surface, la résultante de la barrière modifiée et de son puits de potentiel (Figure VI-3-1) est telle qu'un électron peut passer par effet tunnel de la bande de valence de l'atome vers le métal, l'ion résultant étant accéléré par le champ appliqué.
Si le champ est très élevé, toute particule proche de la pointe ou passant à proximité est ionisée. Ce processus est l'émission de champ d'ions monochargés. Sur la figure VI-3-2 sont indiqués d'autres effets d'un champ fort : émission d'agrégats (clusters) mono ou multichargés, émission de neutres (évaporation de champ), post-multi-ionisation. Si S est la surface apparente active de la pointe, on peut exprimer le nombre d'ions
Figure VI-3-1
kTM 2 P S N π = +
Les courants obtenus sont faibles (≈ µA /mbar) mais la brillance est très élevée (>107A cm. −2.srd−1) ce qui rend très attractives les sources basées sur ce type d'ionisation pour des applications fines (analyse de surface, microlithographie).
VI-4 LA PHOTOIONISATION
C'est l'éjection d'un électron lié par un photon. L'énergie hν de ce dernier doit être telle que :
h I
I
A ν≥ → λo ≤
12345
Notons que la photoionisation peut être précédée d'une photoexcitation à seuil plus bas. Si le flux photonique est très important, il peut y avoir une multi-photoionisation par absorption de plusieurs photons d’énergie inférieure au seuil.
L'avénement des lasers puissants accordables a permis le développement de ce mode d'ionisation. Un exemple de la variation de la probabilité d'ionisation en fonction de l'énergie photonique est donné sur la figure VI-4-1. Juste après le seuil, elle décroît, ce qui est différent de l'ionisation par bombardement. A noter que les sections efficaces sont très faibles. La possibilité d'ioniser par étapes, c'est-à-dire de produire l'ion en excitant l'atome par une ou plusieurs radiations, correspond exactement à des changements précis de niveaux dans l'atome (photoexcitation résonante) et, en ionisant l'atome excité par une autre radiation permet d'ioniser sélectivement un isotope déterminé d'un corps ou un degré précis d'agrégat. Cette sélectivité est l'intérêt principal de cette voie d'ionisation.
VI-5 L'ECHANGE DE CHARGE
Quand un ion énergique passe à travers la matière, plusieurs processus peuvent intervenir en fontion de la vitesse de l'ion et de la densité de la matière traversée. A faible vitesse, il peut y avoir neutralisation de l'ion positif ou sa conversion en ion négatif. La figure VI-5-1 montre ce qu'il advient d'un faisceau de H+ de 100 mA passant dans différents gaz en se neutralisant ou en donnant des H-. On voit qu'il y a une forte neutralisation en deçà de 20 keV, énergie qui correspond au maximum de production de H-. La figure VI-5-2 montre que la production d'ions négatifs est fortement augmentée (de 3% → 40% ) au passage à travers des vapeurs d'alcalins ou d'alcalino-terreux qui sont donneurs d'électrons (importance particulière du césium qui est très volatil). La neutralisation des ions négatifs intervient à des énergies plus élevées (Figure VI-5-3), c'est la raison du développement très important des sources très intenses de H- et D- dont les faisceaux neutralisés à haute énergie permettent le chauffage des plasmas de Tokamaks.
A plus forte énergie, et quel que soit le type d'ion, la traversée de la matière "épluche" plus ou moins l'ion de son cortège (stripping) pour le transformer en ion multichargé. La figure VI-5-4 montre la distribution de charges de l'iode à 110 MeV passant dans différents gaz. On obtient U92+ par cette voie moyennant l'utilisation d'un synchrotron de l'ampleur du Bevalac! Il est évident que l'épaisseur de matière traversée joue un rôle fondamental sur le résultat de l'échange de charges.
%Η
+? H
0keV
%Η
+? H
- Figure VI-5-1
Figure VI-5-3 Figure VI-5-4
VI-6 LA PRODUCTION D'IONS NEGATIFS PAR ATTACHEMENT
On parle aussi d'ionisation en volume ou par impact électronique : c'est la capture d'un électron par un atome. Elle est exothermique et favorisée par les corps à forte affinité électronique (halogènes). Elle intervient dans les milieux à forte densité d'électrons lents (décharges denses à basse température, donc à faible tension d'arc). Les processus les plus importants sont :
- la collision à trois corps
A + B + e → A− + B
le troisième corps intervenant pour le transfert du supplément cinétique dégagé par la réaction ;
- l'attachement dissociatif qui intervient particulièrement sur des états vibrationnels hautement excités de la molécule
AB + e → A− + B
Pour l'oxygène, la figure VI-6-1 montre les variations de la section efficace de ce processus en fonction de We (notez qu'elle est 10 fois plus faible que σ0→ +1 ). On comprend pourquoi les paramètres de décharge doivent être optimisés pour éviter tout accroissement de l'énergie des électrons.
VI-7 LES PROCESSUS DESTRUCTIFS
C'est la perte de l'ionisation. Nous ne ferons que citer les plus importants.
Pour les ions positifs :
- La recombinaison radiative
Ai+ + e → A(i− +1) + hν
Les sections efficaces sont de l'ordre de 10−21 ÷10−20cm2 pour des électrons thermiques ; elles chutent à
10−22 cm2 pour We ≈5eV. - L'échange de charges
Ai+ + B → A(i− +1) + B+
Pour des énergies inférieures à 25 keV/nucléon, la section efficace peut être représentée par la formule empirique (à 30% près) :
σi→ −i 1 =1 43 10. −12i117. I−2 76.
I étant le potentiel d'ionisation du gaz résiduel. Cette section efficace est de quatre ordres de grandeur supérieure à celle d'ionisation, et l'on comprend de ce fait la multiplication des états des ECRIS et la modestie des performances des PIG en ions multichargés.
- Les mécanismes de recombinaison diélectronique sont importants dans les plasmas chauds de faible densité (plasmas coronaux). A la suite d'une collision, un ion peut se trouver dans un état doublement excité et perdre une charge
A(i+ +1) + e → Ai+**
puis se désexciter radiativement sans auto-ionisation
Ai+** → Ai+*+hν
Pour les ions négatifs :
- Le détachement collisionnel
A− + B → A + B + e
dont la section efficace présente un maximum mou entre 400 eV et 10 keV, de valeur supérieure à 10-15 cm2 , soit environ 1000 fois celle du processus d'attachement (Figure VI-7-1).
Figure VI-7-1