Les satellites de télécommunications permettent la transmission de l’information. Les signaux transitent par des composants radiofréquence (RF) tels que les composants en guide d’ondes, les circulateurs, câbles coaxiaux... Lorsque la puissance RF véhiculée est importante, l’émission électronique sous impact d’électrons peut être à l’origine du déclenchement de l’effet Multipactor. Il s’agit d’un accroissement exponentiel de la densité d’électrons dans le vide du composant par résonnance entre champ RF et émission électronique sur les parois. Cet effet néfaste peut conduire à la détérioration progressive du composant RF.
Les modèles d’émission électronique utilisés pour prédire le seuil de déclenchement du Multipactor sont généralement basés sur des données extraites de mesures d’émission électronique réalisés sur des matériaux dits ‘pur’. Or, les matériaux utilisés dans les composants RF sont des matériaux dits « techniques », c’est-à-dire exposés à l’atmosphère ambiante. Les propriétés d’émission électronique des matériaux techniques sont différentes de celles des matériaux purs à cause de la contamination naturelle déposée à leur surface. Il en résulte un écart entre les seuils réels de déclenchement du Multipactor et ceux prédis par les modèles. Il est donc nécessaire d’évaluer les effets de la contamination sur les propriétés des électrons émis tels que leur quantité, représentée par le rendement d’émission, leur nature: secondaires ou rétrodiffusés ou encore leur distribution énergétique.
L‘objectif de la thèse consiste à caractériser expérimentalement sous vide les propriétés d’émission électronique de matériaux utilisés dans des applications spatiales tels que l’argent et l’aluminium dans leur état de contamination naturel, afin de fournir des données précises à la communauté du spatial tout en contribuant à comprendre et quantifier le rôle joué par la contamination naturelle sur leurs propriétés d’émission électronique.
Afin de répondre à cet objectif, un moyen expérimental nommé CELESTE permettant de caractériser les différentes propriétés d’émission électronique de ces matériaux sous ultravide a été développé au cours de cette thèse. Il permet d’effectuer des mesures de rendement d’émission électronique ainsi que des mesures de rendement de rétrodiffusion grâce à un dispositif expérimental développé pendant la thèse. Afin d’établir un lien entre la physique d’émission bien connue des matériaux purs et la physique d’émission des matériaux d’utilité pratique (contaminés), un protocole expérimental spécifique a été mis en place. Il permet de caractériser l’évolution du rendement d’émission et de la distribution énergétique des électrons émis à partir d’un matériau exposé à l’air jusqu’à l’élimination par décapage ionique successifs de tous les contaminants déposés à la surface.
Une corrélation a été établie entre évolution du rendement d’émission et évolution de la composition de la surface de l’argent et de l’aluminium. Ce travail a permis de mettre en évidence l’influence prépondérante des contaminants naturels sur leurs propriétés d’émission électronique. En effet, les propriétés d’émission de ces deux matériaux exposés à l’air dépendent d’avantage de la nature de la couche de contamination déposée à la surface que du matériau pur sous-jacent. Les résultats obtenus soulèvent des interrogations sur la représentativité des tests de qualifications de l’effet Multipactor réalisés en laboratoires sous vide poussé, des conditions spatiales
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The transmitted signals on telecommunication spacecraft pass through radiofrequency (RF) components such as waveguides, circulators and coaxial cables. When RF power needed is high, electronic emission under incident electron could be the trigger of Multipactor effect. This effect, leads to an exponential increase of electron density in the vacuum of the RF component by resonance between RF field and electron emission from the walls. This undesirable effect could lead to the progressive degradation of the RF component.
Electronic emission models used for multipactor threshold estimation are usually based on data extracted from measurements of electron emission characteristics performed on 'pure materials’. However, the used materials in RF components are ‘technical materials’ exposed to ambient atmosphere. The electronic emission properties of technical materials are different from those of pure materials because of the deposition of the natural contamination on their surface. Consequently, these may lead to significant disparity between real Multipactor threshold and those predicted by models. Thus, it is necessary to investigate the effects of contamination on the electrons emitted properties such as their quantity (the electron emission yield), their origin; secondary or backscattered and also their energy distribution.
The aim of this study is to provide accurate data on electronic emission properties of technical materials used in spacecraft applications such as silver and aluminium and to understand and to quantify the effect of natural contamination on their electron emission properties.
In order to reach this goal, an experimental facility named CELESTE allowing electronic emission properties characterization under ultra-high vacuum had been developed. The facility can be used to perform electron emission yield measurements and also backscattering yield measurements thanks to special experimental setup developed during this phD. To establish a link between the well-known emission physic of pure materials and those of “technical” materials, a specific protocol has been implemented. It allows the study of emission proprieties starting from a sample exposed to ambient atmosphere and reaching a cleaned sample, using Ar ion etching step by step technic.
A link has been established between electron emission yield and surface composition evolution of silver and aluminium sample. This work highlights the leading influence of natural contamination on the electron emission proprieties of metals.
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