L’émission électronique par effet de champ est un domaine qui concerne de nombreuses applications techniques. Dans ce travail, nous avons réalisé une étude essentiellement expérimentale des différents paramètres susceptibles d’avoir une influence sur l’émission électronique. En première partie, nous exposons les résultats obtenus pour un champ électrique homogène correspondant aux faibles intensités de courant. Le rôle de la distance inter-électrodes à champ constant et l’influence de la rugosité de surface sur l’émission électronique ont été étudiés. Nous discutons la méthode classique de Fowler-Nordheim utilisée pour le dépouillement des mesures en y portant un regard critique. Un modèle simple visant à prendre en compte l’échauffement des sites émetteurs est proposé. La seconde partie concerne l’effet de l’injection de gaz sur l’émission électronique, effet qui se traduit par une diminution du courant émis quand on augmente la pression de 10⁻⁶ Pa à 10⁻² Pa à champ macroscopique constant. Nous exposons des résultats montrant un effet de seuil concernant l’apparition de l’effet du gaz sur l’émission électronique. Nous présentons également des résultats pour différents matériaux de cathode et pour différents gaz (He, H₂, N₂, Ar). Une réversibilité de cet effet est montrée après le pompage pour redescendre à 10⁻⁵ Pa. La décroissance de courant par effet de gaz est interprétée par la diminution de la valeur du facteur d’accroissement local du champ électrique (β) au niveau des émetteurs à cause du bombardement de ces sites par les ions créés à leur proximité. Un calcul du flux d’ions bombardant un site émissif a permis d’estimer le temps nécessaire pour modifier un émetteur de façon cohérente avec les observations expérimentales. La théorie de la migration des atomes en surface de l’électrode en présence d’un champ électrique est proposée pour expliquer la réversibilité de l’effet de gaz observée qui est, selon cette théorie, liée à l’augmentation de la valeur de β au niveau des émetteurs. / Field electronic emission is a domain which concerns numerous different technical applications. In this work, we have taken an essentially experimental approach to study various parameters having influence on field emission. In the first part of the thesis, we have described the results obtained with a homogeneous electric field with relatively weak field emission. The role of the inter-electrode distance at constants field as well as that of the cathode surface roughness on field emission are studied. The classical method of Fowler-Norheim was then used for the analysis of the measurements. A simple model aiming to take into account the effect of the heating of the emission sites is then proposed. The second part of the theses concerns the effect of the injection of gas on the field emission; this effect being to significantly reduce emission intensity when the gas pressure is raised from 10⁻⁶ to 10⁻² Pa at constant field. A threshold value of emission intensity is shown to be necessary for the observation of this gas effect. The effect of different gas types (He, H₂, N₂, Ar) and cathode materials are also described. The gas effect is shown to be reversible upon lowering of the gas pressure to 10⁻⁵ Pa. The reduction in current is interpreted by a lowering of the field enhancement factor (β) of emission sites by ionic bombardment by ions created locally (within distances on the order of microns) near the cathode surface. A calculation of the flux of bombarding ions is used to estimate the time necessary to modify an emission site in a way corresponding to the observations. The phenomenon of surface migration in the presence of intense electric field is then proposed to explain the reversibility of the gas effect, increasing the local field enhancement factor.

IFMIF sera constitué de deux accélérateurs de deutons délivrant des faisceaux continus de 125mA et d’énergie 40MeV qui bombarderont une cible de lithium liquide. Face à cette très haute puissance faisceau de 10 MW, de nouveaux défis doivent être relevés pour le développement de tels accélérateurs. C’est pour cette raison qu’a été prise la décision de construire un accélérateur prototype, LIPAc (Linear IFMIF Prototype Accelerator) ayant les mêmes caractéristiques faisceau qu’IFMIF, mais avec une énergie limitée à 9MeV. Dans le cadre de cette thèse, des instruments de diagnostics faisceau ont été développés pour IFMIF et LIPAc. Ces diagnostics concernent des moniteurs de pertes faisceau ainsi que des profileurs transverse de faisceau travaillant en mode intercepteur ou non.Pour la surveillance des pertes faisceau, des chambres à ionisation et des détecteurs au diamant ont été testés et calibrés en neutrons et en γ dans la gamme en énergie de LIPAc. Lors de ces expériences, pour la première fois des diamants ont été testés avec succès à des températures cryogéniques. Pour les profileurs interceptant le faisceau, des simulations thermiques ont été réalisées afin d’assurer leur bon fonctionnement. Pour les profileurs n’interceptant pas le faisceau, des moniteurs basés sur l’ionisation du gaz résiduel (IPM) contenu dans le tube faisceau ont été développés. Un prototype a été construit et testé, puis s’inspirant de ce retour d’expérience les IPMs finals ont été conçus et construits. Pour contrecarrer la charge d’espace générée par le faisceau, un algorithme a été élaboré afin de reconstruire le profil réel du faisceau. / The IFMIF accelerator will accelerate two 125mA continuous wave (cw) deuteron beams up to 40MeV and blasts them onto a liquid lithium target to release neutrons. The very high beam power of 10MW pose unprecedented challenges for the accelerator development. Therefore, it was decided to build a prototype accelerator, the Linear IFMIF Prototype Accelerator (LIPAc), which has the very same beam characteristic, but is limited to 9 MeV only. In the frame of this thesis, diagnostics devices for IFMIF and LIPAc have been developed. The diagnostics devices consist of beam loss monitors and interceptive as well as non-interceptive profile monitors. For the beam loss monitoring system, ionization chambers and diamond detectors have been tested and calibrated for neutron and γ radiation in the energy range expected at LIPAc. During these tests, for the first time, diamond detectors were successfully operated at cryogenic temperatures. For the interceptive profilers, thermal simulations were performed to ensure safe operation. For the non-interceptive profiler, Ionization Profile Monitors (IPMs) were developed. A prototype has been built and tested, and based on the findings, the final IPMs were designed and built. To overcome the space charge of accelerator beam, a software algorithm was written to reconstruct the actual beam profile.

L'émission électronique par effet de champ est un domaine qui concerne de nombreuses applications techniques. Dans ce travail, nous avons réalisé une étude essentiellement expérimentale des différents paramètres susceptibles d'avoir une influence sur l'émission électronique. En première partie, nous exposons les résultats obtenus pour un champ électrique homogène correspondant aux faibles intensités de courant. Le rôle de la distance inter-électrodes à champ constant et l'influence de la rugosité de surface sur l'émission électronique ont été étudiés. Nous discutons la méthode classique de Fowler-Nordheim utilisée pour le dépouillement des mesures en y portant un regard critique. Un modèle simple visant à prendre en compte l'échauffement des sites émetteurs est proposé. La seconde partie concerne l'effet de l'injection de gaz sur l'émission électronique, effet qui se traduit par une diminution du courant émis quand on augmente la pression de 10⁻⁶ Pa à 10⁻² Pa à champ macroscopique constant. Nous exposons des résultats montrant un effet de seuil concernant l'apparition de l'effet du gaz sur l'émission électronique. Nous présentons également des résultats pour différents matériaux de cathode et pour différents gaz (He, H₂, N₂, Ar). Une réversibilité de cet effet est montrée après le pompage pour redescendre à 10⁻⁵ Pa. La décroissance de courant par effet de gaz est interprétée par la diminution de la valeur du facteur d'accroissement local du champ électrique (β) au niveau des émetteurs à cause du bombardement de ces sites par les ions créés à leur proximité. Un calcul du flux d'ions bombardant un site émissif a permis d'estimer le temps nécessaire pour modifier un émetteur de façon cohérente avec les observations expérimentales. La théorie de la migration des atomes en surface de l'électrode en présence d'un champ électrique est proposée pour expliquer la réversibilité de l'effet de gaz observée qui est, selon cette théorie, liée à l'augmentation de la valeur de β au niveau des émetteurs.

Aux futurs collisionneurs linéaires et circulaires, la présence d’un halo autour du faisceau est susceptible de fortement limiter les performances, et peut également activer, voire endommager, les composants de l’accélérateur. Le halo doit par conséquent est contrôlé par un système de collimateurs efficace. Pour évaluer l’impact sur les expériences de physique des particules ainsi que les efficacités de collimation, une bonne compréhension des mécanismes physiques générateurs de halo est essentielle, pour par exemple prédire les distributions de probabilité de manière fiable. Pour ce faire, une investigation systématique ont été menée à l’Accelerator Test Facility (ATF) du KEK dans le cadre de cette thèse, d’abord à travers une analyse théorique des principales sources de halo dans ATF, puis moyennant le développement et l’implémentation de diagnostiques dédiés aux mesures du halo, dont les résultat sont ensuite présentés et comparés aux prédictions théoriques. Le halo produit par la diffusion des particules du faisceau sur les noyaux des molécules du gaz résiduel dans la chambre à vide (« Beam Gas Scattering » - BGS) est d’abord estimé analytiquement, avec certaines approximations, puis moyennant une simulation Monte-Carlo. Un nombre considérable de particules de halo BGS est prédit, ainsi qu’une dépendance dans la pression de gaz résiduel. Pour étudier la possible formation d’un halo par le mécanisme de diffusion intra-paquet à grand angle dit de « Touschek » en présence d’une dispersion optique résiduelle, le taux de cette diffusion a été estimé en fonction de plusieurs paramètres faisceau pertinents. Une simulation Monte-Carlo de la diffusion intra-faisceau à petit angle (IBS) et de « Touschek » est aussi en cours de développement. Pour tester les prédictions théoriques, les performances d’un détecteur de halo déjà existant basé sur un capteur diamant ont été améliorées moyennant une technique de repondération qui a permis d’en augmenter la gamme dynamique jusqu’à 10⁵. Afin de disposer d’un instrument complémentaire pour mesurer le halo, un moniteur YAG/OTR a aussi été conçu, construit et installé dans la ligne d’extraction d’ATF. Il a pu être montré que la gamme dynamique et la résolution de ce moniteur YAGOTR sont, respectivement, autour de 10⁵ et inférieure à 10 μm. Grâce aux diagnostiques développés pour mesurer le halo du faisceau d’ATF, les distributions transverses et en énergie ont pu être étudiées. L’accord satisfaisant obtenu entre les prédictions théoriques et les mesures, ainsi qu’une dépendance importante dans la pression de gaz résiduel, ont permis de montrer que la distribution verticale du halo est dominée par le mécanisme BGS. Par contre, la distribution horizontale est bien supérieure aux prédictions BGS, et est par ailleurs asymétrique. L’asymétrie observée peut être en partie reliée à la qualité du champ de l’élément pulsé servant à l’extraction du faisceau d’ATF, ainsi qu’à certaines aberrations dans le transport optique. La distribution de probabilité du halo en fonction de l’énergie a par ailleurs pu être mesurée, grâce à une technique nouvelle d’ajustement de la dispersion optique dans le plan vertical, et a été trouvée compatible qualitativement avec le mécanisme de diffusion « Touschek ». Un scénario plausible de génération du halo dans le plan horizontal a ainsi pu être suggéré. / At future linear and circular colliders, beam halo can strongly limit machine performances, cause as well component damage and activation, and should, therefore, be controlled by an efficient collimation system. To evaluate the impact on particle physics experiments and collimation efficiencies, a clear understanding of beam halo formation mechanisms is essential, e.g., to predict halo distribution reliably. For this purpose, systematic investigations have been carried out at the Accelerator Test Facility (ATF) of KEK. In this dissertation, the theoretical analysis of the primary halo sources at ATF and the development of dedicated halo diagnostics are presented. Measurements of beam halo at ATF are also described and compared with the theoretical predictions. Beam halo arising from Beam-Gas Scattering (BGS) in the damping ring was firstly estimated through analytical approximations and a Monte Carlo simulation. A considerable amount of halo particles generated by BGS and the corresponding vacuum dependence have been predicted. To explore the probability of beam halo formation from Touschek scattering in the presence of dispersion, the Touschek scattering rate was estimated with respect to relevant beam parameters. Furthermore, a Monte Carlo simulation of Intra-Beam Scattering (IBS) and Touschek scattering is under development. To probe the theoretical predictions, the performance of an already existing diamond sensor detector was optimized via a data rescaling technique to increase the dynamic range to 1×10⁵. For a complementary diagnostics of beam halo, a YAG/OTR monitor was also designed and installed in the extraction section of ATF2. The dynamic range and resolution of the YAG/OTR monitor have been shown to be around 1×10⁵ and less than 10 μm, respectively. Thanks to the halo monitors developed at ATF2, the transverse halo and momentum tail have been studied. Satisfactory agreement between numerical predictions and measurements as well as a significant vacuum dependence indicate that the BGS process dominates the vertical halo. On the other hand, the horizontal halo appeared to be higher than the prediction from BGS, and moreover asymmetric. The observed asymmetry was shown to be related to the quality of the extraction kicker field and optical aberration. Finally, the momentum tail was for the first time observed by implementing a novel scheme of vertical dispersion adjustment and was found to be qualitatively consistent with the presence of Touschek scattering. A possible scenario for horizontal beam halo formation from Touschek scattering was also suggested.