HAL Id: jpa-00206967
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Rayonnement d’interaction d’un électron avec un réseau métallique (effet Smith-Purcell), rayonnement d’ondes
de plasma de surface
J.P. Bachheimer
To cite this version:
J.P. Bachheimer. Rayonnement d’interaction d’un électron avec un réseau métallique (effet Smith- Purcell), rayonnement d’ondes de plasma de surface. Journal de Physique, 1970, 31 (7), pp.665-672.
�10.1051/jphys:01970003107066500�. �jpa-00206967�
RAYONNEMENT D’INTERACTION D’UN ÉLECTRON
AVEC UN RÉSEAU MÉTALLIQUE (EFFET SMITH-PURCELL),
RAYONNEMENT D’ONDES DE PLASMA DE SURFACE
J. P. BACHHEIMER
Laboratoire de
Spectrométrie Physique,
DomaineUniversitaire, 38,
St-Martind’Hères,
France(Reçu
le 5janvier 1970,
révisé le 2avril 1970)
Résumé. 2014 Une méthode de calcul de l’effet
Smith-Purcell,
utilisant desdéveloppements
deRayleigh,
est présentée en vued’apprécier
l’influence despropriétés optiques
du métal.Appliquée
à des réseaux
échelettes,
la méthode échoue dès que laprofondeur
des sillons ou la pente des facettes devient tropgrande.
Pour des sillons très peuprofonds (quelques
dizainesd’Å)
unpic
trèsintense de rayonnement
(Al :
1 260Å,
50 keV ;Ag :
3 500Å,
30keV)
est trouvé à lafréquence
des
plasmons
de surface. Une estimation de l’influence del’angle
faisceau-réseau montre quel’énergie
totale émise parchaque
raie croît comme1/sin
i et que lesdiagrammes
de rayonnementchangent
peu, pour ipetit.
Une surfaceplane irrégulière
étant considérée comme formée de micro- réseaux, enexemple
uneproportion
de 3%
de ceux-ci avec uneprofondeur
de 140Å
donne la densité spectraleangulaire
mesurée par Boersch etSauerbrey
sur des ciblesd’Ag, l’énergie
émisecroît avec
l’énergie
desélectrons,
elle s’annule si le pas moyen desirrégularités
est troppetit.
Abstract. 2014 In order to
appreciate
the influence of theoptical properties
of metals on the Smith-Purcell
effect,
a method of calculationusing
thedevelopments
due toRayleigh
isgiven.
Whenapplied
to echelettegratings,
this method fails when thedepth
of the grooves or theslope
of thefaces are too great. For very shallow grooves
(some
10Å),
one obtains ahigh peak
of radiationat the surface
plasmons frequencies (Al: 1 260 Å,
50keV ;
A : 3 500Å, 30 keV).
An estimate of the influence ofbeam-grating angle
shows that the total energy of each line grows as1/sin
i and thatradiation patterns alter little, for i small. We considera
plane
surface withirregularities
as an assem-bly
ofmicrogratings.
Thus, forexample,
a surfacehaving
3%
of itsirregularities
140Å
indepth gives
thespectral density
measuredby
Boersch andSauerbrey
for a silver target ; the radiation increases with electron energy and vanishes if the mean step of theirregularities
is too small.I. Introduction. - Les
expériences [1, 2, 3, 4, 5]
sur l’effet Smith-Purcell ont été faites surtout dans les domaines
infrarouge,
visible et ultraviolet.L’avantage
est que l’on peut mettre à
profit
lestechniques éprou-
vées de
l’optique ;
encontrepartie,
lesréseaux,
res- treints à la formeéchelette,
ont unprofil
mal défini.Les
propriétés
de cesréseaux,
irradiés en ondesplanes
et considérés comme infiniment
conducteurs,
ont faitl’objet
de travauximportants
ces dernières années.La méthode du
développement
deRayleigh
s’estrévélée n’être
qu’une approximation, numériquement
valable pour des sillons peu
profonds,
mais elle al’avantage
d’unegrande simplicité
parrapport
auxprocédés
élaborés par la suite afin de traiter le cas des sillonsprofonds.
Cette méthode est utilisée ici pour des réseauxmétalliques après
l’avoir été pour des réseaux infiniment conducteurs[6].
Leproblème
est ramené à celui de la diffraction d’une onde éva- nescente,
composante spectrale
duchamp
de l’élec- tron. Les domaines de mesure, citésplus haut,
laissentprévoir
que lespropriétés optiques peuvent jouer
unrôle notable. La nature striée de la surface crée un
mécanisme de transformation
(par diffraction)
desondes de
plasma
de surface en ondes radiatives alorsqu’elles
ne sont pas radiatives pour une surfacerigou-
reusement
plane
comme l’a montré Ferrell[7].
C’està cette transformation
radiative,
par desirrégularités, qu’a
été attribué un fortpic
derayonnement
révélé dans desexpériences
derayonnement
d’électrons enincidence rasante sur des surfaces
planes.
Commedans l’effet
Smith-Purcell, l’angle
faisceau-réseau estimportant ;
son influence est abordée icimoyennant
une
hypothèse simplificatrice.
II.
Champ
de l’électron dans le vide. - q est lacharge
del’électron,
àpartir
deséquations (c.
g. s.Gauss) :
ou
Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphys:01970003107066500
666
On déduit le
champ électrique se(r, t)
et lechamp magnétique :ree(r, t)
sous formed’intégrale
de Fourier :avec
c = vitesse de la lumière dans le vide.
III. Emission d’un électron en
trajectoire parallèle
àla surface moyenne du réseau
(Fig. 1).
- La surfacedu
réseau,
depas d,
a pouréquation y
=f(x).
Onpose
Le métal du réseau est caractérisé par son indice
complexe :
FIG. 1. - Notations utilisées pour le calcul du rayonnement.
Pour y a, le
champ
de l’électron est :((2)
avecPy = 0)
Le réseau est infini suivant
Oz,
lechamp
incident He donne lieu à unchamp
diffracté :et transmis :
avec les relations :
En outre,
Hd
et Ht doivent satisfaire le théorème deFloquet
et la condition d’ondes sortantes cequi compte
tenu de(5), (8)
et(9),
conduità,
en dehors dessillons :
avec
Pour
simplifier,
nous chercherons l’émission dans leplan
z = 0.(12) peut
être évaluée par la méthode de laphase stationnaire, lorsque
l’on seplace
loin duréseau,
soit : pour n E.",1’ tel que(k:)2
> 0où l’on a
posé :
soit
la
longueur
d’onde d’émission.En
comparant (17)
et(5),
nous voyons que nous devons calculer la densité dechamp
diffracté :et transmis :
engendré
par la composante dechamp
incident :Pour calculer les
Bn(O, w)
etTn(0, w),
nous admet-trons que
(20)
et(21)
sont valables même dans lessillons.
Dans le cas infiniment conducteur ces
développe-
ments ne constituent
qu’une approximation,
d’autantplus
valable que laprofondeur
des sillons est faible[8, 9] ;
il en est certainement de même pour le cas du métalenvisagé
ici.Pour y #
a, lechamp électrique
est tiré duchamp magnétique grâce
à la relation de MaxwellAmpère.
(10)
et(11)
nous fournissent leséquations :
Pour q
= 0(pas
desource)
etf(x)
=0, (22)
n’a desolution
To, Ro qu’à
la condition suivante :On reconnaît la relation de
dispersion [10]
pour les ondes de surface à l’interfacevide-diélectrique.
Connaissant
Bn,
nous pouvons calculerl’énergie rayonnée
par un électron loin duréseau,
en utilisantla formule de
Poynting.
Ledispositif optique
associéà la surface
réceptrice Sr
= L.l(Fig. 1)
estsupposé
assez directif pour éliminer les
champs parvenant
surSr
d’unangle 0 # On.
Dans ces conditionsl’énergie
totale W délivrée par un électron à travers
Sr
est :Pour un faisceau d’électrons sans
interaction,
lapuis-
sance moyenne délivrée à travers
Sr
est P = i3Woù i3 = nombre d’électrons
qui
délivrent Wpendant
1 seconde. 1 est la densité de courant du faisceau.
Le
système optique
associéà Sr
estsupposé
capter leschamps provenant
d’une surface delargeur
l’ sur leréseau,
dans ces conditions pour un faisceaud’épais-
seur D
grande :
soit encore avec S = l’
L/cos 011’
surface de lasource
[6] :
668
avec
on pose
IV. Emission d’un électron pour une
trajectoire
nonparallèle
à la surface du réseau. - L’électronpénètre
et
disparaît
dans le réseau autemps t
= 0 en x = 0.Nous nous intéressons seulement à la
partie
du rayon- nementqui
est due au passage de l’électron en dessus des dents. Nous cherchons une solutionapprochée qui
soitidentique
à celle de latrajectoire parallèle pour i
-0,
enconséquence
lesystème optique
dedétection sera
supposé
telqu’il
ne « voit que lapartie
x 0 de latrajectoire.
Notresupposition
de base sera que les
champs
diffractés et transmis satis- font le théorème deFloquet pour t ! r ] fc.
Lechamp
incident étant donné par(2),
les autreschamps
s’obtiennent
simplement
enremplaçant
dans(12)
et
(13) kx, ky [1], ky [2] respectivement
par :Pour
évaluer,
dans leplan
z =0,
par la méthode de laphase stationnaire, l’intégrale
donnant lechamp diffracté,
on pose : x = rsin ; y
= r cosg/.
Enfaisant les
approximations (1) :
et
on obtient une formule relativement
simple
sous forme d’ondesinhomogènes (Fig. 2) : (t r Ilc)
(1) Par exemple, dans les expériences [3, 4], pour i = 1 °, fi = 0,6 :
d’où
On maxi N
70°. Sin (6n -p)
était N 0,06.FIG. 2. - Allure des ondes inhomogènes rayonnées quand
l’électron est incident sur le réseau :
équiphases, - - - - équiamplitudes.
avec maintenant :
Comme le
champ
doit s’annuler àl’infini,
la formulen’est valable que pour les
points
telsque t/1 On- (Sur
lafigure 2,
on voit quepour t/1 > 9n
lechamp rayonné
«vient» despoints x
> 0 où l’électrona
disparu.) (32)
nous montre avec(1)
que ce rayonne- ment restepolarisé
dans leplan x 0 y
pour1 # 0.
Comme dans le cas de la
trajectoire parallèle, l’appli-
cation des relations de passage nous
fournit,
par résolution d’unsystème analogue
à(22),
lesLes autres
quantités intéressantes, qui
endécoulent,
sont affectées de l’indice i. La
comparaison
desnouvelles
équations
aux anciennes montre quesi i est suffisamment
petit
et laprofondeur
des sillonsrelativement faible
(conditions (30)
et(37) plus loin).
Les
diagrammes
derayonnement changent
donc peuavec
l’incidence,
cequi
a été confirméexpérimentale-
ment, même pour des sillons
profonds [3]. L’énergie
délivrée par
chaque
électron à travers(L.l) perpendi-
culaire
à On (Fig. 3)
est :avec
L. k.’. sin i
» 1 etL sin On 1
Y conditionsqui
sontpratiquement toujours réalisées ;
parexemple
dans
[3, 4] : L.k.’.sin
i N 100 pour i =0°, 1, IOn 1
maxi - 700.
Comme en
général
FIG. 3. - Définition des paramètres pour la formule 34.
varie peu avec i
(petit)
et X = Ytg en
pour uneopti-
que de détection convenablement
réglée,
on aCe résultat
s’explique
enremarquant
quelorsque
i
diminue,
l’électroninteragit
fortement avec unplus grand
nombre dedents,
délivrant ainsi uneénergie plus grande.
La
puissance
délivrée par un faisceau d’électronsépais,
pour une surface source constante delargeur
l’sur le
réseau,
est donnée aussi par(26),
c’est-à-direqu’elle
estindépendante
de i.Expérimentalement [3, 4],
la
puissance
croît aveci,
cequi s’explique
enajoutant
la
participation
des électrons diffusés dans les dents[11].
EVALUATION DE LA DENSITÉ SPECTRALE ANGULAIRE. -
Celle-ci
dépend principalement
de i.En considérant le cas infiniment
conducteur,
nouspouvons obtenir une
expression approchée
enprenant
pour la densité de courant sur le réseau les valeurs :Le
potentiel
vecteur en unpoint
del’espace (x,
y,z)
est donné par :
avec
En reportant
(35)
dans(36),
on ne retrouve lechamp
de
départ
que si :qui expriment
les conditions de validité dudévelop- pement
deRayleigh
utilisé pour lechamp
diffracté.Dans ces
conditions,
posons :Le
potentiel
vecteur s’en déduit sous forme d’un spectre d’ondesplanes :
Le calcul de
j(k,,, k_,, úJ)
àpartir
de(35)
montre que l’influencede i,
sur la validité dudéveloppement adopté
pour leschamps,
se traduit par la nécessité de faire lesapproximations (30) exprimées précédem-
ment.
Finalement,
dans leplan
z =0,
loin duréseau,
on trouve :
En
posant kx
= ksin 0,
on calcule lapuissance
moyenne délivrée dans
l’angle
solidepour un faisceau d’intensité totale
I, :
On voit que l’émission se fait dans des lobes
angulaires,
de forme
quasi lorentzienne,
d’autantplus larges
que i estgrand.
La densité
spectrale
maximum vaut :670
Dans une direction
donnée,
lalargeur,
àmi-hauteur,
de la raieémise,
est, sipn
=pl(À)
est sensiblementconstant dans cet intervalle :
Elle diminue
quand n augmente
et croîtavec i,
en accord avecl’expérience [3, 4]. Cependant,
la diffusion des électrons(pour x
>0)
peut conduire à deslargeurs
de raie sensiblementinférieures,
ceci d’autantplus que i augmente [11].
V. Résultats
numériques.
- GÉNÉRALITÉS. -(22)
est transformé en une double infinité
d’équations
àune double infinité d’inconnues en
multipliant
pare- jmKx
et enintégrant
de 0 à d. La résolution numéri- que se fait enprenant
dessystèmes
carrés(2 Q
x 2Q)
de
plus
enplus grands jusqu’à
obtenir une stabilisa-tion des pn
qui
nous intéressent. On admet que cesvaleurs
représentent
bien lasolution ;
en l’absence dejustification mathématique,
unecomparaison
avecles résultats
expérimentaux
s’avèreindispensable.
Les erreurs de calculs sont diminuées
grâce
à uneméthode de
partitionnement qui permet
de n’inverser que des matrices(Q x Q).
Lafigure
4 caractérise les réseaux étudiés(2).
Le tableau 1 montre desexemples
de stabilisation
qui
nousparaît acceptable ;
on notequ’à 0,5
p. l’intensité émisedépend beaucoup
de lanature du métal. A
2 Il (tableau II), Ag
et Al donnentdes résultats très
proches
de l’infiniment conducteur.Le tableau III illustre la faible
influence,
sur le dia-gramme de
rayonnement,
de ipetit. Les pn
ne se stabi-(2) Vérification du programme : on passe au cas H // ondes planes par des modifications mineures ; on s’assure que l’on retrouve bien le facteur de réflexion d’une surface métallique plane en prenant des sillons suffisamment peu profonds.
lisent
plus
dès que lapente
des sillons devientimpor-
tante ou que la
profondeur
des sillons n’estplus négligeable
parrapport
à lalongueur d’onde ;
comme dans le cas infiniment conducteur[6], l’origine
de cetéchec est dû au fait que le
champ (20)
n’est valablequ’en
dehors des sillons. Les résultats suivants ne concernent que des cas de bonne stabilisation.FIG. 4. - Définition du profil échelette pour les applications numériques.
RAYONNEMENT DES PLASMONS DE SURFACE, -
Boersch et al.
[12]
ont détecté unpic
intense derayonnement,
à lafréquence
desplasmons
de surface(N 0,35 p)
sur des surfacesplanes d’Ag
massif avecdes électrons en incidence rasante à 30 keV. U. Bür- ker et W. Steinmann
[13]
ont faitl’expérience
sur l’Alà 50 keV et ont trouvé le
pic
àl’emplacement prévu (N
1 250A)
par la relation dedispersion
des ondes de surface. Stern[14]
a attribué cet effet à la transforma- tion radiative des ondes de surfacegrâce
auxirrégula-
rités. La théorie
exposée
icipeut
fournirquelques
informations
quantitatives
en considérant une surfaceirrégulière
comme formée d’unejuxtaposition
demicro-réseaux de pas et
d’amplitudes
variables.Nous nous sommes limités aux
profondeurs
donnantune convergence satisfaisante. Les
figures
5 et 6montrent les
pics
d’intensitécalculés ;
ils sont àl’emplacement
donné par lesexpériences [12, 13].
TABLEAU 1
Tests de convergence en
fonction
de la dimension de la matricetronquée
TABLEAU Il
Influence
de la conductivité loin de lafréquence
deplasma
FIG. 5. - Rayonnement Smith-Purcell au voisinage de la fré- quence de plasma de surface pour Al à 50 keV, À/d = 3,367,
v et X
[réf. [20]].
Dans le cas de
l’Al,
desprofondeurs
aussi faibles que38 A
donnent environ 500 foisplus
depuissance
à1 270
A
et 50 keV que des réseaux deprofondeur
750
A
à0,5 p
et 130 keV ! Nous avons vérifié quel’emplacement
dupic dépend
très peu deÀ/d.
FIG. 6. - Rayonnement Smith-Purcell au voisinage de la fré- quence de plasma de surface pour Ag à 30 keV, Âld = 3,0.
v, x réf. [21 ] ; - - - - v, X réf. [22].
Nous avons vu que pour i =1=
0, quand
les conditions(30) (31) (37)
sontsatisfaites,
l’émission a lieu dans des lobesangulaires
dontl’énergie
totale estproportion-
nelle à
1/sin
i. Soitdo
le pas des micro-réseaux dont le maximum derayonnement
se trouve dans la direction de mesure. Dans cettedirection,
on recueille en outrel’émission des micro-réseaux de pas
d,
voisin dedo,
dont le lobe « tourne » d’un
angle
d’autantplus grand que d
s’écarte dedo.
Au total(en supposant
les lobesidentiques),
on obtientl’énergie
du lobe des réseaux depas
do ;
d’où la loi en1/sin i compatible
avec lesmesures
[15, 16].
Notons que dans les mesures de Jones et al.[16],
les conditions de validité des formules duchapitre
IV conduisent àim.. -
8degrés.
Avecl’exemple
de lafigure
6 parapplication
de la formule(42),
on trouve une densitéspectrale
de 25 000watt/
amp./cm/ster.
à0,35 p pour i
=0°,5.
Il suffit donc que la surface comporte seulement 3%
de ces micro-réseaux
(3)
pour obtenir les 750watt/amp./cm/ster.
(3) Il serait plus satisfaisant de parler de proportions de
micro-réseaux dont le pas et la profondeur sont compris entre
certaines limites, mais ceci exige des hypothèses sur les lois de répartition.
TABLEAU III
Influence
del’angle
d’incidence sur lediagramme
de rayonnement672
mesurés
[17]. Seules, quelques
dents consécutives suffisent car l’électron loin du réseau devient vite ineflîcace. Ennégligeant
lapartie
du rayonnement dès que lechamp
de l’électron est réduit delie,
onobtient le nombre de dents consécutives nécessaires
soit 19 dents. En
pratique, Neff, qui
est une donnéede la
surface,
reste limitéquand
i diminue si bien que le maximumpeut augmenter
moins vite que1/sin i ;
d’autrepart,
il estpossible qu’une proportion
nonnégligeable
d’électrons diffusés par les dentspartici- pent
au rayonnement[11 ] ;
ceci conduit à deslargeurs plus
fines que celles données par la formule(41)
ou,FIG. 7. - Variation de l’intensité émise à 0-1 = 0° en fonction de l’énergie des électrons, à À = 0,35 p exemple de la figure 6.
à intensité
égale,
à un moinsgrand
nombre de dentsnécessaires.
Expérimentalement,
l’intensité dupic
a été trouvée
proportionnelle
àl’énergie E
des élec-trons
[18].
La direction d’observation étantfixe,
il nous faut faire varier
À/d
avec E(ce
sont alors d’autresmicro-réseaux
qui émettent) ;
la théorieprévoit
alors une croissance
approximativement
linéaire(Fig. 7).
Enfin,
la dimension desirrégularités
a aussi unegrande importance :
si d esttrop petit (1
sinen ] > 1),
le
rayonnement s’annule ;
si d esttrop grand, l’énergie
émise se trouve
dispersée
dans ungrand
nombre dedirections et, en
général,
est réduite d’autant dans chacune d’elles. Une dimensionoptimum
est doncconcevable en accord avec une
supposition
deH. Boersch et G.
Sauerbrey
à la suited’expériences
derecuit
[19].
VI. Conclusion. - Nous avons donné une théorie de l’effet Smith-Purcell
qui permet d’apprécier
l’in-fluence de la conductivité du métal pour des réseaux peu
profonds.
A lafréquence
deplasma
desurface,
même de très faibles
profondeurs
de sillonspeuvent
donner lieu à unpic
très intense d’émission. Cepic,
observé par certains
expérimentateurs
sur des sur-faces
planes
avec des électrons en incidence rasante,a été attribué aux
irrégularités
de surface. L’étude de l’influence de diversparamètres : angle
d’incidencefaisceau-réseau, énergie
desélectrons,
dimensions desirrégularités
schématisées par desmicro-réseaux,
nous a
permis d’apporter quelques
informationsquantitatives
sur la transformation radiative desplasmons
de surface par desirrégularités
de la sur-face,
montrant par la même occasion laparenté
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