Etude et réalisation de fenêtres innovantes en diamant : application aux tubes à rayons x

par Colin Delfaure

Thèse de doctorat en Chimie - Physique des matériaux

Sous la direction de Samuel Saada.

Soutenue le 20-01-2016

à Paris 6 , dans le cadre de École doctorale Physique et chimie des matériaux (Paris) , en partenariat avec CEA Saclay (laboratoire) .

Le jury était composé de Nicolas Tranchant, Silvère Barrat, Jocelyn Achard, Jean-Paul Kleider, Daniel Babot, Jean-Paul Mazellier, Pascal Ponard.


  • Résumé

    Dans le domaine de l'imagerie par rayons X, la course à la haute résolution mets aujourd'hui en évidence les limites des tubes actuels. Le béryllium utilisé pour fabriquer les fenêtres des tubes à rayons X ne permet pas de dissiper les densités de puissance mises en jeux. Cette thèse est le fruit d'une collaboration entre Thales et le Commissariat à l'Energie Atomique. Elle vise à étudier, concevoir et synthétiser des fenêtres innovantes en diamant pour les tubes à rayons X. Les propriétés de photoconduction du diamant sont utilisées pour intégrer une fonction de détection en ligne. Les fenêtres en transmission conçus dans le cadre de cette thèse sont appelées smart-window. En utilisant une approche multi-domaines, nous avons modélisé les phénomènes thermiques, mécaniques et de détection. Deux dispositifs différents en diamant polycristallin et monocristallin ont ainsi été conçus et dimensionnés. Pour intégrer ces fenêtres en situation expérimentale, une petite série doit être fabriquée. Ainsi, les conditions de synthèse ont été optimisées afin d'augmenter la vitesse de croissance du diamant. De nouveaux outils ont également été développés afin de suivre in situ la vitesse et la morphologie du film pendant cette croissance. Finalement, la résistance mécaniques et la transparence des fenêtres ont été caractérisées. Plusieurs bancs de test ont été développés pour tester leur fonction de détection en laboratoire. Différents prototypes de smart-windows ont été intégrés dans un tube expérimental. Ce prototype de fenêtre innovante en diamant délivre une mesure proportionnelle au débit de dose généré par le tube sans perturber son utilisation.

  • Titre traduit

    Study and fabrication of innovative diamond windows for X-ray tubes applications


  • Résumé

    In the race towards high resolution X-ray imaging, the current X-ray windows have shown thermal limitations. The beryllium used in those windows does not provide an efficient spreading of the heat generated in the target. This thesis results from a collaboration between Thales and the french Atomic and Alternative Energies Commission (CEA). It aims at studying, designing and synthesizing innovative diamond for X-Ray tubes. The semi-conducting properties of diamond are used to integrate a built-in flow sensor and to monitor in-line the dose rate of the tube. The transmission windows fabricated in the context of this work are called “smart-windows”. The thermal, mechanical and sensing properties of such windows have been modeled by using a multi-domain approach. Two devices made either of polycrystalline or single crystal diamond were designed. In order to integrate those windows experimentally, a small series must be realized. Hence the experimental conditions have been optimized to increase the growth rate of the film. A new tools has also been developed to monitor in real time and in situ the growth rate and the morphology of the films. Finally the mechanical resistance and the transparency of the devices have been characterized. Several experimental set-ups have been developed to test the detection properties in a tube-like design. Some prototypes of smart-windows have been integrated in an experimental X-Ray tube. This prototype delivers a signal proportional to the dose rate of the tube without disturbing its operation.


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