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Modèle de transport d'électron basse énergie pour les diélectriques en application spatiale

Description

Le milieu spatial est très contraignant pour les systèmes satellites qui sont soumis à des flux intenses de radiations à l’origine d’un certain nombre de dysfonctionnements. Les systèmes électroniques dans leur ensemble sont particulièrement sensibles aux effets des radiations. Par exemple, les phénomènes de charge dans les diélectriques sont pilotés par l’émission électronique secondaire qui s’oppose à la charge négative induite par les électrons de l’environnement spatial. Le déclenchement de l’effet multipactor dans les composants RF est un phénomène également très fortement dépendant du niveau d’émission secondaire des parois des guides d’ondes où il se produit. Dans ce cas un matériau fortement emissif renforce le risque. Or les composants RF comprennent des éléments diélectriques qui sont potentiellement une source de problème. D’autres systèmes utilisant des diéliectriques peuvent être affectés par la présence d’électrons de basse énergie et pour lesquels il est important de maitriser le transport dans la matière jusqu’à des énergies de quelques eV. Par exemple les caractéristiques des plasmas des propulseurs électriques sont très sensibles à la variation de densité d’électrons et donc à l’émission électronique secondaire. D’autre part, l’intégration croissante des composants de la microélectronique necessite une modélisation précise des dépôts de charge à des échelles très petites et donc pour des énergies incidentes très faible. L’homogénéité du dépôt d‘énergie qui s’applique à des volumes micrométriques n’est plus valable lorsque l’on s’approche du nanomètre. La sensibilité des composants élecroniques aux transitoires induits par les rayonnements (SET Single Event Transient, SEE : Single Event Effect…), mais également les phénomènes de dose ionisante (TID : Total Ionizing Dose) sont fortement dépendants du dépôt d’énergie local autours et dans les zones sensibles des composants. Le développement de modèles de transports précis à petite échelle et à basse énergie présente donc un fort intérêt pour de nombreuses applications. Dans ce contexte en 2014 le CNES, l’ONERA et le CEA ont lancé un partenariat autour d’une thèse avec pour objectif le développement d’outils numériques dédiés au transport dans la matière des électrons de basse énergie [qq. eV, qq. keV]. Cette première thèse c’est interessée au cas des métaux, plus facile à modéliser que les isolants. L’aluminium, l’argent ainsi que le silicium ont été traités au cours de cette première thèse. Cependant, le besoin d’étendre les codes numériques à d’autres matériaux se fait de plus en plus préssant. Déjà utilisé pour étudier l’impact de la rugosité sur l’émission secondaire avec Thales Alenia Space, le transport à basse énergie trouve d’autres aplications comme l’étude de la réponse de photocathodes (CEA) sous bombardement X. C’est également un outil indispensable pour étudier les événements siguliers dans les composants de dernière génération mais aussi pour de nombreuses autres applications ou le transport des électrons doit être fait dans des isolants, ce qui pose des difficultés techniques particulières.

En effet, les isolants se charge au cours de l’irradiation avec des électrons. Les champs électriques ainsi créés modifie les trajectoires des particules. De plus les pièges créés au cours de l’irradiation s’accumule et recombine avec une partie des électrons secondaires produits, modifiant le processus de la cascade d’interaction. Le but de la thèse est donc de comprendre et de modéliser ces deux phénomènes physiques et d’en analyser l’impact sur le transport des cascades électroniques.

Cela permettra d’étendre les codes de transport développé au cours de la première thèse à d’autres matériaux. Des métaux d’intérêt pour certaines applications mais surtout des isolants pour répondre a la problématique particulière que l’on rencontre dans le spatial avec ce type de matériau. Nous pourrons traiter notamment les effets d’oxydation de surface sur l’émission secondaire. Pour cela on devra faire le transport dans des multicouches ce qui permettra ainsi de simuler l’emission secondaire pour des matériaux « réels » ou autrement appelés « matériaux techniques ». Cela permetra de simuler également le transport dans les oxydes des composants électroniques et d’affiner les analyses des événements singuliers dans les nouvelles technologies. On peut aussi analyser les effets dans les propulseurs plasmas par l’étude du BN ou BNSiO2.

Le but est d’améliorer les outils que nous avons développer : notre code maison OSMOSEE ainsi que l’implémentation dans GEANT4 de nos modèles physiques via notre participation (CEA/ONERA) à la collaboration GEANT4 dans le « Low energy electromagnetic physic working group »

Le travail s’articulera autour des trois étapes suivantes :

•           Prise en main des outils de calcul par l’implementation de nouveaux matériaux dans le cadre de la théorie des fonctions diélectriques. Les matériaux seront à définir (SiO2, Al2O3, Au, Cu, Ag2S, BN…).En parallele l’étudiant devra faire une étude bibliographique sur les effets liés au champ électrique ainsi que les effets de recombinaison et imaginer la façon de l’implémenter dans le code.

•           L'implémentation dans le code des effets liés au champ électrique et à la recombionaison.

•           La validation du code avec des simulations d’émission électronique secondaire. Par exemple l’étudiant pourra simuler des matériaux rééls en prenant en compte l’oxydation et la rugosité. Des comparaison avec des mesures faites avec le dispositif DEESSE de l’ONERA pourront être faites. Il pourra également confronter les simulations réalisées sur des matériaux isolants avec les mesures correspondantes.

Profil

Nous recherchons un stagiare BAS+5 de master ou d’école ingénieur interessé pour poursuivre en thèse. Le stagiaire doit avoir une formation de base en physique et une spécialisation ou le goût pour la modélisation numérique.

Description de la structure
Laboratoire d'accueil : ONERA/DPHY Toulouse
Directeur(rice) de thèse/recherche : Inguimbert Christophe
E-mail du directeur(rice) de thèse/recherche : christophe.inguimbert@onera.fr
Responsable Cnes de l'offre : PUECH Jérôme

Pour postuler à cette offre, nous vous invitons à vous rapprocher du directeur/rice de thèse et compléter avec son aide la partie cofinancement  du formulaire en ligne (Répondre à l’offre)  pour le 1er avril 2019

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