Étude et développement d’une source d’ions équipée d’une cathode à nanotubes de carbone, émettrice d’électrons par effet de champ avec une application aux tubes neutroniques scellés

Study and development of an ion source based on a field effect electron emitter cathode with carbon nanotubes for neutron generator improvement

• Auteur / Autrice : Marie Quentin-Schindler
• Direction : François Leblanc, Adrien Cheminet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astronomie et astrophysique
• Date : Soutenance le 28/06/2024
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Astronomie et astrophysique d'Île-de-France (Paris ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Atmosphères, observations spatiales (Guyancourt, Yvelines ; 2009-....)
• Jury : Président / Présidente : Philippe Savoini
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Charles Matéo-Vélez, Lucie Sabaut, Costel-Sorin Cojocaru
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Stephen Thomas Purcell, Tiberiu Minea
• DOI : 10.70675/d9f1a14dz734dz42feza3a9z9383b82c1792

Mots clés

Mots clés contrôlés

Neutrons

Émission de champ

Nanotubes

Sources d'ions

Mots clés libres

Source d'ions

Nanotubes de carbone

Émission par effet de champs

Tubes Neutroniques

Ion source

Carbon nanotubes

Field effect emission

Neutron generator

Résumé

Ce projet de thèse, réalisé au sein de Sodern, filiale d'ArianeGroup, est dédié à l'optimisation des tubes neutroniques scellés. Ces dispositifs sont utilisés pour l'analyse de matière, principalement dans les secteurs pétrolier et minier. Ils fonctionnent sur le principe des accélérateurs de particules miniaturisés, générant des neutrons par la réaction de fusion deutérium-tritium.La problématique centrale de cette recherche concerne la source d'ions des tubes, actuellement reposant sur une cathode froide de type Penning. Cette configuration présente des limitations significatives, telles qu'un contrôle inefficace de la décharge de plasma génératrice d'ions. Ce problème est exacerbé par une gigue (jitter), qui caractérise une variabilité dans les largeurs de pulsations, et un retard à l'amorçage, qui est le décalage entre la mise sous tension de la source et l'extraction des ions. Pour surmonter ces obstacles, tout en limitant la puissance d'entrée, l'introduction d'une cathode émettrice d'électrons à base de nanotubes de carbone (CNT), fonctionnant par effet de champs, est envisagée du fait de la possibilité d'émettre sous relativement faible potentiel et sans ajout de température.La méthodologie adoptée inclut initialement des tests d'émission électronique des CNT pour évaluer leur intégration pratique dans la source d'ions. Les paramètres opérationnels examinés comprennent l'environnement gazeux dans la gamme de pression des tubes, la durée de vie, la répétabilité, la température, et la pulsation neutronique. Ces investigations ont conduit au développement d'une source d'ions modifiée, intégrant une source de CNT. Cette intégration a d'abord été réalisée par simulation sur le logiciel CST Studio, puis par la conception d'une maquette. Cette dernière a été réalisée et testée en laboratoire pour caractériser ses propriétés temporelles. Les résultats montrent une réduction significative du retard à l'amorçage et du jitter, bien que cela ait entraîné une dégradation irréversible des CNT après quelques heures de fonctionnement. Ces essais montrent qu'un courant d'émission minimum permettrait ces améliorations.En conclusion, cette thèse démontre le potentiel de l'ajout d'une source d'électrons pour améliorer les performances temporelles d'une source d'ions de type Penning.

This doctoral project, carried out at Sodern, a subsidiary of ArianeGroup, is dedicated to the optimization of sealed neutron tubes. These devices are used for material analysis, primarily in the oil and mining sectors. They operate on the principle of miniaturized particle accelerators, generating neutrons through the deuterium-tritium fusion reaction.The central issue of this research concerns the ion source of the tubes, currently based on a cold Penning-type cathode. This configuration presents significant limitations, such as inefficient control of the ion-generating plasma discharge. This problem is exacerbated by jitter, which characterizes variability in pulse widths, and a delay in ignition, which is the lag between powering the source and ion extraction. To overcome these obstacles while limiting power input, the introduction of a carbon nanotube (CNT) based electron-emitting cathode, operating by field effect, is considered due to its ability to emit under relatively low potential and without added temperature.The methodology adopted initially includes tests of CNT electron emission to evaluate their practical integration into the ion source. The operational parameters examined include the gaseous environment in the pressure range of the tubes, lifespan, repeatability, temperature, and neutron pulsation. These investigations led to the development of a modified ion source, integrating a CNT source. This integration was first carried out by simulation on CST Studio software, then by the design of a prototype. This prototype was realized and tested in the laboratory to characterize its temporal properties. The results show a significant reduction in ignition delay and jitter, although this has led to irreversible degradation of the CNTs after a few hours of operation. These tests show that a minimum emission current would allow these improvements.In conclusion, this thesis demonstrates the potential of adding an electron source to improve the temporal performance of a Penning-type ion source.