Fabrication et caractérisation avancées d’une source thermoélectronique pour la détection de fuite Hélium : Développement de films minces d’oxyde à faible travail de sortie

Fabrication and advanced characterization of a thermionic source for helium leak detection: Development of oxide thin films with low work function

• Auteur / Autrice : Audrey Mayrat
• Direction : Jean-Luc Deschanvres
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : 2MGE - Matériaux, Mécanique, Génie civil, Electrochimie
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 06/09/2024
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des matériaux et du génie physique
• Jury : Président / Présidente : Daniel Bellet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Luc Deschanvres, Cécile Pagnoux, Benjamin Remy, Benoit Rousseau
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Cécile Pagnoux, Benjamin Remy

Mots clés

Mots clés libres

Cathode Oxyde

Emission thermoélectronique

Dépôt

Spectromètre de masse

Travail de sortie

Matériaux Fonctionnels

Oxide Cathode

Thermionic emission

Work Function

Mass spectrometer

Functional Material

Thin Film

Résumé

La détection de fuites hélium est utilisée dans divers secteurs tels que l'automobile, la pharmaceutique et les semi-conducteurs, offrant à la fois sensibilité et reproductibilité. Cependant, son importante consommation d'hélium est un frein à son utilisation en raison de la rareté croissante de l’hélium et de son coût élevé. Les alternatives, comme la détection par H2 réduisent fortement la sensibilité des détecteurs. La transition vers H2 incite à rechercher des améliorations de sensibilité du détecteur. Cette thèse porte en particulier sur les cathodes thermoélectroniques utilisée dans la cellule d’analyse des détecteurs de fuite. La cellule est un spectromètre de masse nécessitant un faisceau d’électrons. Les cathodes, et leur émission, jouent un rôle important à la fois sur la sensibilité et la robustesse du détecteur. Du fait des conditions d’utilisation (pression, pollution), la cathode actuelle est une cathode thermoélectronique composé d’un dépôt d’Yttria sur un fil d’Iridium. Cette thèse vise à mettre au point une cathode à faible travail de sortie permettant d’améliorer les performances de la cathode, vis-à-vis de son émission et de sa durée de vie, sans pour autant dégrader les performances de la cellule d’analyse (pollution et forme du faisceau). Dans un premier temps la simulation est utilisée pour évaluer les températures atteintes par la cathode et ainsi estimer le travail de sortie théorique des cathodes à partir de leur émission expérimentale. Des irrégularités de mesures sont détectées, ce qui met en lumière l'importance d’un facteur précédemment négligé. En effet, l'émissivité radiative du dépôt représente une part importante des échanges thermiques lors du chauffage: elle aura donc un impact sur la température du filament. L’émissivité radiative pouvant varier d’un dépôt à l’autre en fonction de sa microstructure, cela contribuera à des variations de température à courant de chauffe constant entre cathodes et donc aux variations d’émission électronique déjà observées. Dans un deuxième temps, divers paramètres sont étudiés afin d’identifier quels sont les facteurs influençant les performances des cathodes. La granulométrie des poudres joue un rôle crucial, non seulement vis-à-vis de l’émission, comme prévu par la simulation, mais aussi de la durée de vie. Les phénomènes de dégradations de la cathode sont impactés par la granulométrie du dépôt. Le dernier chapitre consiste à la conception d’une nouvelle cathode innovante, plus performante pour le détecteur que la cathode actuelle et/ou plus économique. Plusieurs aspects sont examinés, tels que la forme de la cathode et les matériaux qui la composent. Les différents points sont étudiés séparément, avant de s’attarder sur le développement d'un dépôt présentant un plus faible travail de sortie que l’yttria. Bien que différents matériaux aient été identifiées lors de l'étude, aucun n'a démontré une stabilité supérieure à l'Yttria. Le développement de nouvelles cathodes requiert donc encore de nombreuses recherches. Cependant, le remplacement de l'Iridium par un autre métal réfractaire pourrait être une voie prometteuse à explorer à l'avenir surtout d’un point de vue économique.

Helium leak detection is used across various sectors such as automotive, pharmaceuticals, or semiconductors, offering both sensitivity and reproducibility. However, its high helium consumption is a barrier to its use due to its increasing scarcity and its high cost . Alternatives, such as hydrogen detection, significantly reduce detector sensitivity. Transitioning to hydrogen asks for detector sensitivity improvements. This thesis focuses on thermionic cathodes used in the analysis cell of leak detectors. The cell is a mass spectrometer requiring an electron beam. Cathodes and their emission play a crucial role in both the sensitivity and robustness of the detector. Given the operating conditions (pressure, contamination), the current cathode is a thermionic cathode consisting of a yttria coating on an iridium wire. This thesis aims to develop a low-work-function cathode to improve cathode performance, in terms of emission and lifespan, without degrading the performance of the analysis cell (contamination and beam shape). Initially, simulation is used to evaluate the temperatures reached by the cathode and thus estimate the theoretical work function of the cathodes based on their experimental emission. Measurement irregularities are detected, highlighting the importance of a previously overlooked factor. The radiative emissivity of the coating significantly impacts thermal exchanges during heating, affecting the filament's temperature. Since radiative emissivity can vary between coatings depending on their microstructure, this contributes to temperature variations at constant heating current between cathodes, leading to the observed emission variations. Subsequently, various parameters are studied to identify factors influencing cathode performance. The granularity of the powders plays a crucial role, not only in terms of emission, as predicted by simulation, but also in terms of lifespan. Cathode degradation phenomena are affected by the granularity of the coating. The final chapter involves designing a new, more efficient cathode for the detector than the current one and/or more economical. Several aspects are examined, such as the cathode shape and the materials used. Different points are studied separately before focusing on developing a coating with a lower work function than yttria. Although various materials were identified during the study, none demonstrated superior stability to yttria. Therefore, developing new cathodes requires further research. However, replacing iridium with another refractory metal could be a promising avenue to explore in the future, especially from an economic perspective.