i commissariat a l`energie atomique 1973 service de

I
COMMISSARIAT A L'ENERGIE ATOMIQUE
<>J><-.
Mlft
A18
ETUDE EXPERIMENTALE DE L'EMISSION
ELECTRONIQUE D'UNE FACE (100)
D'UN MONOCRISTAL DE TUNGSTENE
EN PRESENCE DE CESIUM
ET D'OXYGENE CO-ADSORBES
par
Jean-Louis DENISOT
Centre d'Etudes Nucléaires de Saclay
Rapport CEA-R-4508
1973
SERVICE DE DOCUMENTATION
PLAN DE CLASSIFICATION DES RAPPORTS ET BIBLIOGRAPHIES CEA
(ClasaiHcation du système international de documentation nucléaire SIDON/INIS)
All
A 12
A 13
A 14
A 15
A 16
A 17
A 20
A 30
Physique théorique
Physique atomique et mo!ecu!lira
Physique de l'état condense
Ph/aique dci plasms* et réactions thermonucléairei
Attrophydque.cotmolo^eetnyannemcnbccKiniquci
Conversion directe d'énergie
Physique des basses températures
Physique des hiutes energies
Physique neuIronique et physique nucléaire
3 11
Analyse chimique et isotopique
Ournie minérale, chimie organique et physicc-chimie
Radiochimie et chimie nucléaire
Chimie sous rayonnement
Corrosion
Traitement du combustible
Métaux et alliages (production et fabrication)
Métaux et alliages (structure et propriétés physiques)
Céramiques et cermets
Matières plastiques et autres matérhux
Effets des rayonnements sur les propriétés physiques
B
B
B
B
B
B
16
21
22
23
24
25
C 10
C 20
ActJondellmdlationextemeenbloIogie
Action des radioisotopes et leur cinétique
Cote-matière
C 30
C 40
C 50
Utilisation des traceurs dans les sciences de la vie
Sciences de la vie : autres études
Radfoprotection et emrfconnement
D 10
D 20
Isotopes et sources de rayonnements
Applications des isotopes et des rayonnements
E
E
E
E
E
11
12
13
14
15
E
E
E
E
E
E
16
17
20
30
40
50
Thermodynamique et mécanique des (lutdes
Cryogénie
Installalions pilotes et laboratoires
Explosions nucléaires
Installations pour manipulation de mitériaux
radioactifs
Accélérateurs
Essais des matériaux
Réacteurs nucléaires (en général)
Réacteurs .nucléaires (types)
Instrumentation
Effluents et déchets radioactifs
F
F
F
F
F
F
10
20
30
40
50
60
Economie
Législation nucléaire
Documentation nucléaire
Sauvegarde et contrôle
Méthodes mathématiques et codes de calcul
Divers
de ce rapport : A. 16
DESCRIPTION-MATIERE (mots clefs extraits du thesaurus
SIDON/INIS}
en français
CONVERTISSEURS THERMOELECTRONIQUES
ELECTRODES
EMISSION THERMOELECTKONIQUE
ADSORPTION
CESIUM
OXYGENE
TUNGSTENE
INFLUENCE DE LA TEMPERATURE
TRAVAIL DE SORTIE
MONOCRISTAUX
THERMIONIC CONVERTORS
THERMIONIC EMISSION
ADSORPTION
CESIUM
OXYGEN
TUNGSTEN
TEMPERATURE DEPENDENCE
WORK FUNCTION
MONOCRYSTALS
• Rapport CEA-R-4508 -
C e n t » d'Etudes Nucléaires de Saclay
Département de Transfert et Conversion d'Energie
Service d'Etudes Energétiques
ETUDE EXPËIUMENTALE DE L'EMISSION ELECTRONIQUE
D'UNE FACE (100) D'UN MONOCRISTAL DE TUNGSTENE
EN PRESENCE DE CESIUM ET D'OXYGENE CO-ADSQRBES
Jean-Louis DENISOT
- Octobre 1973 -
P L A N
1 - INTRODUCTION
n - DISPOSITIF EXPERIMENTAL E T TECHNIQUE DE MESURE
II. i - Le microscope & émission thermoélectronique et la
mesure du travail de sortie
II. l . a - L'enceinte et le groupe de pompage
ÏÏ.i.b
- L'échantillon
H . l . c ~ L'objectif à immersion
II. 1. d - L'image électronique
I l . l . e - La mesure du courant et le calcul du travail
de sortie
H, 2 - L'injecteur de césium
II. 2 . a - Calcul dea flux et des températures
équivalentes
II. 2. b - Vérification expérimentale
II. 3 ~ Introduction d'oxygène
n . 4 - Détermination des pressions partielles
II. 4. a - Problème général
n . 4 . b - Cas simplifié
II. 4. c - Application au dispositif expérimental
ill - RESULTATS EXPERIMENTAUX
III. I - Adsorption de césium
n i . 2 - Co-adsorption de césium et d'oxygène
IV - CONCLUSION
- BIBLIOGRAPHIE
I - INTRODUCTION
L'Introduction d'oxygène dans un convertisseur thermoélectronique à vapeur de césium augmente sensiblement le rendement
de ce convertisseur, car cette addition d'oxygène abaisse le travail de
sortie des métaux réfracta'ires recouverts de césium [ 1 ] .
Actuellement, peu d'expérimentateurs [ 2 , 3 ] ont mesuré,
dans la gamme des températures qui régnent sur l e s électrodes des
convertisseurs thermoélectroniques, l'émission électronique de métaux
réfractaires en présence de césium et d'oxygène co-adsorbes,
Le présent rapport est un ensemble de résultats expérimentaux
relatifs à l'émission électronique due a la co-adsorptlon de césium et
d'oxygène sur la face d'orientation (100) d'un monocristal de tungstène,
obtenus à l'aide d'un microscope à émission thermo-électronique. Il est
une contribution expérimentale apportée à la compréhension des phénomènes complexes que constitue cette eo- ad sorption.
II - DISPOSITIF EXPERIMENTAL ET TECHNIQUE DE MESURE
II. 1 - Le microscope à émission thermoélectro.ilgue et la mesure
du travail de sortie
Le microscope se compose essentiellement d'une enceinte à
vide dans laquelle sont placés (Figure 1) :
- un échantillon de métal réfractaire chauffé par bombardement
électronique
- un objectif électro-statique à immersion
- un écran fluorescent équipé d'une électrode de mesure.
H. 1. a - L'enceinte et le groupe de pompage
L'enceinte se compose du corps du microscope, métallique,
et d'une colonne de verre Pyrex à l'extrémité supérieure de laquelle
sont placés l'écran fluorescent et l'électrode de mesure.
Une pompe ionique permet d'atteindre une pression voisine de
10" t o r r après étuvage ; l'atmosphère résiduelle est en majeure partie
constituée par de l'hydrogène et du mono-oxyde de carbone.
Ce dernier corps provient des filaments chauds :
ELECTRODE
DE MESURE
ECHAHTIU.OH
EHETTEDR
trr*
VERS LA POHPE IQHIQOE.
Figure 1
- 6 -
- de la jauge à Ionisation de type BAYARD-AL FEB T,
- de l'analyseur de gaz résiduel de type monopole.
Ces deux appareils Bont Insérés dans le corps du microscope.
H. 1. b - Lléehantnjon
L'échantillon utilisé est un disque de tungstène mono cristallin
(épaisseur 2 mm et dismètre 6 mm), poli mécaniquement et électrolytlqueraent, dont la surface emissive est un plan d'orientation (100)
(à + 0,5°).
Sur le côté de cet échantillon est percé un trou formant corpB
noir qui permet de mesurer la température par pyr omet rie. Connaissant
l e s dimensions du trou (d : diamètre ; 1 : longueur) et l'émissivité ( s )
du tungstène, la relation suivante permet de calculer l'émiasivité réelle
du trou (le coefficient K est introduit pour tenir compte du hublot de
visée) :
trou
i
=.
1
2
1 - t ^ - ) [1 + W Vl + ( d / l ) ]
Un pyromètre à disparition de filament permet de connaître la
température de l'échantillon à + 5" entre 800 et 1 9D0 C.
g
Pour les variations continues de la température de l'échantillon
intervenant au cours d'une expérience, on utilise un pyromètre à rayonnement infra-rouge étalonné à l'aide du pyromètre optique,
La propreté de l'échantillon influe beaucoup sur la valeur de
son travail de sortie. J. BECKER, E . BECKER et R. BRANDES [ 4 ]
- 7 -
indiquent que pour chasser le carbone de la surface du tungstène, un
recuit aouB 10
t o r r d'oxygène est nécessaire pendant plusieurs dizaineB
d'heures. Dans le microscope, l'échantillon a été soumis à uu tel recuit ;
un recuit de plusieurs minutes sous 10" t o r r d'oxygène est effectué tous
l e s t r o i s jours pour éviter la recantamination.
H.1.C - L'objectif ^ i m m e r s i o n {Figure 2)
Cet objectif se compose de deux électrodes coaxlaleB, distantes
de deux millimètres et percéea chacune d'un trou de deux millimétrée de
diamètre :
- l e plus proche de l'échantillon, ou wehpelt, est portée à un potentiel
de valeur comprise entre - 250 et + 250 Volts,
- la seconde électrode, ou anode, est portée a un potentiel, positif par
rapport & l'échantillon et de valeur comprise entre 300 et 5 000 Vol ta.
Au-delà de l'anode règne jusqu'à l ' é c r a n un espace équipotentiel.
Le champ électrique qui règne au voisinage de l'échantiilcB a
été calculé par SEPTESR [ 5 ] : au valeur exprimée en Volt/cm, ne
dépasse jamais, quelle que soit l'optique utilisée, l a valeur de la tension
anodlque exprimée en volts.
Ce champ eat suffisant pour annuler l'effet de la charge d'espace
et donc pour permettre de collecter le courant de saturation donné par la
îoi de DUSHMASK-BICSABDSOS fcf. paragraphe 2 . 1 . e), mais Jl ne peut
provoquer un effet SCHOTTKY décelable expérimentalement (le travail
de sortie, 0 , est diminué p a r effet SCHOTTKY de & 0
»
]/ e E ' ,
où e est la charge de l'électron et E le champ électrique, ce qui
-3
-1
donne Û0 ~ 6,5,10
eV pour E = 300 V cm ).
Légende de la Figure .2
1 - Joint ultravide e a polyimlde séparant la colonne de v e r r e pyrex
(montée aur bride en cov&r) et le corps métallique du microscope.
2 - Cylindre porte au potentiel de l'anode.
3 - Tube de v e r r e pyrex.
4 - Céramiques.
5 - Boole amovible de l'extérieur.
6 - Réservoir,
7 - Rondelles de césium graphite.
8 - Chaufferettes.
9 - Thermocouple.
10 - Conduit d'amenée du césium.
11 - Anode.
12 - Webnelt,
13 - Plateau mobile darn une direction du plan horizontal.
14 - Plateau mobile dans la direction perpendiculaire.
1 5 - Porte-échaBtfflo».
16 - Partie mobile suivant l'axe vertical.
1? - Filament 1
{chauffage par bombardement électronique!.
1B - Wehnell I
- 10 -
II. 1, d - L'jmage électronique
On observe sur l'écran fluorescent l'image électronique d'une
p a r t i t de te surface de l'échantillon : lea régions à fort travail de sortie
émettent peu et l e u r s images sont sombres ; inversement, les images
des régions ft faible travail de sortie sont c l a i r e s . Un monocristal donne
une image de teinte uniforme,
La figure 3, tracée expérimentalement, représente le grandisse ment linéaire G du microscope utilisé, en fonction de <j « v" / V ,
w
{V™ : tension de polarisation du wehnelt ; V . : tension de polarisation
de l'anode). G est une grandeur fonction du seul rapport
o
d'après
l'invariance de tout système d'optique électronique, quand o reste constant, pour une géométrie donnée. G est calculé en faisant le rapport du
déplacement d'un point de l'image au déplacement correspondant de l'objet ;
celui-ci est mobile dans deux directions perpendiculaires d'un plan horizontal {pièces 13 et 14 de la figure 2), et sa position est repérée à l'aide
de deux comparateurs. La précision avec laquelle eat connue G est voisine de 3 °/o On microscope a émission fonctionne en général à tension de
wehnelt nulle pour plusieurs raisons ; l'une de ces raisons eat que, à
o = 0 , l'image nette est la plus grande possible [ 5] à cause d'un
minimum de courbure de champ ; mais la raison essentielle est que
G devient indépendant de la tension d'anode. En présence de césium, il
est de plus, préférable de travailler à une tension de wehnelt nulle et à
une tension d'anode îa moins élevée possible, pour éviter une ionisation
en volume des atomes de césium. Tous les résultats expérimentaux
(cf, paragraphe HI) ont été obtenus a V" * 0 et V .
w
~
300 Volts. •
Figure 3
n
-
i
•
e
- La mesure du_ courant, émis et le calcul du travail .de sortie
Un t r o u de surface " s " (s = 0,016 cm ), percé dans l'écran
fluorescent, permet de recueillir sur une électrode de mesure (cage de
Faraday) une partie du faisceau électronique et de mesurer ainsi le
courant " j " émis par la portion de surface a / G de l'échantillon.
Donc la densité de courant émis par l'échantillon est donnée par
2
J = J . G / s
- 12 -
Sur la figure 3, donnant G en fonction de o , on a également
porté G / s an ordonnées. Avec cette méthode de mesure, il est préférable que le microscope ne possède pae un grandisse ment trop élevé car,
à courant émis égal, plus G est grand plus le courant collecté p a r la
sonde s e r a faible et donc difficilement mesurable (Le pico-ampère mètre
relié à l'électrode de mesure, détecte un courant minimum de 10~
A,
ce qui permet de m e s u r e r une densité de courant d'émission voisine de
7
2.10" A/cm
2
à o = 0).
La loi de DUSHMANN-RICHAHDSON B'écrit :
2
J » A T exp ( - - ^ - )
où J est la densité de courant émis (en A/cm ), T la température de
5
l'émetteur {en "Kî, k la constante de BOLTZMANÎÎ (ic = 8 , 6 1 6 . 1 0 " eV/°KJ,
et où l'on prend A = 120 A. cm" "K" ; cette loi permet de calculer le
travail de sortie "effectif" ,
p* (en électron-Volt), par la connaissance
de J et T .
Le travail de Bortie de la face (100) d'un monocristal de
tungstène, mesuré à la température de 2 200"K est trouvé égal à
4,62 + 0,02 eV ; c'est une valeur en excellent accord avec les résultats
bibliographiques [ 6 ] ; mais l'adaorption de corps étrangers sur la surface de tungstène peut faire varier ce travail de sortie. Cette adsorption
étant fonction de l a température de l'échantillon, l e travail de sortie
varie avec cette température, comme le montre la Figure 4, obtenue
dans le microscope à émission thermoéleetronique pour deux pressions
résiduelles, P , , lues à la jauge.
0i.v)
-r
i-
" r
'
M
X.
'
-
B
Pj s 10 torr
-s
-M
"
-B
P, = M torr
-M
usa
tsst
mo
Cette figure montre que pour P~
ÏW
a
-
HM TfK)
10 t o r r , la surface du
tungstène n'est pas polluée par l e s gaz résiduels au-dessus de 1 S50*K
tandis que pour P
= 10" t o r r , fl faut atteindre 2 150*K pour mesurer
le travail de sortie v r a i .
11,2 - L'injecteur de césium
Un flux de césium peut être dirigé sur l'échantillon de tungstène
à l'aide d'un conduit percé dans le wehnelt (pièce 10 de la Figure 2). Au
départ de ce conduit est placé un r é s e r v o i r dont la température est mesurée par un thermocouple et dont ïa partie supérieure en forme de boule
(pièce 5 de la Figure 2) est amovible de l'extérieur pour permettre un
dégazage correct et rapide du réservoir, La température du wehnelt
est maintenue constante, et suffisamment élevée pour éviter la condensation de l'alcalin dans le conduit,
H. 2. a - Calcul des flux et. de s températures équivalente g_
Le régervoir contient un composé d'insertion du césrum dans
le graphite ; pour une température déterminée du réservoir, ce composé
d'insertion peut libérer du césium gazeux, suivant l'une des réactions
suivantes
[7]
5C
12C
3
c
:
g
1 ( J
24
Cs
^
4C
C s ?=î 5 C
1 ( )
2 4
es *=e 2 c
Cs
f
+ Ca
Ca
+ 7 Cs*
3S
cs + et
La pression de césium qui règne dans le réservoir est d é t e r minée [ 7 ], quand on connaît la température du réservoir et la réaction
d'équilibre à considérer (Figure 5), Mais comme il existe plusieurs composés différents d'insertion du césium dans le graphite, il est nécessaire
de lever expérimentalement 1 •ambiguïté s u r le -type de composé utilisé,
comme on le verra plus loin (cf. paragraphe H. 2. b).
La conductance, calculée en régime moléculaire, est 1, 8 cm / s
pour le conduit de césium. Cette conductance et la pression de l'alcalin
dans le réservoir permettent de calculer le débit du conduit et par suite,
le flux d'atomes arrivant sur l'échantillon. Ce dernier calcul ne tient
pas compte de la dispersion du flux à la sortie du conduit, son effet e s t ,
en première approximation, négligeable à cauae de la distance échantïU
Ion-wehnelt qui est inférieure au diamètre du conduit.
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Les courbes de la figure 6 relient les flux calculés à la t e m pérature du réservoir pour les trois composés d'insertion de césium
dans le graphite. Habituellement, ces flux sont convertis en températures
"équivalentes" de césium, c'est-à-dire en températures do r é s e r v o i r s de
césium BUT l e s parois desquels on observerait, e s régime des gaz p a r faits, l e s mêmes flux d'atomes que ceux qui arrivent s u r l'échanfPlon.
La courbe de la figure 7 illustre cette correspondance,
n , 2. b - Vérification expérimentale
La valeur du flux de césium peut être déterminée expérimentalement par la mesure du courant d'émission ionique résultant de
l'Ionisation des atomes par conta ci sur la surface chaude de l'échantillon,
e n inversant l e s tensions de polarisation des électrodes du microscope.
En effet, un tel microscope électronique peut être tout aussi bien un
microscope ionique : le grandisse ment e* la méthode de mesure du courant sont identiques dans l e s deux c a s . Des courbes expérimentales
obtenues par KOENIG [ 8 ] relient le courant ionique à la température
d'un échantillon de tungstène (100} placé sous différents flux de césium
traduits en températures équivalentes. Sur ce réseau de courbes (Figure 8)
sont reportés ( X ) l e s points obtenus S l'aide du microscope pour une température du réservoir contenant le composé césium-graphite égale à
665"K. Cette série de points expérimentaux indique une température
équivalente de césium comprise entre 325 et 335°K,
(On remarque, s u r cette figure, la saturation de l'optique pour
une densité de courant ionique de 9.10~
A/cm , ce qui correspond à une
densité de courant électronique voisine de 3.10~
le verrons au paragraphe i n . 2),
A/cm , comme noua
•
Flux sur l'échaittllo)
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-if
/
3110
351
1
1 Test K)
Figure a (d'après KOSNIG [ 8 ] )
Or lea températures équivalentes aux flux calculés pour l e s
t r o i s composés césium-graphite sont, pour cette températrre de r é s e r B
voir de 665 K, les suivantes (Figures 6 et 7) :
Equilibre
Températures équivale iites
C
8
~
C
10
357°K
C
10 *
C
24
330"K
C
24
°36
300°K
=
La réaction d'équilibre des composés césium-greohite présenta
dans le réservoir e s t donc la réaction C.
n
=
C„, .
H, 3 - Introduction d'oxygène
De l'oxygène peut être admis dans l'enceinte du rricroscope à
t r a v e r s une micro-fuite réglable, reliée à un réservoir r e i t p l i , après
avoir été soigneusement dégazé, à l'aide d'une bouteille d'orygène de
pureté 99, 99B % (Figure 9}.
L e s figures 10, I l et 12 reproduisent des enregictrementa des
spectres de masse fournis par un monopole placé dans l'enceinte du
microscope, On remarque que la hauteur du pic 28 dû au maso-oxyde
de carbone (et non à l'azote comme nous le verrons au paragraphe U. 4. c),
croît lorsque l'oxygène eat admis dans le microscope ; ceci egt sans doute
explicable par la désorption de la pompe ionique. Ce phénomène est réduit
par une isolation partielle de cette pompe mais ne peut disparaître totalement.
BBIFTEilLE
i'KKX
IESEHUI
tt.Sksrl
.Figure, 9 - Introduction d'oxygène.
n . 4 - DfrtermtPatton..deB ^ r e a s i c n f r ^ r t i a l i e B
n , 4 , a - Problème général
A chaque gas i composant l'atmosphère résiduelle correspond
une pression partielle F , , que nous nous proposons de déterminer approximativement à partir du spectre de masse et de îa pression P l«e à
î a Jauge,
La pression totale vraie, P. , est la somme de ces pressions
ensemble des
composants
-
*
J
_ 7
Figure 12 - P j = 1 0 t o r r
Sensibilité Monopole : 1 0
- 1 1
A.
I
I'
A—0__li
Figure 11 - P
Sensibilité Monopole : 10
8
= 2.10" torr
Sensibilité Monopole : 3.'Û -12 A.
ALPKRT ; ce type de jauge eut généralement étalonné par rapport à
l'azote : s i on appelle o j le rapport de sensibilité pour cette jauge, du
composant 1 , par rapport a l'azote, {c'est-à-dire le rapport du coefficient d'ionisation du composant i à celui de l'azote)
Pj -
i,
<•{
in.51
P,
ensemble des
composants
Dans le spectrographs de m a s s e , un corps chimique peut donner
plusieurs pics différente, soit par ionisations multiples, soit par cassure
de la molécule (par exemple, à l'oxygène moléculaire correspondent les
pics ~r~ ' 32, 16. 8
). On peut mesurer le taux de fragmentation
du composant i an pic —— = n ,
appelé
C
;
a, est le coefficient
d'ionisation du corps i pour l e spectrometry ; en appelant 1
teur du pic -~—
:
la hau-
n et K un coefficient qui dépend du courant électro-
nique et de l a géométrie du s p e c t r o m e t r y pour chaque pic n nous avons
la relation :
ill. 6)
(composant apportant
une contribution au
pic n ) .
La relation (H. 5! et les relations du type (IL 6) permettent
théoriquement de résoudre le problème a i l'on connaît les a
, a
l
et C .
Soit par exemple, le apeeire de la Figure 10. ou les pics
apparaissent pour l e s valeurs suivantes de :
-—- - 2 , 14 , 15, 16 , 17 , 18 , 28 , 32 , 40 et 44.
On peut alors déterminer l e s 8 pressions partielles suivantes :
P
H
P
2
P
P
P
• H 0 • CH • CO • \
2
P
• 0
4
e t
' Ar
2
P
CO„
•»'
l e s
équations ci-après :
'44
'«
(H. 7)
C
°C°2
°2
(II. B)
Ar
AT
K a* P
- 2 "2
I.,
(II. 9)
CO
'28 *
K
'.B "
K
C
C°CO
°H 0
C
K
o
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"co,
2
C
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P
E
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C
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P
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P
P
°CO " c O * "»)., N
4
»Ar Ap
+
P
°CO C0 ,
2
i
2
<«•">
L'ensemble des équations (II. 7) à (n. 17} duquel on supprima
{IL 12) et (2,13), forme un système de 9 equations à 9 inconnues et permet
de calculer l e s 8 pressions nartiellee et K ; les deux équations (n, 12) et
(D.13) sont également vérifiées par l e s valeurs de K et P solutions du
système précédent.
H. 4. b - Cap ejmplifié
Si l'on peut considérer qu'à un pic n ne correspond qu'un seul
composant de pression partielle P . , le calcul général se simplifie car
la relation (H. 6) devient :
KC
1
s .
~i '
ha valeur de P donnée par la relation (11,18) portée dans
(n. 5) permet de connaître l / K ; or pour un composant k auquel c o r r e s pond le pic n' , la relation (H. 18) est valable et s'écrit
ensemble n
des composants
:
Cette formule se simplifie encore s i on ne considère que des
pics dont le taux de fragmentation est égal à un, c'est-à-dire, pour
chaque composant i , Bon pic principal, et s i on suppose a . = a*? = a.
pour chaque valeur de i . On peut donc poser 1 ° 1, pour chaque valeur
de i (et donc 1 , = 1 J . La formule (11.19) devient :
H. 4. c - Application au djgpp_sitif expérimental_
Etant donné la disposition de la jauge, du monopole et de
l'échant01on, on admet que la pression est la même au niveau de ces
appareils et de l'échantillon.
Les spectres obtenus lorsque la micro-fuite est fermée, sont
comparables à celui de la figure 10.
L e s sections efficaces d'ionisation, proportionnelles aux cr , ,
sont, pour le monopole utilisé, celles qui correspondent au potentiel
accélérateur de 75 Volts (Tableau I).
Les valeurs des coefficients d'ionisation pour une jauge de
type BAYARD-ALPERT par rapport à l'argon sont donnés dans le
Tableau I. Les a . sont les rapports de ces coefficients au coefficient
d'ionisation de l'azote car la jauge est étalonnée par rapport à ce dernier
Le Tableau I donne aussi l e s taux de fragmentation pour l e s
principaux corps, obtenus avec un appareil identique à celui relié à
l'enceinte du microscope. L ' e r r e u r principale Intervenant dans ce calcul
TABLEAU I
«2
Sections efficaces
d'ioniflaUoC pour
un potentiel d'io­
nisation de 75 V.
(ei unité de
C
H
4
H 0
N
2
2
CO
°2
Ar
C
°2
1.01
4,30
2,98
2,75
2, SB
2. 5S
3,52
4,31
0,38
1,22
0,75
0,82
0,90
0,85
1,00
1,16
2
1 0 - " cm" )
Coefficient d'ioni­
sation p*r rapport
a l'Argon poor une
Jauge BayardAlport
Taux de fragmen­
tation pour un
monopole
Veoco SPI10
Ptcf
V.
2
1
3
100
2
0,8
7.
pic-—
18
15
14
!3
12
18
17
18
100
24
2
28
14
28
100
1,3
4,2
Pfcf
28
28
12
1G
14
7.
pte-f
7.
ptef
7.
pic-S
100
a, e
2,2
1,3
32
18
8
100
15
40
100
néeHgea-
44
28
16
8
12
1.2
20
7.
100
20
9.7
4,4
0,3
dee pre&slonB partielles est due, dans ce caa particulier, a l'imprécision
s u r l e s valeurs des taux de fragmentation. En effet, ces taux de fragmentation pe uvent v a r i e r d'yn appareil & l'autre et avec l e même appareil
d'un r é g a g e a l'autre pour le même courant d'émission.
P a r exemple, le spectre de la figure 12 indique que le rapport
des hauti urs du pic 32 et du pic 16 de l'oxygène est 0,08 alors que le
tau* de f -agmentation donné dans le tableau vaut 0,15. Ces taux sont
donc approximativement vrais à 50 % p r è s . Le spectre de la figure 10
indique l e s hauteurs de pics suivantes ;
l -l-.S
2
1 1 , , =0.1 ; 1^-O.OS ; l
1 „ - 1 ; l „ - 2.4 ; 1
2 8
• 7.8 : 1 ,
2
1 5
-0.2
; 1,„ - 0,7 ,
• 0.1 ; ! „ - 0. S ; 1 „ . 1,8
La hauisur du pic 28 qui correspond à l'azote et au mono-oxyde
de carbon-.' e s t la hauteur lue à laquelle on a retranché l e s 20 "/„ de î a
hauteur d' pic 44 d'après le taux de fragmentation du dioxyde de carbone
CO,:
CO.K- 1,8 x 0. 2
'26
1
,
- 7.1.10"
J
M
OO M,
I,,
Or le taux de fragmentation donné par le Tableau I pour le pic
g
14 est l /
0
pour CO et 7, 3 "/„ pour N„ ; donc, même en tenant compte
du fait que ces valeurs Boni approchées, la majeure partie du pic 28 est
due au mono-oxyde de carbone.
Dans l e s calculs des pressions partielles suivantes, nous admettrons que le pic 28 n'est dû qu'au mono-oxyde de carbone C O . L e s pressions
partielles sont données par les équations suivantes :
C H
K a
'l5 '
»
4
CH„ CR, 15
4
4
P
C
»
0
K
P
'ia * ° H O H O
2
K
2
°a /co
0
a
3
P
H ^
2
~ he "
K o
C
s
p
co co
+ K
c
° c o z8
2
°2
p
co
a
2
J
J
+o
P
+ 0**
°CH
CH
fcjO
P
+a
P
^0,0 ' « ' C O
a
4
4
Ar
Ar
CO,
J
+o
"Q
2
P
*0
CO,
Pour l e s spectres des figures 10, 11 et 12, en résolvant ce
système, on obtient l e s valeurs données dans le Tableau H.
2
TABLEAU H
P
9
2
8
1.8 , 1 0 * t o r r
9,8 . 1 0 " t o r r
J
1.3 „ 1 0 * t o r r
H
p
p
l
,10
torr
8
1
?
.10" torr
2 . 8 ,10"
Torr
2
CH
5.4 . 1 0 "
U
torr
Ï O
HjO
7,3 , 1 0 " t o r r
9
2,1 , 1 0 " t o r r
'co
0
3.5 . I 0 "
U
1,5
1 0
torr
1,0 .10"
9
5,3 .10
torr
0
torr
1,3 .10
-8
torr
-8
fl
3.9 , 1 0 " t o r r
6.9 .10
Ar
"co
a
4
%
P
Figure 12
Figure 11
Figure 10
.10' torr
3,8 .10
1 0
torr
torr
Ï O
2,9 . 1 0 " t o r r
0
1 0
3,2 , 1 0 " t o r r
!
7,3 .10"
B
P
I .
''
3,2 . 1 0 ~ t o r r
1,1 .10"
1,64.10"
2,9 .10
torr
-8
torr
torr
8,3 , 1 0 " t o r r
torr
1,1
8
?
.10" torr
m - RESULTATS EXPERIMENT AUX
Etude de l'adsorption de césium et d'oxygène BUT la face (100)
d'un monocristal de tungstène
La présente étude rend compte d'une part de l'adsorption de
césium et d'autre part de la co-adaorption césium-oxygène ; pour l'étude
de î'adsorption d*caygène on se reportera à l'article de ALLEAU et
BACAL C 3 ] ,
m . 1 - Adsorption de césium
Sur l'échantillon monocrlsteHin étudié arrive un flux constant
de césium, converti en température équivalente (cf. paragraphe H, 2. a).
L'échantillon est a l o r s chauffé pendant 30 secoadea vera 2 10ff*K :
le courant collecté par la sonde permet de calculer le potenttel d'extraction
qui est voisin de 4, 62 V, Le chauffage de l'échantillon est subitement coupé ; l a décroissance d'abord t r è s rapide de l a température de l'échantillon ne permet pas de suivre (au pico-ampèrem&tre) la variation du courant
de sonde. F a r contre, à partir d'une température de l'ordre de 1 GOffK,
on peut t r a c e r en continu aur un enregistreur X-Y, la courbe reliant le
courant de sonde, a la température de l'échantillon fournie par le pyromètre infra-rouge.
- 32 -
La figure 13 représente les courbes tes t r a i t s pleins} ainsi
obtenues pour différentes températures de césium équivalentes T
,
Biles sont t r a c é e s en portant en ordonnées la densité de courant J en
A/ero , et e n abscisse la quantité —7=- , T étant la température de
l'échantillon en "K.
La partie voisine de la droite
4 - 4 , 6 e V est tracée en fai-
sant décroître t r è s lentement la température de l'échantillon.
Ces résultats concordent assex bien avec ceux de ALLEAU
[ 9] (courbes en pointillés de la figure 13), Néanmoins, les courbes
obtenues ne suivent pas à basse température la droite
t - 1,8 eV qui
est le travail d'extraction du césium, comme celles de ALLEAU ; cela
est dû à la décroissance encore trop lente de la température de l'échantillon malgré une amélioration du contact thermique entre l'échantillon
et son support. La pollution de l'ensemble Ce - W (100) par les gaa de
l'atmosphère résiduelle (pression totale voisine de 5 . 1 0 '
torr) fait
décroître $ jusque vers 1, 5 eV ; ceci a été remarqué par de nombreux
expérimentateurs
[3, 9] ,
III. 2 - Co-adsorptiem de césium et d'oxygène
Pour un flux de césium constant arrivant s u r l'échantillon, les
courbes reliant la densité de courant d'émission à l'inverse de la température de l'échantillon, ont été tracées pour différentes pressions partielles d'oxygène régnant dans l'ensemble du microscope : ce sont à
T
- 315 , 330 et 348"K les trois réseaux des figures 14, 1 5 e t l 6 .
Pour chaque réseau, la courbe 01 e s t obtenue lorsque la m i c r o -
fuite réglable est fermée, c'est-à-dire lorsqu'on n'injecte pas d'oxygène ;
sur les autres courbes, nous observons que lorsque la pression d'oxygène
'
M ' '
'
M '
!
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Fig. S
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TCs =315'K
IKSMIUBIE «max
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01
12
03
01
05
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r™
U , 10
2.7.
9.9.
1,1.
2,7.
3,1.
U.
5.7.
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oa
09
10
9
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10"
10 "
10"*
10 "
10"
10"
10"*
10"'
9
8
8
1
4
0
'lfl /T( K)
J
I
I
L_
25
Fig.14
- 37 -
augmente, la valeur du courant correspondant au sommet des courbes
passe par un maximum. Sur la figure 16, pour l e s courbes OS et 07,
l'optique du microscope est suturée (J = 3.10*
A/cm ) avant que la
densité de courant n'atteigne aa valeur maximale.
Parallèlement à cette évolution à partir de la courbe 01, on
volt apparaître à des températures d'échantillon plus faible, et pour
certaines valeurs de la pression d'oxygène, une ou deux autres valeurs
maximales du courant.
Les Tableaux EQ, IV, V , correspondant respectivement aux
réseaux des figures 14, Ï 5 et 16, regroupent pour chaque courbe lea
valeurs de la pression partielle d'oxygène P Q , de la somme des p r e s sions partielles des composés oxygénés P
T
O
fH-O, C O , O
CO î
et de la pression totale calculée P . Ces pressions sont calculées avec
une précision supérieure à 25 */» •
Sur ces t r o i s réseaux de courbes, on peut évaluer le travail
de sortie en chaque point à l'aide des droites
S = constants ; niais,
pour plus de précision, et pour pouvoir comparer avec la théorie de
RASOH et WARNER [ 10 ] , lea marnes courbes ont été tracées Sfigures
17. 18 et 19) dans le plan s - T / T
(T et T
étant respectivement
la température de l'échantillon et la température équivalente de césium
exprimées en°K).
Bans cette théorie, la variation du travail de sortie eat donnée
par la variation du potentiel de surface créé par la couche dipolaire formée par l e s particules adaorbées et leur image dans le métal e s tenant
compte de l'action du champ dépolarisant sur le moment de chaque dlpcUe.
RASOR et WARNER [_ 10] tracent les courbes (reprises en pointillés sur
la figure 17) qui relient la valeur dé travail de sortie en fonction du rap-
TABLEAU TV - T.. = 330*K
TABLEAU in • T__ * 315*K
P
01
0
(torr)
10
3.6.10-
P
L 0
(torr)
9
2.5.10"
02
1.4.10"*
4. 7.10*
9
03
2. 7. l u "
9
Ë.3.10*
9
04
9,fl.IQ"
9
OS
I.4.10-
8
1.6.10**
2,4. lO*
8
P
P (torr)
t
4,3.la"
9
7,5,I0""
1,0.10**
6.1.10"
8
B.O.IO"
8
8.5.10-
8
9. 9, Iff
8
1.5.I0'
7
09
5,7.10
10
9, 3.10"
-8
8
1.3.10
.7
1.S.10"
8
03
8
3.1.10"
8
4,e.io"
6,2.IO"
8
8.4.10"
8,2.10'
8
4,8.10"
8,8.1û~
8
02
3.0.10"
B
4,B.io'
3.1. l u "
1.5.10'
8
6
06
3.S.10-"
1.9.10"
1.5.10"
8
4.8.10"
4,8.IO
3
3.6.10"
5.1.10-
07
4.1.104.0.10"
07
1.2. ÎO
-7
1.9.10"
OS
2,2.10"'
3,5.Ï0"
09
3,1.10"
10
4,2.10
11
4.7.10"
7
s.a.io"
12
7.0.10"
7
î.3.10"
7
-7
5.4.10"
7.S.10
7
8
8
3,3.IO'
1.6.10"
8
8.0.1O*
9
2.2.10"
8
3,9.10"
9
1.0.10'
8
2,7.1Q"
04
1.7.10"
8
3,0.10"
B
3.9.10"
05
3.7.10"
8
3.5.10"
8
4.3.10"
6.2.Ï0"
9
-8
06
S. 4.10
07
6.I.10'
OS
-7
1,4.10
3,9.10
t
9
01
7
-1
P (torr)
9
1.0.10"°
2.1.10*
- 348*K
r 0
8
OS
8
OS
02
03
°2
T-
(torr) P ( t o r r )
9.7.10"
04
4.1.10"
8
3,5.10"
a
F
-9
8
2. 7.10"
TABLEAU V
r r , P, (torrl
10
2,i.i0"
OS
t O
5,6.10"
3.1.10"
8
t 0
9
8
8
8
P (
U
01
9
(torr)
8
8
8
8
7,1. IO"
8
7,5. l(f
S
I.1.10"
7
1.7.10"
7
2.1.10
.J
e.i.io"
7
09
a.o.io"
7
7.9.10"
7
10
5.5.10"
7
7
9.2.I0"
7
11
7.5.10"
7
9.3.10"
7
9, 7.10"
6
1.5.Î0"
6
12
I,4.iO"
S
I.S.IO"
6
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6
13
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6
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4.3.Î0-
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6,6.10
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8.8.tû"
7
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5.6
4.1
4,0
1,5
3.6
4,8
1,2
2.2
3.1
4.2
4.7
7.0
01
02
03
04
05
06
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OB
09
10
11
12
03
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l
PRESSION PARTIELLE D'OXVGENE
\
io-
i
TCs = 330"K
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\
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4fA\Il
I
1
20
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i
i
04 os oa
i
i
i
1
25
Fig. 15
J (À/cm V
\£\-,'
\^
Fig. 16
• I" I I I
I I
- n
4>(eV
- 01
théorie | RASOR .WARBER )
TCs = 315*1!
I M M IMIEHii'HYBEKE
01
02
03
01
05
06
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OS
09
10
I _l
I
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J
I
I
L
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I
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3.6.
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2.7.
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2.7.
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5,7.
9,3 .
L
10""
10"'
10"'
10"'
10"'
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T/TCs
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L_l_
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5
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TCs=330°K
PRESSIM PARTIELLE d'GXYGEHE
(Torrl
01
02
03
04
05
06
07
08
09
10
11
12
13
11
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10"
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I
I
I
I
I
I
I
I
I
I
I
i
i
i
i
I
i
i
-i—i—i—r
-[—r
~<MeV)
TCs = 3l8"K
fBESSM PARTIELLE d'DXYGENE
(Ton-)
01
02
03
04
05
06
07
09
09
10
11
12
13
3.5
1,5
3,9
1.7
2,7
5,4
6,1
1.4
3
5,5
7,5
1,4
3,3
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
11
10"
10"
10"
10"'
10"'
10"'
10"'
10"'
10"'
10"'
10"'
10"
10"
9
9
6
6
T/TCs
_L—J
l_
J
I
I
l
I
l
_L_I
L
J
I
L
port T / T
; ces courbes sont paramétrées en {
, travail de sortie
En présence de césium et d'oxygène, la variation du travail
d'extraction 9 en fonction de T / T
C
B
est quaUtativement représentée
par la figure 20.
0
m.
0„=5eV
\.(1l
« 0 = 4.65V
1^13 1
"Jy
T/T
'JlBI
Cs
Figure 20 - Représentation quali'ative de la variation du
travail de sortie en présence d'oxygène et de césium,
Quand le r e p o r t T / T
diminue :
- La région 1 représente le passage de la courbe $
= 4, 6 eV
(qui est le travail de sortie réel du tungstène à trèB haute température, .
quelle que soit la pression d'oxygène) à la courbe correspondant au
tungstène sur lequel est adsorbô de l'oxygène, soit par exemple { = 5 eV,
cette valeur de ç
étant variable avec la pression d'oxygène.
- 43 -
- La région 2 rend compte de 1'adsorption du césium : n o s
n
suivons alors la courbe f
5 eV,
- Le retour sur la courbe g
* 4,6 eV (région 3) correspondrait,
s u r la surface, à la disparition de l'oxygène sous la forme îa pîua électronégative, par l'une des réactions chimiques suivantes :
O + O -
0
selon RASQB [113
2
2 Ca + O - C B O
2
selon WARKEE [ 12 ]
- La région 4 rend compte de l'adsorption du :ésium : nous
suivons alors la courbe f * = 4, 6 eV.
- Le dernier coude (région 5) s'effectue plus bas que pour les
courbes théoriques dues à l'action du césium s u r le tungstène, La théorie
de RASOH et WARNER [ 10] relie la position de ce coude (région 5) au
taux de recouvrement en césium, qui est l e rapport du nombre d'atomes
adsorbés au nombre de sites d'adsorption possibles a la surface du métal ;
en présence d'oxygène, ou d'oxyde de césium, le nombre de sites et, donc,
le taux de recouvrement varient : cette variation peut expliquer que la
partie rectiligne décroissante des courbes théoriques se prolonge vers
l e s valeurs de T / T
plus faibles avant de donner un palier (région 5).
- Safin, l'émission obtenue à faible température d'échantillon
(région 6) ne relève plus de la théorie de RASOE et WARHER. Elle peut
s'expliquer par la formation d'oxyde de césium C s „ 0 en couche suffisamment épaisse ; cet oxyde est un isolant, mais, dopé par du césium, il
devient un se mi-conducteur de type n [ 13 ] .
T
Les figures 17, 1 > et 19 ne permettent pas de voir les courbes
telles q u ' e u e s sont décrites sur la figure 20, dans leur ensemble parce
que le courant d'émission est parfois trop faible pour être détecté.
L e s courbes 13 des figures 18 et 19 mettent en évidence
l'augmentation du travail de sortie due a l'adsorptlon d'oxygène, analogue
à la région 1 de la courbe de la figure 20 ; on remarque cependant que le
travail de sortie pour la plus haute valeur du rapport T / T
atteinte
n'est pas 4, 6 eV en présence d'oxygène, car la température de l'échantillon T n'est pas suffisamment élevée,
Les transitions correspondant à la région 3 de la courbe théorique de la figure 20 sont visibles sur les trois réseaux de courbes expérimentales. Ellep s'effectuent pour des rapports T / T
de pluo en plus
élevés quand la pression d'oxygène augmente, et 11 apparaît parfois un
minimum relatif du travail de sortie.
La région 5 sur la figure 20 est visible par exemple, sur le&
courbes 03 des trois réseaux.
L e s maximums de courant dus à la formation de semi-conduct e u r s composés d'oxygène et de césium, correspondent à un travail de
sortie de 1 eV, Cette valeur est en accord avec celle trouvée dans l e s
expériences du môme type [ 3 ] ,
Une remarque importante doit être faite à l'issue de cette étude :
dans le microscope à émission thermoélectronique utilisé, toutes les
courbes J = f (10 /T) sont r e 'vées de façon continue, et non point par
point avec stabilisation avant chaque mesure.
Ce t r a c é dynamique, relativement lent pour permettre une
quasi-stabilisation est Imposé par la présence d'une atmosphère r é s i -9
-8
duelle (5.10
à 10 torr) qui crée une pollution assez rapide (2 à 3
minutes) du système émetteur lors de la descente en température.
CONCLUSION
Après avoir retrouvé les propriétés émissives de la face (100)
d'un monocristal de tungstène en présence de césium adsorbê, obtenues
p a r T . ALLEAU et J . L . DESPLAT [ 9 ] , nous avons étudié l'émission
électronique du système césium-oxygène-tungstène (100).
L e s résultats montrent que l'addition d'oxygène entrai-^, en
général, une dimiivHon importante du travail de sortie du aystème
césium-tungstène (100). La valeur minima que peut atteindre le travail
de sortie du système césiutn-oxygène-tungstène (100) est voisine de 1 eV.
La forte électronégativité de l'oxygène augmente le moment
dipolaire présenté par l e s atomes de césium ad a orb éa et, de ce fait,
augmente la variation du travail de sortie.
Partant de la théorie de RASOR et WARNER [ 1 0 ] développée
pour le système césium-tungstène (100), nous avons donné une interprétation qualitative des phénomènes observés pour le système césiumoxygène-tungstène (100).
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Manuscrit reçu le 23 août 1973