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Étude expérimentale d’un “ canon à électrons ” pour la
diffractographie des électrons
Paul Renaud
To cite this version:
619
ÉTUDE EXPERIMENTALE
D’UN « CANON AÉLECTRONS
»POUR LA DIFFRACT0GRAPHIE DES
ÉLECTRONS
Par PAUL RENAUD. Maître de Recherches.
Sommaire. - L’auteur considère
un schéma théorique simple de canon à électron convergent. Il s’efforce de s’en approcher, en essayant plusieurs systèmes expérimentaux. Il obtient ainsi un cas
particulièrement intéressant parce qu’il est utilisable.
LE JOURNAL DE PHYSIQUE ET LE RADIUM. TOME
11,
NOVEMBRE1950,
PAGE 619.Dans la diffraction des électrons la
longueur
d’onde à diffracter est d’un ordre degrandeur
environ dix foisplus petit
que la distance des atomes ou centres diffractants. Pour une variation faible de lalongueur
d’onde de l’ordre dudixième,
on retrouve l’accord dephase
pour deux centres voisins.Au contraire si les deux
longueurs
étaient du mêmeordre,
on ne la retrouverait que pour le dixième centre. Il s’ensuit que pour une variation relative delongueur
d’onde dix foisplus
faiblequ’avec
les rayonsX,
les rayonscathodiques
donnent des taches nouvelles. Parconséquent
pour travailler en lumièremonochromatique
il faudraexiger
un monochro-matismequi
soit dix foisplus
rigoureux
pour les électrons que pour les rayons X.La constance de la
longueur
d’ondeexige
celle de la vitesse des électrons et parconséquent
celle dupotentiel
accélérateur. La stabilisation de cepotentiel joue
donc un rôle trèsimportant
pourl’interprétation
des clichés d’électrons. Elle seraconsidérablement facilitée si le monochromatisme
est meilleur.
Si l’on examine certains
appareils
à diffractiond’électrons on constate un énorme
gaspillage d’énergie
pour réaliser un faisceau mince etparallèle.
La sta-bilisation de la tensionexige
par suite l’utilisationde
grandes capacités
à haute tension.En
général
un filament d’une formeplus
ou moinssoignée
émet desquantités
d’électronsqui
arrivent sur une anticathodepercée
d’un trou trèsfin,
d’où une
première
diminution du rendement. Grâce à un deuxièmetrou,
on réalise un faisceau fin de rayons presqueparallèles.
Les tubes à cathode froide
procurent
un certainavantage quand
ils sont bienconstruits,
parce quel’impact
des rayonspositifs
d’oùpartent
les électronsest lui-même très fin et le faisceau se trouve passer
en entier par un
premier diaphragme
naturel.Certains chercheurs obtiennent un bon rendement en choisissant comme isolant
porte-cathode
lesbouteilles d’un crû de Bordeaux
particulier,
méthodeempirique
qui
réussit par uneorganisation
favorable duchamp
accélérateur.Il m’a semblé rationnel avant de construire un
tube à électrons d’étudier
sommairement,
pour débrouiller laquestion,
un canon à électronsqui
soit calculé aumieux,
c’est-à-direqui
utilise laplus
grande
partie
des électrons misen jeu.
Le coefficient que l’onpeut
ainsi obtenir estsupérieur
à Iooc.Pour ma
part
j’ai
pu réaliser desimpacts
fins,
éblouissants,
même enpleine
lumière,
avec un courant total inférieur à,uA,
illisible sur unmicroampèremètre.
Dans latechnique
habituelle,
les courantsemployés
sont de l’ordre deo,5
mA,
et la tache obtenue n’est éblouissante que dans
l’obscurité.
Pour obtenir ce résultat
j’ai
cherché àm’approcher
du schémathéorique
suivant :Considérons un
champ
depotentiel
dont lessur-faces de niveau soient des
sphères
concentriques.
Cechamp
a été étudié par Poincaré dans son courssur les
potentiels.
C’est celui créé par unpoint
électrisé. Lepotentiel
est naturellement derévolution,
avec
symétrie sphérique,
parconséquent
c’est unefonction
du rayon V= f (r),
la fonctionf(r)
étant §
à une constanteprès.
Pour deuxsphères
infiniment voisines larépartition
dupotentiel
est une fonction linéaire de la distance au second ordreprès.
Si l’on
place
dans cechamp
depotentiel sphérique
un électron sans vitesse initialeappréciahle,
il s’animera et son vecteur vitesse seraporté
par une droitepassant
par le centregéométrique
dusystème.
Cesystème,
qui
seraitrigoureusement stigmatique,
s’il étaitrigoureusement
réalisé seraitconvergent
oudivergent,
suivant que le centre attire ou repousse les électrons. Bien entendu il estimpossible
de réa-liser exactement unpareil système,
mais onpeut
chercher à s’enrapprocher.
On
disposera
enregard,
deuxportions
de surfaces620
sphériques,
percées
au centre par unorifice,
pour lepassage
des électrons etportées
à despotentiels
différents. D’abord il faudra que lacharge
des élec-trons en mouvementqui perturbent
lechamp
soit faible parrapport
à lacharge
desparois sphériques,
qui
forment condensateur. Ceci amène àrapprocher
les deuxportions
de surfacessphériques
concen-triques
utilisées et à diminuer l’intensitédu
courantélectronique,
ce que nous cherchons.L’augmentation
dupotentiel
accélérateurrap-proche
lesystème
del’image
théorique,
en diminuant laquantité
d’électronsprésents,
pour un même couranttotal,
par accroissement de leur vitesse et par l’accroissement descharges présentes
sur les calottes. De même si l’on diminue la distance des deux surfacessphériques
enregard
sanschanger
lepotentiel
onaugmente
lacharge
des surfaces et l’on diminue laquantité
d’électrons situés entre elles pour un même courant. On diminueégalement
l’influence des bords descalottes,
mais onaugmente
l’influence desperturbations
créées par les trouscentraux. ’
Ce
principe
revient à essayerd’imposer
une cour-bure auchamp
des lentillessphériques électroniques
en utilisant des surfaces à courbures déterminéespour courber les
champs.
EnOptique
lumineuse on utilise des surfacessphériques
pour réaliser des lentilles. Ellesimposent
aux surfaces d’onde des courbures.Dans nos réalisations les deux surfaces
métal-liques Sl, S2
étaient maintenues enplace
l’une parrapport
àl’autre,
soit au moyen d’uncylindre
de verre soit au moyen d’unsupport
d’ébonite pour les lentilles demi-boules.Nous avons réalisé et
étudié !J
systèmes
dont lescaractéristiques
sontexprimées
en millimètres dans les schémas et le tableau suivant :Dans les
systèmes représentés
par lafigure
i,la meilleure solution serait obtenue en
remplaçant
le verre par un semi-conducteur tel que du bois durlonguement
desséché(à
cause duvide),
ou un verrelégèrement
conducteur. Il convient en effet, que lechamp
soit une fonction linéaire de ladistance,
même aux bords duchamp.
Ainsi lechamp
central déterminé parl’équation
deLaplace
et par les conditions aux limites est celuiqui
doit exister entre deuxsphères concentriques
non bornées. Par suite la courbure deslignes
de niveau autour del’axe,
qui
seule nousintéresse,
reste la courhurethéorique.
Laperturbation
locale laplus
sérieuseest due à la
présence
des électrons dont nousexa-minerons ultérieurement l’ordre de
grandeur
enétudiant le
rapport
des nombres d’électrons situés sur le courant central et sur la calottenégative.
Un filament F en forme de V fournissait des
électrons lents. Cette forme est
particulièrement
favorable car la
pointe
est visiblementplus
chaude que lesbranches,
le refroidissement ne se fait que d’un côté. Une sonde mobile nouspermettait
de suivre lepinceau
d’électronsdepuis
le trouT2
jusqu’au foyer théorique
del’appareil.
Elle étaitconstituée d’une
plaque légère
d’aluminiumsau-poudrée
de sulfure de zinc actif(phosphorescent
vert) portée
par un fil de fer. Ce filpassait
à traversun trou fermé au
vacoplast.
Enmastiquant pendant
ledéplacement
onparvenait
à promener la sonde sans provoquer de rentrée d’air.Un
premier
résultat constant a été obtenu avec lesquatre
systèmes
étudiés. Lesfigures
obtenuespour’un
même cas,lorsque
l’ondéplace
lasonde,
sont semblables et semblent
homothétiques
parrapport
à lapointe
du filament. Il secomporte
comme si lapointe
seule émettait.Un deuxième résultat fut obtenu avec les
quatre
systèmes.
C’est que la différence depotentiel
établie entre le filament et la surfaceS2 change
peu la forme des focales obtenues avec la sonde. Nous avons travaillé leplus
souvent en maintenant les deux au mêmepotentiel,
tout en vérifiant detemps
entemps
qu’une
variation depotentiel
changeait
peu lephénomène.
Les
potentiels
étaient fournis par unsystème
transformateur-kenotrons débitant dans unpoten-tiomètre. Celui-ci était formé d’un madrier bardé de clous laissant passer o,5 mA sous 5o kV. Les clous reliés entre eux par des fils
permettaient
de621
Un troisième résultat constant est que le para-mètre
principal
définissant la forme du faisceau est laposition
relative du filament et de la sur-faceS,.
Il suffit d’undéplacement
relatif de l’ordre deIl Ioe
de millimètre pour obtenir unchangement
complet
del’aspect
du faisceau. Cedéplacement
étaitprimitivement
réalisé par unsystème de
joint
thermostatique
(ou
tomback) étayé
par des vis calantes. Leurdéplacement exigeait
lasuppression
de la tension et ne laissait pas le filament centré.Nous avons fait réaliser un
système permettant
ledéplacement
du filament sous tension et sur son axe. C’est avec lui que nous avons pu mesurer ledéplacement
du filamentcorrespondant
à unchan-gement
important
del’aspect
du faisceau. Cet appa-reil nous apermis
de trouverqu’il
existait pour chacun desquatre
systèmes
étudiés uneposition
du filament pourlaquelle
on obtenait unpinceau
relativement fin et
qui
aurait pu être utilisé presque sansdiaphragme
pour faire des clichés de diffrac-tion d’électrons. Un seulinconvénient,
le faisceau n’était pas très fixe.Depuis
cesexpériences,
nous avonspensé
que le vide entre les deux surfacesSi
etS2,
assuré par les trousTl
etT2
seulement,
avait besoin d’êtreperfectionné
en situant d’autresorifices de sortie en des lieux convenables. Ainsi aucun
dégagement
fortuit ne viendraitperturber
lechamp électrique
accélérateur. C’est seulement avec les deuxsystèmes
de lentilles demi-boules que nous avons obtenu desimpacts
extrêmement fins et très lumineuxqui,
s’ils étaient rendus fixes seraient excellents pour ladiffractographie.
En
général,
lerendement,
qui
est lerapport
del’intensité de courant,
porté
par lefaisceau,
qui
passe par lasonde,
à l’intensitépassant
parl’appareil,
estsupérieur à 1 .
2
Par
conséquent
onpeut
considérer que laplus
grande
partie
du courant se trouveportée
par lefaisceau utile.
On
pourrait
utiliserl’image électrique précédente
pour réaliser un canon à électrons à hautrendement,
pour la
diffractographie,
en établissant seulement unerépartition
depotentiel
sur différentsorifices,
de telle sorte que cette
répartition
soit celle d’unchamp
convergent.
Il semble que certains canons àélectrons,
trouvésempiriquement
correspondent
à cetteconception.
Des essais ont été faits avec des cônes males ou
femelles
égaux
au lieu desphères.
Les résultats n’ont pas été absolument mauvais et une fractionappréciable
des électrons donne une tachecentrale,
accompagnée
d’uneimportante
auréole. Cesystème
pourrait
être utilisé s’il n’en existait pas de meilleur.Conclusion. - Il est
possible
de réaliser pour ladiffractographie
des électrons un « canon à électrons » à haut rendement. JI estcapable
de réaliser un fais-ceaumince,
qui peut-être
utilisé sansdiaphragme.
Unelégère
mise aupoint
doit être effectuée pour quel’impact
ainsi obtenu soitparfaitement
stable(vide
entre les deuxdemi-boules).
Dans les condi-tionsoptima
ilpeut
fournir le faisceau nécessaireavec un courant dont l’ordre de
grandeur
est bien inférieur à ipA.
Depuis
ces travaux nous avons construit undiffractographe
par réflexion où nous avons utilisé lespropriétés
des canons à électrons à cathodefroide,
que nous avions été amenés à considérer pour les constructions des tubes à rayons X et danslesquels
la stabilité estparfaite.
Nous enparlerons
dans uneprochaine
Note car leur étudethéorique
n’est pas encore achevée.Les canons à filament et à demi-boules solidaires
sont fournis par une
