Cathode commutable à nanotubes de carbone pour tube à rayons X

Development of carbon nanotube based gated cathodes for X-ray tubes

• Auteur / Autrice : Lucie Sabaut
• Direction : Jean-Luc Maurice
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 24/11/2016
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Interfaces : matériaux, systèmes, usages (Palaiseau, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique des interfaces et des couches minces (Palaiseau, Essonne) - Laboratoire de physique des interfaces et des couches minces [Palaiseau] / LPICM
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École polytechnique (Palaiseau, Essonne ; 1795-....)
• Jury : Président / Présidente : Daniel Bouchier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Luc Maurice, Valérie Kaftandjian, Pascal Ponard, Jean-Paul Mazellier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Thomas Ernst, Stephen Thomas Purcell

Mots clés

Mots clés contrôlés

Tubes électroniques

Modulation (électronique)

Nanotubes

Émission de champ

Tubes à cathode froide

Mots clés libres

Cathode froide

Émission de champ

Nanotube de carbone

Cathode à grille

Modulation

Tube électronique

Cold cathode

Field emission

Carbon nanotube

Gated cathode

Modulation

Vacuum tube

Résumé

Les systèmes d'imagerie à rayons X (RX) sont des appareils volumineux et contraignants en termes de contrôle du faisceau. L'industrie des tubes électroniques est donc à la recherche de solutions pour assurer la stabilité du courant tout en permettant la miniaturisation du système.Ce travail opte pour l'amélioration de la source d'électrons, en remplaçant l'émission thermoïonique historique par l'émission de champ. En particulier, les cathodes froides à base de nanotubes de carbone possèdent l'avantage de pouvoir délivrer de forts courants (>1A/cm^2), tout en ayant un faible temps de réponse.A travers le développement d'une structure innovante de cathodes à nanotubes de carbone à grille intégrée, l'objectif de cette étude est de réaliser des sources commutables et régulées, pour des sources de rayons X miniatures, portables ou polyvalentes.La modélisation électrostatique de la nouvelle structure a conduit à la fabrication de cathodes à grille optimisées, sur lesquelles est cru un réseau vertical de nanotubes de carbone. L'analyse de défaillance permet finalement d'obtenir des dispositifs isolés fiables. Leur caractérisation en émission de champ indique des performances de modulation de courant inégalées, de l'ordre de 10^6 pour +/-40V de polarisation de grille. La régulation du courant a également été démontrée avec l'obtention d'une stabilité à 0,02% sur 100 h.Pour pallier les limitations rencontrées (courant de fuite et croissance parasite), une structure de grille enterrée a été proposée avec succès, ainsi qu'une nouvelle méthode de fabrication d'émetteurs courts et fins. Ces cathodes fonctionnelles ont finalement été intégrées en tube à rayons X et ont montré pour la première fois une modulation de courant de 2000 à une haute tension fixe de 60 kV.

This work chooses to improve the electron source by replacing thermionic emission with field emission. More especially, carbon nanotubes based cold cathodes stand out by their ability to supply high currents (>1A/cm^2) while responding fast.Through the development of an innovative structure of in-plane gated carbon nanotube based cathode, this study aims at making switchable and regulated sources for miniature, portable or polyvalent X-rays sources.The electrostatic modelling of the new structure led to the fabrication of optimized gated cathodes, where a vertically aligned array of carbon nanotubes is grown. Default analysis allows to get reliable insulated devices.Field emission characterization shows unprecedented current modulation of 10^6 at +/-40V bias voltage. Current regulation is also achieved with a stability of 0.02% over 100 h.Another structure with a burried gate electrode was designed to successfully cope with leak current and parasitic growth. A new way of growing short and thin nanotubes was tackled.Finally, gated cathodes were integrated in a compact X-ray tube and showed a current modulation of 2000 at a high voltage of 60 kV.