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’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.

To study electron emissions and dark currents in the accelerating structures in particle colliders, a test facility with a spectrometer has been constructed at CERN. This spectrometer has been simulated in the C++ toolkit GEANT4 and in this project the simulation has been improved to handle new realistic input data of the emitted electrons. The goal was to find relations between where the electrons are emitted inside the accelerating structure and the energy or position of the particles measured by the spectrometer. The result was that there is a linear relation between the initial position of the electrons and the width in the positions of the particles measured by the spectrometer. It also appears to be a relations between energy the emitted electrons get in the accelerating structure, which is related to the position, and the energy they deposit in the spectrometer. Further studies where the simulations are compared with real measurement data are required to determine whether these relations are true or not, find better reliability in the relations and get a better understanding of the phenomena.

El efecto multipactor de ruptura en RF ha sido objeto de numerosos estudios desde hace más de 80 años, a partir del desarrollo de los primeros aceleradores de partículas en la primera mitad del siglo XX. A mediados de ese siglo, con el desarrollo de fuentes de alta potencia para aplicaciones radar y la llegada de los satélites artificiales, la investigación del multipactor cobró una considerable relevancia, al convertirse este fenómeno en un riesgo determinante para costosos proyectos comerciales. Las guías de onda con secciones rectas canónicas, como las rectangulares o las coaxiales, han sido tradicionalmente las más utilizadas en dispositivos de microondas. Sus principales ventajas son que sus campos electromagnéticos pueden resolverse analíticamente, lo que permite su aplicación directa en diseños complejos, y la simplicidad de su fabricación. Pero las capacidades de computación y las prestaciones de los algoritmos se han multiplicado con los años, lo que ha permitido ampliar el espectro de posibles topologías a geometrías casi arbitrarias, ofreciendo al diseñador una mayor libertad creativa. En todo caso, gran parte de los dispositivos de microondas actuales siguen confiando en la madurez y fiabilidad de las tecnologías de guía de onda tradicionales, que no requieren una inversión adicional en equipos de fabricación. La supresión del efecto multipactor es la motivación para arriesgarse a probar topologías de guía de onda innovadoras, como la guía en forma de cuña. Es en este contexto donde este trabajo de doctorado pretende ofrecer una contribuci'on. En primer lugar, se ha desarrollado un modelo numérico para predecir el efecto multipactor de ruptura en guías de onda huecas en forma de cuña. Esta herramienta ha permitido la identificación de criterios óptimos de diseño. Así mismo, se ha adaptado un método de síntesis de filtros paso-banda en guía rectangular para poder realizar un diseño similar pero basado en la nueva topología. Como culminación, las estructuras diseñadas se han fabricado y medido, con el fin de comprobar sus prestaciones electromagnéticas y su sensibilidad al efecto multipactor. Se ha registrado además una patente para proteger estos nuevos filtros. En resumen, el trabajo ha abarcado el ciclo de actividades relacionadas con el desarrollo industrial completo de un dispositivo pasivo de microondas: investigación básica, análisis, diseño, fabricación y calificación con medidas en el laboratorio. Estas medidas han comprobado la mejora prevista en los umbrales de multipactor de los filtros de microondas con topología en forma de cu¿na, y han confirmado que pueden ofrecer respuestas en frecuencia similares a aquellas de filtros basados en una guía de onda rectangular equivalente. Las implicaciones de los resultados han sido evaluadas a fondo y resumidas en este documento. Como observación final, se ha intentado redactar esta investigación de manera que refleje el proceso natural de aprendizaje, mostrando los aciertos y errores experimentados en el camino, todos los cuales han conducido al resultado final. Este reto no hubiera sido posible sin el apoyo y compromiso de varios profesionales de diferentes centros de investigación e industrias europeas (Universidad Politécnica de Valencia, Universidad de Valencia, Agencia Espacial Europea, Thales Alenia Espacio Espa¿na, Technische Universit¿at Darmstadt, 'Ecole Polythecnique F'ed'erale de Lausanne, Tesat, Aurora Software and Testing y Val Space Consortium), a los cuales estoy agradecido. / The multipactor RF breakdown effect has been object of numerous studies for over 80 years, since the development of the first particle accelerators in the beginning of the 20th century. Around the middle of that century, with the development of high power sources for radar applications and with the emergence of the artificial satellites, a new impulse was given to the multipactor research, since it became a risk for expensive commercial projects. Traditionally, waveguides with canonical cross sections, like rectangular or coaxial ones, have been the building blocks of most microwave devices. Their main advantages are that their electromagnetic fields can be solved analytically, enabling their direct application in complex designs, as well as their manufacturing simplicity. But over the years the computation capabilities and algorithms have continuously evolved, which has broadened the spectrum of possible topologies to almost arbitrary geometries, offering the designer more room for creativity. However, most of the current microwave devices still trust on the mature canonical waveguide technologies, which do not require an additional investment in manufacturing equipment. The suppression of the multipactor effect is the motivation for considering an innovative waveguide topology, like the wedge-shaped waveguide. It is within this context where this PhD work aims to offer a contribution. On the one hand, a numerical model for predicting the multipactor breakdown effect in wedge-shaped hollow waveguides has been developed. This tool has aided in the derivation of optimised design criteria. On the other hand, a bandpass filter synthesis method for rectangular waveguide has been adapted in order to calculate a similar design based on the new topology. As a culmination, the designed structures have been manufactured and tested, in order to verify their electromagnetic performance and their multipactor sensibility. A patent was also filed to protect these new filters. In short, this work has comprised the cycle of activities related to the whole industrial development of a passive microwave device: basic research, analysis, design, manufacturing and qualification through testing. These measurements have verified the predicted improvement in the multipactor thresholds of microwave filters with wedge-shaped topology, and have confirmed that they can offer similar frequency responses to the equivalent rectangular waveguide ones. The implications of the results have been thoroughly evaluated and summarised in this document. As a final remark, this research document has been drafted to reflect the natural learning process, and to show the rights and wrongs experienced in the way, which all have led to the final result. Such an endeavour would not have been possible without the support and commitment of several professionals from different European research centres and industries (Universidad Polit'ecnica de Valencia, Universidad de Valencia, European Space Agency, Thales Alenia Espacio Spain, Technische Universit¿at Darmstadt, 'Ecole Polythecnique F'ed'erale de Lausanne, Tesat, Aurora Software and Testing and Val Space Consortium), for which I am grateful. / Hueso González, J. (2013). Analysis of wedge-shaped waveguides and design of multipactor-resistant microwave bandpass filters. Análisis de guías de onda en forma de cuña y diseño de filtros de microondas paso-banda resistentes al efecto multipactor [Tesis doctoral]. Editorial Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/33750