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Le canon à électron est un dispositif produisant un faisceau d'électrons, servant à balayer l'échantillon observé. Les électrons du faisceau sont extraits d'un matériau conducteur, ici un filament de tungstène selon le principe d'émission thermoïonique. Les électrons sont ensuite accélérés par un champ électrique avant de pénétrer au sein d'une colonne électronique focalisant le faisceau obtenu par le biais de plusieurs composants (dont une lentille magnétique), de façon à obtenir un spot au niveau de l'échantillon.

La qualité du signal traité dépend grandement des caractéristiques de ce spot, que l'on souhaite stable, intense et de petite taille.

Les électrons sont extraits d'un filament de tungstène auquel est apporté une énergie thermique (obtenue par effet Joule). Au delà d'une certaine température, un électron aura acquis une énergie suffisante pour s'extraire du matériau en passant la barrière de potentiel qui l'aura retenu au sein du tungstène.

En aval sont placées deux plaques métalliques, l'une (la cathode) chargée d'une très forte tension (de l'ordre du kV) et l'autre (l'anode) sans potentiel mais comprenant un trou à diamètre très réduit (ou “pinhole”). Le champ subséquent entre les deux plaques accélère les électrons arrachés du le filament, formant un faisceau en aval du pinhole de l'anode, où aucun champ ne règne.

En fonction de la tension appliquée au filament de tungstène, il est possible d'influer sur le nombre d'électrons émis, sachant qu'un trop grand nombre d'électrons émis accroîtrait les forces de répulsion entre ceux-ci, élargissant le spot obtenu en aval de la colonne électrique. En sus, une vitesse trop élevée entraînerait une réactualisation du signal émis par l'échantillon trop fréquente.

[Compléter le tableau]

Du fait de la répulsion électromagnétique entre les électrons, le faisceau est divergeant (par analogie avec de l'optique géométrique). La colonne électronique permet d'y remédier par le biais d'une lentille dite unipotentielle (ou “lentille Einzel”), agissant par le biais d'un nouveau champ électrique sur la trajectoire des électrons.

La lentille se compose de six plaques réparties symétriquement par rapport à l'axe du faisceau et au centre des plaques intermédiaires. Ces plaques intérmédiaires (L2) sont chargées tandis que les autres ne le sont pas (L1). La vergence du faisceau en sortie de la lentille et la vitesse des électrons dépend de la longueur, du positionnement des plaques et de la charge des plaques intermédiaires.

En coordonnées cylindriques, l'application d'un champ électrique dans la colonne électronique par la lentille entraîne une variation des composantes selon r et selon z de la vitesse des électrons. Sachant la variation selon z négligeable devant celle selon r, et cette dernière varier opposémment à r, les électrons les plus lointains de l'axe de la colonne seront progressivement ramenés vers le centre.

Notons qu'une distance focale trop élevée nécessiterait une longue colonne électronique, soit un dispositif plus important en taille à mettre sous vide.

[Compléter les tableau et ajouter un schéma détaillé après simulation]

La lentille unipotentielle permet de modifier la position du spot au niveau de l'échantillon en appliquant un champ électrique entre deux plaques D1 et D2. Ce champ, proportionnel à la tension appliquée à l'une des deux plaques et inversement proportionnel à leur écartement, va modifier la trajectoire des électrons entre les deux plaques.

Chaque diptyque permettant un degré de liberté quant au réglage de la position du spot, il en faut deux (pour chaque axe). Nous avons pour le moment fait le choix de ne pas placer les quatre plaques à la même hauteur, afin d'éviter tout phénomène d'hystérésis.

Toute déviation systématique du faisceau (due par exemple à l'alignement) pourra être compensée par un offset de la tension des plaques.

[Compléter le tableau et ajouter un schéma détaillé après simulation]