Ionisation of caesium Rydberg atoms for a mono-chromatic electron source for applications in electron microscopy and spectroscopy - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2021

Ionisation of caesium Rydberg atoms for a mono-chromatic electron source for applications in electron microscopy and spectroscopy

Source d'électrons monochromatique par l'ionisation d'atomes de Rydberg de césium pour des applications en spectroscopie et en microscopie électronique

Résumé

Electron sources used in electron microscopy have high brightness but high energy dispersion (>250 meV). Other types of sources exist, based on the photo ionisation of an atomic beam, remarkable for their low energy spread (a few meV), but low current (a few tens of pA at best) which prohibits their use in microscopy. An electron source generating a current of 1 nA while keeping a low energy dispersion would greatly improve certain microscopy techniques by getting rid of chromatic aberrations in the column, but would also make it possible to build a new instrument: HREELM. This instrument would allow, for the first time, to couple surface low energy electron microscopy measurements (LEEM) with electron energy loss spectroscopy measurements (HREELS).This thesis explores how a detailed knowledge of Rydberg atoms and their ionization can improve current electron sources and move towards this goal. This is based on the prediction of their positions and ionisation rates in electric fields, possible with the local frame transformation theory (LFT). This theory is presented in chapter 2 and compared with experiment in chapter 3. The use of Rydberg atoms for a continuous source of electrons is detailed in chapter 4, in which I show results of energy dispersion measurements by a magnetic spectrometer, as well as two detailed proposals for the realisation of HREELM. The contribution of Rydberg atoms for a pulsed source is presented in chapter 5, in which I show results of the ionisation of a caesium MOT as well as a pulsed ionisation process called Rydberg pulsed resonance field ionisation (RPRFI).
Les sources d’électrons utilisées en microscopie électronique ont une haute brillance mais une haute dispersion en énergie (>250 meV). D’autres types de sources existent, basées sur la photo ionisation de jets atomiques, remarquables par leur finesse énergétique (quelques meV), mais à faible courant (quelques dizaines de pA au mieux) ce qui interdit leur usage en microscopie. Une source d’électrons générant un courant de 1 nA tout en gardant une faible dispersion en énergie permettrait d’améliorer grandement certaines techniques de microscopie en se débarrassant des aberrations chromatiques dans la colonne, mais aussi de construire un nouvel instrument : HREELM. Cet instrument permettrait, pour la première fois, de coupler des mesures de microscopie électronique à basse énergie (de surface, type LEEM) avec des mesures de spectroscopie de perte d’énergie d’électrons (de type HREELS).Cette thèse explore comment une connaissance fine des atomes de Rydberg et de leur ionisation permet d’améliorer les sources actuelles d’électrons. Ceci repose sur la prédiction de leurs positions et taux d'ionisations en champ électrique, possible notamment par la théorie de changement de repère local (LFT). Cette théorie est présentée en chapitre 2 et comparée à l'expérience en chapitre 3. L'utilisation d'atomes de Rydberg pour une source continue d'électrons est détaillé en chapitre 4, dans lequel je montre des résultats de mesure de dispersion en énergie par un spectromètre magnétique, ainsi que deux propositions détaillées permettant de réaliser HREELM. L'apport des atomes de Rydberg pour une source pulsée est présentée en chapitre 5, dans lequel je montre des résultats de l'ionisation d'un MOT de césium ainsi qu'un processus d'ionisation pulsé appelé ionisation par champ par résonance Rydberg pulsée (RPRFI).
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-03176839 , version 1 (22-03-2021)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03176839 , version 1

Citer

Raphaël Hahn. Ionisation of caesium Rydberg atoms for a mono-chromatic electron source for applications in electron microscopy and spectroscopy. General Physics [physics.gen-ph]. Université Paris-Saclay, 2021. English. ⟨NNT : 2021UPASP007⟩. ⟨tel-03176839⟩
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