Que ce soit dans l‟étude du claquage sous vide ou dans les sources d‟électrons par effet de champ, l‟émission électronique est un phénomène physique essentiel qui a lieu et devient dominante à la cathode sous haute tension. Dans le cas du claquage sous vide, la première étape de ce mécanisme est l‟émission d‟électrons au sommet de rugosités présentes sur la surface. Celles-ci peuvent être représentées sous la forme de pointes. Dans le cas des sources d‟électrons, l‟émission des électrons peut se faire au niveau d‟émetteurs qui eux aussi peuvent être décrits sous la forme de « pointes » distribués de manière ordonnée sur la surface. Un modèle numérique décrivant l‟émission thermo-ionique assistée par effet de champ a été développé dans le cas d‟une pointe axisymétrique et dont le traitement peut être réduit en 2D.Il s‟agit là d‟un problème multi-physique couplé nécessitant la résolution de problèmes de différentes natures : quantiques, électrostatique, électrocinétique et thermique. A partir de ce modèle, l‟étude de l‟émission et du claquage au sommet d‟une pointe soumise à une pulse électrique de l‟ordre de la nanoseconde a été étudiée. L‟étude de l‟émission électronique sur une cathode soumise à la haute tension et illuminé par un laser picoseconde a ensuite été faite en développant un modèle qui décrit notamment le chauffage du métal en régime hors équilibre. Enfin, dans le cas du claquage sous vide, la modélisation de l‟interaction entre des microparticules, présente dans l‟espace inter-électrodes,et de l‟émission électronique provenant du sommet d‟une rugosité a été realisée. Différents régimes de trajectoires de la microparticules ont été observée suivant le courant appliqué au sommet de la rugosité. / Electron emission in vacuum from a cathode at high voltage is an important physical phenomenon for the study of vacuum breakdown or electron sources. In the vacuum breakdown, the first step of this mechanism is electron emission at the top of the microprotrusions on the surface. Microprotrusions or emitters in electron sources have the shape of a tip. A numerical model describing the thermo-field emission has been developed for a 2D axisymmetric tip. The problem is multi-physical and it is necessary to solve problems of different natures: quantum mechanics, electrostatic, electric current and thermal heating. With this model, it is possibleto study electron emission and vacuumbreakdown when nanosecond high voltage pulses are applied. Furthermore, the study of electron emission when a picosecond pulsed laser illuminates a high voltage cathode has been performed. A new model has been developped to describe the photo-electric effect and a two-temperature model has been implemented to describe the heating of the cathode in a non-equilibrium regime. Finally, the modeling of the interaction between microparticles and electron emission from microprotusions has been realised, in order to study the breakdown voltage. Different trajectories of microparticles have been identified based on the results, depending on the electron emission current.

L’espace est un milieu hostile pour les équipements embarqués à bord des satellites. Les importants flux d’électrons qui les bombardent continuellement peuvent pénétrer à l’intérieur de leurs composants électroniques et engendrer des dysfonctionnements. Leur prise en compte nécessite des outils numériques 3D très performants, tels que des codes de transport d’électrons utilisant la méthode statistique de Monte-Carlo, valides jusqu’à quelques eV. Dans ce contexte, l’ONERA a développé, en partenariat avec le CNES, le code OSMOSEE pour l’aluminium. De son côté, le CEA a développé, pour le silicium, le module basse énergie MicroElec dans le code GEANT4. L’objectif de cette thèse, dans un effort commun entre l’ONERA, le CNES et le CEA, est d’étendre ces codes à différents matériaux. Pour ce faire, nous avons choisi d’utiliser le modèle des fonctions diélectriques, qui permet de modéliser le transport des électrons à basse énergie dans les métaux, les semi-conducteurs et les isolants. La validation des codes par des mesures du dispositif DEESSE de l’ONERA, pour l’aluminium, l’argent et le silicium, nous a permis d’obtenir une meilleure compréhension du transport des électrons à basse énergie, et par la suite, d’étudier l’effet de la rugosité de la surface. La rugosité, qui peut avoir un impact important sur le nombre d’électrons émis par les matériaux, n’est habituellement pas prise en compte dans les codes de transport, qui ne simulent que des matériaux idéalement plats. En ce sens, les résultats de ces travaux de thèse offrent des perspectives intéressantes pour les applications spatiales. / Space is a hostile environment for embedded electronic devices on board satellites. The high fluxes of energetic electrons that impact these satellites may continuously penetrate inside their electronic components and cause malfunctions. Taking into account the effects of these particles requires high-performant 3D numerical tools, such as codes dedicated to electrons transport using the Monte Carlo statistical method, valid down to a few eV. In this context, ONERA has developed, in collaboration with CNES, the code OSMOSEE for aluminum. For its part, CEA has developed for silicon the low-energy electron module MicroElec for the code GEANT4. The aim of this thesis, in a collaborative effort between ONERA, CNES and CEA, is to extend those two codes to different materials. To describe the interactions between electrons, we chose to use the dielectric function formalism that enables to overcome of the disparity of electronic band structures in solids, which play a preponderant role at low energy. From the validation of the codes, for aluminum, silver and silicon, by comparison with measurements from the experimental set-up DEESSE at ONERA, we obtained a better understanding of the transport of low energy electrons in solids. This result enables us to study the effect of the surface roughness. This parameter, which may have a significant impact on the electron emission yield, is not usually taken into account in Monte Carlo transport codes, which only simulate ideally flat materials. In this sense, the results of this thesis offer interesting perspectives for space applications.

Les matériaux diélectriques utilisés au sein des applications internes aux satellites sont soumis à des contraintes radiatives et thermiques extrêmes qui peuvent conduire à des perturbations sur l'instrumentation embarquée. Le rendement des applications électroniques diminue ainsi en raison des effets de charge et de dégradation des céramiques utilisées. Dans le but de comprendre et de prédire ces phénomènes, l'étude des mécanismes de transport de charges et de vieillissement électrique sur ces matériaux est primordiale. La démarche de cette étude a alors consisté à définir un protocole et une méthode expérimentale qui permettent d'étudier hors application, les comportements électriques et physico-chimiques sous irradiation électronique, du nitrure de bore brut et revêtu d'une couche mince d'alumine. Pour cela, une étude paramétrique a été réalisée dans l'enceinte d'irradiation CEDRE (ONERA Toulouse), afin d'évaluer l'influence de l'énergie incidente, du flux d'électrons primaires, de la température et de la dose, sur les cinétiques de charge, de relaxation et de vieillissement électrique des céramiques industrielles. Il a été démontré qu'il était possible de limiter fortement la charge de ces céramiques par l'application d'un dépôt d'alumine et par un traitement thermique adéquat. En effet, le rendement d'émission secondaire élevé de l'alumine et l'augmentation de la conductivité de surface, engendrée par le recuit, contribuent à la limitation du potentiel de surface du matériau. Des dépôts d'alumine ont ensuite été élaborés par PVD-RF puis caractérisés en chambre d'irradiation afin de cibler les paramètres d'élaboration qui permettent d'optimiser les propriétés électriques du système. Il a été montré que l'optimisation de la rugosité et de l'épaisseur des dépôts limite le potentiel de surface des matériaux. Une étude amont a été menée dans le cadre d'une collaboration internationale avec le Groupe de Physique des Matériaux de l'Université d'Etat de l'Utah (Logan, USA), afin d'étudier l'influence de la nature et de la population des pièges électroniques sur les propriétés électriques des différentes céramiques. La technique de cathodoluminescence a été utilisée et a ainsi permis d'expliquer la différence de conductivité apparente entre les matériaux bruts, revêtus et recuits. Une nouvelle méthode de mesure de potentiel de charge sous irradiation continue (méthode REPA) a été mise au point puis validée. Des mécanismes de décharge partielle ont été identifiés en surface des échantillons recuits grâce au dispositif optimisé qui a été développé. Une étude de dégradation accélérée des matériaux a ensuite été réalisée en laboratoire dans le but de reproduire la détérioration observée en orbite sur le long terme. Il a été déterminé que la charge des matériaux revêtus et recuits s'amorce après avoir reçu une dose ionisante critique. Des caractérisations physico-chimiques ont donc été effectuées au CIRIMAT afin d'étudier l'évolution des propriétés structurales et chimiques des céramiques. Cette évolution a été corrélée à celle des propriétés électriques après détérioration sous irradiation électronique critique. Les mécanismes de contamination et de détérioration des dépôts de céramiques, responsables de leur vieillissement électrique, ont été mis en évidence. Enfin, ces caractérisations expérimentales approfondies ont servi de base au développement d'un modèle physique qui rend compte des différents mécanismes mis en jeu sur les céramiques et dépôts irradiés. / Dielectric materials used on satellites are subject to radiative and thermal extreme stresses which may lead to disturbances on board instrumentation. The application efficiency can then decrease significantly due to charging and aging effects of used ceramics. With the aim to understand and predict these phenomena, the mechanisms investigation of charges transport and electrical aging on these ceramics is of high importance. The scientific approach of this study was to define a protocol and an experimental method which allows characterising the electrical and physico-chemical behaviours of raw boron nitride and coated with a thin coating of alumina. For this purpose, a parametric study was performed in the irradiation chamber, named CEDRE (at ONERA Toulouse) in order to assess the influence of some parameters such as, incident energy, primary electron flux, temperature, ionising dose, on charging, relaxation and electrical aging kinetics of these industrial ceramics. This study demonstrated that it is possible to greatly limit the dielectrics charging thanks to the use of a ceramic coating and suitable annealing thermal treatment. Indeed, the high secondary electron emission of alumina and the increase of surface conductivity generated by the annealing thermal treatment partly govern the low surface potential of coated boron nitride. Some alumina coating were subsequently elaborated through PVD-RF and then characterised in the irradiation chamber in order to identify the preparation parameters which allow optimising the electrical properties of system. It was shown that the optimisation of the roughness and the coating thickness limits the surface potential of ceramics. An experimental study was conducted in the frame of an international collaboration with the Materials Physics Group of the Utah State University (Logan, USA), in order to investigate the influence of nature and densities of electron defects on the electrical properties of different ceramics. The cathodoluminescence method was used and brought to light the origin of total conductivity difference between materials, raw, coated and annealed. A new method to measure the surface potential under continuous electron irradiation was developed and then validated. A partial discharges mechanism was identified on surface of annealed samples with this optimised device. Ageing processes of the irradiated materials was also studied in the irradiation chamber to reproduce the observed degradation in orbit over the long time. It was demonstrated that the charging of annealed coated materials is noticeable when the sample receive a critical ionising dose. Several physico-chemical characterisations were thus performed at CIRIMAT in order to study the evolution of structural and chemical properties of ceramics. This evolution was correlated with that of electrical properties after deterioration under critical electron irradiation. The contamination and deterioration mechanisms of coated ceramics are responsible of the electrical aging observed experimentally. Finally, these thorough experimental characterisations allowed the development of physical model for the description of the different mechanisms involved on irradiated ceramics and coating.

La fusion nucléaire contrôlée par confinement magnétique avec les réacteurs de type Tokamaks et les applications spatiales ont en commun d’utiliser des composants Haute-Fréquence (HF) sous vide à forte puissance. Ces composants peuvent être sujets à l’effet multipactor qui augmente la densité électronique dans le vide au sein des systèmes, ce qui est susceptible d’induire une dégradation des performances des équipements et de détériorer les composants du système. Ces recherches consistent à améliorer la compréhension et la prédiction de ces phénomènes. Dans un premier temps nous avons réalisé une étude de sensibilité de l’effet multipactor au rendement d’émission électronique totale (noté TEEY). Cette étude a permis de montrer que l’effet multipactor est sensible à des variations d’énergies autour de la première énergie critique et dans la gamme d’énergies entre la première énergie critique et l’énergie du maximum. De plus, les composants HF utilisés dans les réacteurs Tokamak et dans le domaine du spatial peuvent être soumis à un champ magnétique continu. Nous avons donc développé un nouveau dispositif expérimental afin d’étudier ce phénomène. Le fonctionnement du dispositif et la méthode de mesure ont été analysées et optimisées à l’aide de modélisations numériques avec le logiciel PIC SPIS. Une fois que l’utilisation du dispositif a été optimisée et que le protocole de mesures a été validé, nous avons étudié l’influence d’un champ magnétique uniforme et continu sur le TEEY du cuivre. Nous avons démontré que le rendement d’émission électronique totale du cuivre est influencé par la présence d’un champ magnétique et par conséquent également l’effet multipactor. / Space communication payload as well as magnetic confinement fusion devices, among other applications, are affected by multipactor effect. This undesirable phenomenon can appear inside high frequency (HF) components under vacuum and lead to increase the electron density in the vacuum within the system. Multipactor effect can thus disturb the wave signal and trigger local temperature increases or breakdowns. This PhD research aims to improve our understanding and the prediction of the multipactor effect. The multipactor phenomenon is a resonant process which can appear above a certain RF power threshold. To determine this power threshold, experimental tests or/and simulations are commonly used. We have made a study to evaluate the multipactor power threshold sensitivity to the TEEY. Two particular critical parameters have been found: first cross-over energy and the energies between the first cross-over and the maximum energies. In some situations, the HF components are submitted to DC magnetic fields which might affect the electron emission properties and hence the multipactor power threshold. Current multipactor simulation codes don’t take into account the effect of the magnetic field on the TEEY. A new experimental setup specially designed to investigate this effect was developed during this work. Our new experimental setup and the associated TEEY measurement technique were analysed and optimized thanks to measurements and SPIS simulations. We used the setup to study the influence of magnetic field perpendicular to the sample surface on the TEEY of copper. We have demonstrated that the magnetic field affects the copper TEEY, and hence multipactor power threshold.

Si l'utilisation des transformateurs piézoélectriques se bornait jusqu'alors à l'alimentation ou la protection de dispositifs électriques, ils sont aujourd'hui envisagés pour la génération de décharges plasma directement à leur surface. Les propriétés remarquables de ces générateurs piézoélectriques en font une alternative intéressante aux dispositifs conventionnels, notamment par la simplicité de mise en œuvre. La surface du transformateur constitue à la fois le support de décharge et l'élément élévateur de tension réduisant significativement l'encombrement des dispositifs. En outre les gains en tension de ces transformateurs sont remarquablement élevés et permettent d'obtenir des décharges pour des tensions d'alimentation n'excédant pas quelques volts. Ces avantages peuvent répondre avantageusement à certains problèmes rencontrés dans les procédés plasmas dont l'implantation dans les processus industriels, bien qu'elle soit en constante amélioration, est parfois confrontée à des problèmes de mise en œuvre d'enceintes complexes, rendant le procédé couteux ou inadapté aux conditions opératoires. L'objet de cette thèse porte sur l'étude fondamentale d'un transformateur piézoélectrique de type Rosen dédié à la génération de décharges électriques. Plus particulièrement, ce travail s'attèle au développement d'un modèle analytique permettant de mieux appréhender les limites de ce procédé innovant, ainsi qu'une meilleure compréhension du comportement des décharges plasma face aux spécificités de ce transformateur et de son matériau. Pour ce faire l'étude se consacre en première partie à la caractérisation du transformateur piézoélectrique hors décharge à partir de ses bornes, puis à l'extension d'un modèle analytique afin d'appréhender la distribution du potentiel électrique à sa surface. Le développement d'un dispositif expérimental permettra la mesure du potentiel ainsi que la discussion du modèle. Dans un second temps l'étude s'attache au comportement du transformateur piézoélectrique en décharge. La distribution de potentiel à présent connue constitue une donnée d'entrée nécessaire à l'étude de la dynamique de décharges dans ces différentes configurations. Les phénomènes à l'œuvre dans ce processus de génération étant complexes, l'étude est conduite suivant différentes étapes. Tout d'abord en passant par l'étude des propriétés des céramiques ferroélectriques au travers d'une décharge à barrière diélectrique plan-plan. Ensuite la dynamique des décharges est abordée par modélisation numérique suivant trois configurations différentes. Ces cas d'études conduisent à des régimes de décharges différents pouvant faire l'objet de mise en application future. Bien que le problème soit sous l'hypothèse d'un couplage faible, les résultats ont corroborés les observations expérimentales et ont permis de mieux comprendre l'influence des hautes permittivités et de la distribution du potentiel sur l'évolution spatio-temporelle de ce procédé. / Nowadays piezoelectric transformers are not only used to supply or protect electrical devices, but also to generate plasma discharges directly on their surface. The remarkable properties of these piezoelectric generators make them an interesting alternative to conventional devices, especially the simple implementation. The surface of the transformer constitutes both the discharge support and the voltage elevator component reducing significantly the bulk of the devices. Besides the transformers' gain voltage are remarkably high and permit to generate discharges for low voltage supply not exceeding a few volts. These advantages respond to some problems met in the plasma processes of which the establishment in industrial processes - in constant improvement - is sometimes confronted to problems of chambers implementations, making this process expensive and not adequate to the operating conditions. The purpose of this thesis focuses on the fundamental studies of a Rosen piezoelectric transformer dedicated to the generation of electrical discharges. In particular, this work tackles the development of an analytical model allowing to improve the understanding of the limits of this innovating process, as well as a better comprehension of the plasma discharges behavior face with transformer and material features. In order to do this the first part of the study is devoted to the characterization of the piezoelectric transformer without discharge, then the extension of the analytical modeling in order to comprehend the distribution of surface electrical potential. The development of an experimental device will allow the potential measurement and the discussion of the model. In a second part the study focuses on behavior of the piezoelectric transformer in discharge. The potential distribution known today constitutes a necessary input data for the study of the discharge dynamic in different configurations. The complexity of the phenomena implemented in this process of generation requires to conduct the study following different steps. First of all, by the study of ferroelectric ceramic features through a dielectric-barrier discharge. Then the discharges dynamic is approached by numerical modeling following three different configurations. This cases conduct to different discharge regimes that can be the subject of future application. Even if the problem is under the hypothesis of a weak coupling, the results confirmed the experimental observations and permitted to understand better the influence of high permittivity and of the potential distribution on the saptio-temporal evolution of this process.