuil multipactor au TEEY
2.4. Étude de la précision des modèles TEEY sur la puissance seuil multipactor
CHAPITRE III. DEVELOPPEMENT D’UN DISPOSITIF EXPERIMENTAL POUR L’ETUDE DE L’INFLUENCE DU CHAMP MAGNETIQUE SUR LE TEEY
3.1. Introduction
3.2. Conception du dispositif expérimental pour l’étude de l’influence du champ magnétique sur le TEEY
3.2.1. Détermination du système de bobinage
3.2.2. Le système de bride rentrante
3.2.3. Le système de cage de Faraday
3.2.4. La bobine solénoïde cuivre
3.2.5. Mise en place des nouveaux dispositifs expérimentaux
3.3. Calibration du dispositif expérimental et protocole expérimental
3.3.1. Mesures des courants I0, Ie et Ic en régime continu
3.3.2. Interprétation de la méthode de mesure sous champ magnétique
CHAPITRE IV. ETUDE DE L’INFLUENCE DU CHAMP MAGNETIQUE SUR LES PROPRIETES D’EMISSION ELECTRONIQUE DU CUIVRE
4.1. Introduction
4.2. Mesures TEEY en régime pulsé sur des échantillons en présence de champ magnétique
4.2.1. Description du protocole expérimental
4.2.2. Étude d’un échantillon technique, nommé N.
4.2.3. Étude d’un échantillon poli mécaniquement, nommé J.
4.2.4. Étude d’un échantillon poli par traitement électrochimique, nommé CERN P2.3.
4.3. Analyses de l‘influence du champ magnétique sur le TEEY
4.3.1. Libre parcours moyen de l’électron dans le matériau et champ magnétique
4.3.2. Comparaison des morphologies de surface des échantillons N, J et CERN P2.3
4.3.3. Synthèse et analyses des mesures en présence de champ magnétique
4.4. Conséquence de la présence du champ magnétique sur l’effet multipactor
CONCLUSION ET PERSPECTIVES
ANNEXES
A.1. Analyse théorique du champ magnétique au centre d’une bobine solénoïde
A.2 Résistance interne
BIBLIOGRAPHIE
TABLE DES FIGURES
TABLE DES TABLEAUX
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