[0001] La présente invention concerne une cathode froide à micropointes.
[0002] En particulier, l'invention s'applique aux spectromètres de masse dans lesquels le
filament électrique chauffant émetteur d'électrons est remplacé par une telle cathode
froide à micropointes. De telles cathodes froides sont des dispositifs émetteurs d'électrons
réalisés par des procédés semiconducteurs.
[0003] Ces cathodes froides sont malheureusement peu performantes, de l'ordre de 10% seulement
des pointes d'un réseau de micropointes émettent. Ceci est dû à la non homogénéité
du réseau de pointes à cause, entre autre, des tolérances de fabrication.
[0004] Ainsi, à cause de cette non homogénéité des pointes, le champ électrique en bout
de pointe varie beaucoup d'une pointe à l'autre, or, l'émission d'électrons suit une
loi exponentielle en fonction du champ électrique en bout de pointe. On a donc une
hétérogénéité de l'émission qui est dommageable. Cet inconvénient est accru si l'on
travaille à "haute pression", par exemple à une pression égale ou supérieure à 10
-4 mbar. En effet, si une pointe émet plus d'électrons que ses voisines, elle est plus
sensible aux phénomènes de retour d'ions positifs et de création d'arc qui détériorent
les pointes.
[0005] La présente invention a donc pour but de proposer une cathode froide à micropointes
qui permet d'améliorer l'homogénéité de l'émission d'électrons de ses micropointes.
[0006] L'invention a ainsi pour objet une cathode froide à micropointes comprenant un substrat
comportant un réseau de micropointes et une plaque disposée parallèlement au substrat
portant les pointes, ladite plaque comportant un trou en face de chaque pointe et
constituant ainsi une grille, un isolant comblant l'espace entre le substrat et ladite
grille en dehors desdites pointes, caractérisée en ce que la distance d, nominale,
séparant le sommet d'une pointe, de la face de ladite grille la plus éloignée du substrat
est d = 0, en ce que le rayon de courbure R
T, nominal, du sommet de chaque pointe est R
T = 25 nm et en ce que le rayon R
GH, nominal, desdits trous de la grille est de R
GH = 1,3 µm.
[0007] Les expériences ont en effet montré que dans la géométrie d'une cathode froide, certains
paramètres sont très importants, il s'agit précisément des paramètres ci-dessus :
d : distance qui sépare le sommet d'une pointe, de la face de la grille la plus éloignée
du substrat ; R
T rayon de courbure du sommet des pointes et R
GH le rayon des trous de la grille en face de chaque pointe.
[0008] Pour ces trois paramètres, on a trouvé une valeur nominale pour laquelle la dérivée
totale de la valeur du champ en bout de pointes, par rapport à ces trois paramètres
d, R
T et R
GH, est minimale et correspond donc à une valeur du champ en bout de pointes ayant une
dispersion minimale.
[0009] Dans ces conditions, on obtient un réseau optimisé, c'est-à-dire pour lequel le champ
électrique en bout de pointes varie très peu, dans les limites de tolérances de fabrication,
autour de la valeur nominale de ces paramètres. Ces valeurs nominales sont ainsi les
suivantes : d = 0, R
T = 25 nm et R
GH = 1,3 µm.
[0010] Le résultat est que l'on obtient un réseau ayant un nombre élevé de pointes qui émettent
de la même façon, trois ou quatre fois plus que dans un réseau non optimisé.
[0011] La figure 1 est une vue schématique partielle montrant une portion de cathode froide
à micropointes selon l'invention.
[0012] Les figures 2, 3 et 4 sont les courbes de la valeur du champ en bout de pointes en
fonction, respectivement, de la valeur des paramètres d, R
T et R
GH.
[0013] La figure 1 montre ainsi une portion de cathode froide où une seule pointe est représentée.
Les pointes telles que 1 sont formées sur un substrat 2. Une plaque 3, appelée grille,
et portant un trou 4 de rayon R
GH en face de chaque pointe est disposée parallèlement au substrat 2. Un isolant 5 comble
l'espace entre le substrat 2 et la grille 3 en dehors des pointes.
[0014] Conformément à l'invention, la valeur nominale de R
GH = 1,3 µm avec une tolérance correspondant à la tolérance de fabrication de ± 0,2
µm ; la valeur nominale du rayon de courbure R
T du sommet de chaque pointe 1 est R
T = 25 nm, la tolérance de fabrication étant de ± 5 nm ; et la valeur nominale de la
distance d séparant le sommet d'une pointe 1 de la face de la grille 3 la plus éloignée
du substrat 2 est d = 0, la tolérance de fabrication étant de ± 0,5 µm.
[0015] La figure 2 montre la valeur du champ E en 10
9 v/m en fonction de d.
[0016] La figure 3 montre la valeur du champ en fonction de R
T,
[0017] et la figure 4 montre la valeur du champ en fonction de R
GH.
[0018] Le calcul montre que la dérivée totale du champ par rapport à ces trois paramètres,
est minimale pour ces valeurs d = 0, R
T = 25 nm et R
GH = 1,3 µm.
1. Cathode froide à micropointes (1) comprenant un substrat (2) comportant un réseau
de micropointes (1) et une plaque disposée parallèlement au substrat portant les pointes
(1), ladite plaque comportant un trou (4) en face de chaque pointe et constituant
ainsi une grille (3), un isolant (5) comblant l'espace entre le substrat (2) et ladite
grille (3) en dehors des pointes (1), caractérisée en ce que la distance d, nominale,
séparant le sommet d'une pointe (1) de la face de ladite grille (3) la plus éloignée
du substrat (2) est d = 0, en ce que le rayon de courbure RT, nominal, du sommet de chaque pointe (1) est RT = 25 nm et en ce que le rayon RGH, nominal, desdits trous (4) de la grille (3) est RGH = 1,3 µm.
