Matériaux et procédés pour la modulation spatiale de l’émissivité électronique d’une cathode thermoïonique

Materials and Technology for the Patterning of Electron Emissivity on Hot Curved Porous Surfaces

• Auteur / Autrice : Benjamin Renouf
• Direction : Christian Brylinski, Mihai Bogdan Lazar, Olivier Dezellus
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences des matériaux
• Date : Soutenance le 07/11/2019
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Matériaux de Lyon (Villeurbanne ; 1992?-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des Multimatériaux et Interfaces (1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Claude Bernard (Lyon ; 1971-....)
• Jury : Président / Présidente : Daniel Alquier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christian Brylinski, Dominique Mangelinck, Arnaud Brioude
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Anne-Lise Thomann, Ana Lacoste

Mots clés

Mots clés contrôlés

Métaux réfractaires

Cathodes

Effet thermoïonique

Couches minces

Mots clés libres

Couches minces

Cathode thermoïonique

Lithographie

Diffusion

Métaux réfractaires

Thin layer

Thermionic cathode

Lithography

Diffusion

Refractory metals

Résumé

L’objectif de cette thèse est l’étude et la démonstration de la faisabilité d’un procédé de fabrication fiable et reproductible permettant la création d’un dispositif de modulation spatiale de l’émissivité électronique à la surface d’une cathode thermoïonique. Ce procédé doit permettre le maintien de la géométrie de la carte d’émissivité tout au long de la durée de vie opérationnelle de la cathode. Le premier sujet d’étude a donc été de mettre au point un procédé de dépôt localisé de deux types de couches minces : un matériau à faible travail de sortie pour les zones émissives et un matériau à fort travail de sortie pour les zones anti-émissives. Les essais réalisés au cours de la thèse ont permis de conforter les résultats obtenus lors de tests précédents, et de mettre en place un procédé répétable. Une étude complémentaire a également démontré qu’il était possible d’étendre ce procédé à d’autres configurations de surface, en apportant quelques modifications mineures. Le second axe principal de la thèse a été de compléter les connaissances concernant les phénomènes de diffusion pouvant dégrader la géométrie des dépôts localisés, qu’ils soient émissifs ou anti-émissifs. Une méthodologie a donc été pensée et mise en place, dans le but de caractériser et modéliser l’interdiffusion pour des couples de métaux réfractaires intervenant dans le procédé de dépôts localisés en surface d’une cathode. Le dispositif d’étude a ainsi permis de mettre en évidence l’interdiffusion en volume pour un couple de matériaux intervenant en zone émissive. L’interprétation des données récoltées a conduit à l’obtention de valeurs d’énergie d’activation et de coefficients de diffusion qu’il a été possible de comparer à la littérature

The aim of this thesis is to study and prove the feasibility of a reliable and repeatable process for the creation of a system allowing the areal modulation of the electronic emissivity on the surface of a thermionic cathode. This process should allow the preservation of the emission geometry all along the operational lifetime of the cathode. The first subject was to improve a process to locally deposit two kinds of thin layers: a material with a low work function for emissive areas and a material with a high work function for anti-emissive areas. The experiments investigated during the thesis allowed us to confirm the previous results, and to establish a repeatable process. An additional study has shown the possibility to extend this process to other surface configurations, with minor modifications. The second main subject of the thesis was to complete the knowledge for diffusion phenomena that could appear in the multilayers and degrade the geometry. A methodology was therefore shaped in order to characterize and simulate the diffusion behavior of refractory metal couples that could be involved on the surface of cathodes after the thin layers deposition. Finally, the devices specially made for this study, provided data for bulk interdiffusion between two refractory metals. Activation energy values and diffusion coefficients have been calculated and compared to the literature