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Title:
HIGH-ENERGY ELECTRON SOURCE MADE FROM CNT WITH OFFSET ELECTROMAGNETIC WAVE CONTROL ELEMENT
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2016/102575
Kind Code:
A1
Abstract:
A high-energy switchable electron source controlled by a current source (SCCO) in which: • the switchable cathode comprises at least one field-effect transmitter (105) and one screening electrode (111) located in or under a plane P comprising the conductive surface located under the foot of the transmitter (105), • an input terminal (132) of the SCCO (120) disposed outside the vacuum chamber is linked to the HV power supply and to the screening electrode (111), • an output terminal (131) of the SCCO is linked to the base electrode between the transmitter (105) and the substrate. • The high voltage power supply (103) delivers a potential for creating an anode field for inducing the transmission from the transmitter (105), • the output potential (131) being greater than or equal to the input potential (132), the screening electrode (111) is capable of reducing the electric field induced by the anode (106) on the transmitter (105) such that the current transmitted by the transmitter is equal to the current delivered by the SCCO.

Inventors:
MAZELLIER, Jean-Paul (Thales TRT, 1 avenue Augustin Fresnel, Palaiseau Cedex, 91767, FR)
LEGAGNEUX, Pierre (Thales TRT, 1 avenue Augustin Fresnel, Palaiseau Cedex, 91767, FR)
GANGLOFF, Laurent (Thales TRT, 1 avenue Augustin Fresnel, Palaiseau Cedex, 91767, FR)
ANDRIANIAZY, Florian (Thales TRT, 1 avenue Augustin Fresnel, Palaiseau Cedex, 91767, FR)
PONARD, Pascal (Thales Electron Devices - ZI Vongy, Thonon Les Bains Cedex, 74202, FR)
Application Number:
EP2015/080990
Publication Date:
June 30, 2016
Filing Date:
December 22, 2015
Export Citation:
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Assignee:
THALES (Tour Carpe Diem, Place des CorollesEsplanade Nord, Courbevoie, 92400, FR)
International Classes:
H01J1/304; H01J35/06
Foreign References:
US20060002514A12006-01-05
US20090086918A12009-04-02
FR2879342A12006-06-16
US20100290593A12010-11-18
Attorney, Agent or Firm:
DUDOUIT, Isabelle et al. (Immeuble Visium, 22 Avenue Aristide Briand, Arcueil Cedex, 94117, FR)
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Claims:
Revendications

1 - Source d'électrons de haute énergie commandée par une onde électromagnétique comprenant une enceinte à vide (1 01 ), une cathode commutable ou modulable (104) à base d'émetteurs à effet de champ (1 05) comprenant au moins une électrode d'écrantage (1 1 1 ), au moins un émetteur à effet de champ (105) relié à une électrode de base (1 10) disposée sur un substrat (1 12), une anode (106) mise à la masse, une alimentation haute tension (103), au moins un circuit de contrôle (1 09) d'une source de courant commandée par une onde électromagnétique ou SCCO (120) reliée à ladite cathode commutable caractérisée en ce que :

• La SCCO (120) est disposée en dehors de l'enceinte à vide,

• Une borne d'entrée (132) de la SCCO est reliée à l'alimentation haute tension et à l'électrode d'écrantage (1 1 1 ) de la cathode commutable

(104),

• Une borne de sortie (131 ) de la SCCO est reliée à l'électrode de base (1 1 0) entre l'émetteur à effet de champ et le substrat (1 1 2),

• L'alimentation haute tension (103) délivre un potentiel pour créer un champ d'anode suffisant pour induire l'émission depuis l'émetteur à effet de champ (1 05),

• Le potentiel de la borne de sortie (1 31 ) étant supérieur ou égal au potentiel de la borne d'entrée (1 32), l'électrode d'écrantage (1 1 1 ) est adaptée à diminuer le champ électrique induit par l'anode (106) sur l'émetteur (105),

• L'électrode d'écrantage (1 1 1 ) étant localisée dans un plan P comprenant la surface conductrice (105p) située sous le pied de l'émetteur à effet de champ (105) ou localisée sous ce même plan, une zone isolante électriquement (1 15) existe entre l'électrode d'écrantage et cette surface conductrice. 2 - Source d'électrons selon la revendication 1 caractérisée en ce que la SCCO (120) est disposée dans un connecteur haute tension (121 ) associé à l'enceinte à vide, ledit connecteur (1 21 ) comprenant une fenêtre transparente à l'onde électromagnétique, au moins une source d'ondes

5 électromagnétiques (107) commandée par le circuit de contrôle (1 09).

3 - Source d'électrons selon la revendication 2 caractérisée en ce que la source d'ondes électromagnétiques est une source optique telle qu'une source laser, une diode laser, une diode électroluminescente, (107) et la o fenêtre (108) est transparente à la longueur d'onde de la source optique.

4 - Source d'électrons selon la revendication 1 caractérisée en ce que la source d'ondes électromagnétiques est une source radiofréquence comprenant un module d'émission (1 81 ) et une antenne d'émission RF5 (182), et en ce que la SCCO (1 20) comprend une antenne de réception RF (183) connectée à un module de réception RF (184), et une source de courant commandée par ce module de réception.

5 - Source d'électrons selon la revendication 4 caractérisée en ce que la0 SCCO (120) comprend une antenne de réception RF (183) connectée à un module de réception RF (1 84), deux cathodes Ci , C2, un microprocesseur (185) adapté à piloter la génération de courant.

6 - Source d'électrons selon la revendication 1 caractérisée en ce qu'une5 cathode commutable ou modulable (104) à base d'émetteurs à effet de champ (1 05) comprend au moins deux zones (81 , 82), chacune de ces zones est connectée à une sortie (83s, 84s) d'une source de courant (83, 84) lui correspondant et en ce qu'une ou plusieurs sources lasers (85, 86) sont reliées à un circuit de contrôle (1 09).

0 7 - Source d'électrons selon la revendication 1 caractérisée en ce que le transport de l'onde optique se fait à l'aide d'une fibre optique isolante (140) insérée dans un matériau solide (141 ). 8 - Source d'électrons selon l'une des revendications précédentes caractérisée en ce que le substrat comprend une électrode d'écrantage (1 51 ) présentant sur une partie une ouverture Oi, sur laquelle on dépose un isolant d'encapsulation (152), l'électrode de base et l'émetteur étant disposés en vis- à-vis de l'ouverture pratiquée dans l'électrode d'écrantage.

9 - Source d'électrons selon l'une des revendications précédentes caractérisée en ce qu'une électrode de base (1 10) ayant un rayon R, la distance entre l'électrode de base (1 1 0) et l'électrode d'écrantage (1 1 1 ) est de l'ordre du rayon R.

10 - Source d'électrons selon l'une des revendications précédentes caractérisée en ce qu'elle comporte un substrat (1000) recouvert d'une couche d'isolant (1001 ) comprenant un via (1 002) permettant le contact de l'électrode de base du transistor à effet de champ, une électrode d'écrantage (1 1 1 ) positionnée autour d'un émetteur à effet de champ (105), une couche d'isolant d'encapsulation (1004) déposée de façon à recouvrir l'électrode d'écrantage (1 1 1 ) et au moins partiellement l'électrode de base (1 10) du nanotube. 1 1 - Source d'électrons selon l'une des revendications précédentes caractérisée en ce qu'elle comporte un réseau d'émetteurs à effet de champ connectés au substrat grâce à la présence de contacts traversants (1 1 00).

12 - Source d'électrons selon l'une des revendications précédentes caractérisée en ce que le substrat comprend une électrode d'écrantage continue, un isolant d'encapsulation (1 54) sur lequel sont positionnés l'électrode de base (1 10) et l'émetteur à effet de champ associé (105).

13 - Source d'électrons selon l'une des revendications précédentes caractérisée en ce qu'un émetteur à effet de champ est un nanotube ou une nanofibre de carbone (105).

14 - Source d'électrons selon l'une des revendications précédentes caractérisée en ce que les électrons viennent frapper une anode pour la production de rayons X.

Description:
SOURCE D'ELECTRONS DE HAUTE ENERGIE A BASE DE CNT AVEC ELEMENT DE COMMANDE PAR ONDE ELECTROMAGNETIQUE DEPORTEE

L'invention concerne une source d'électrons de haute énergie, entre 20 et 500 kV, par exemple, comprenant au moins une cathode ou source d'électrons commutable ou modulable et un élément de contrôle par onde électromagnétique externe à la structure de la cathode commutable.

Elle est utilisée dans le domaine des tubes électroniques intégrant un canon à électrons, et plus particulièrement dans le domaine des tubes à rayons X. Elle concerne les cathodes commutables ou modulables comprenant un ou plusieurs émetteurs à effet de champ, ou à base de nanotubes/nanofibres de carbone ou CNT, associées à une source de courant commandée par une onde électromagnétique (SCCO) qui peut être déportée physiquement hors du tube à rayons X. Elle concerne une source rayons X, RX, délivrant un flux de RX contrôlé par une onde électromagnétique, par exemple une source d'illumination optique, et pouvant être commutée entre un état ON et un état OFF ou bien être régulée entre ces deux états.

Les cathodes commutables avec une onde électromagnétique proposées aujourd'hui sont des cathodes à commande optique (photocathodes). Un des problèmes existant dans les photocathodes à CNT est que les photoéléments associés physiquement aux CNTs sont soumis aux rayons X et aux bombardements ionisants régnant dans l'enceinte du tube. Leur intégration nécessite donc une technologie de durcissement. De plus, leur intégration sous forme de réseau homologue au réseau de CNTs contraint les dimensions possibles de ces photoéléments, ce qui peut limiter leur tension de claquage, par exemple typiquement de 40V, alors que l'utilisation de photoéléments plus larges permet des tensions de claquage supérieures jusqu'à plusieurs centaines de volts. Le document US 2006/0002514 divulgue un dispositif comprenant un réseau d'émetteurs électroniques associés à une grille d'extraction, un composant photosensible connecté, d'une part à une source de tension et d'autre part à la grille d'extraction, et à une résistance reliée à la masse. Dans cette configuration, la grille est polarisée positivement par rapport à la pointe de façon à permettre l'émission d'électrons à partir de cette pointe. L'émission des émetteurs électroniques dépend de la différence de tension entre la tension de la grille et la tension de la pointe. Cette différence de tension dépend de l'état passant ou non passant du dispositif photosensible. Le courant d'émission suit alors la loi de Fowler-Nordheim connue de l'homme du métier qui est, en première approximation, une exponentielle de la tension de grille. De ce fait, le courant d'émission ne peut alors être finement contrôlé.

Le brevet US 5 804 833 décrit une structure comprenant une photocathode et une anode. La photocathode comprend une structure émettrice fabriquée sur une structure détectrice. La tension de polarisation est typiquement de 10 kV. Une telle configuration ne permet pas de fabriquer de source RX (tension de fonctionnement de 50 à 500 kV) présentant un faible flux de RX à l'état OFF correspondant à la structure détectrice non éclairée. Ce brevet décrit une deuxième configuration qui implique l'utilisation d'une source de tension pour polariser la grille par rapport au contact afin d'activer la structure détectrice. Dans la configuration idéale, anode à la masse pour faciliter son refroidissement et photocathode à haute tension, l'ajout d'une source de tension au niveau de la photocathode complexifie l'alimentation haute tension de la photocathode, par ajout d'un transformateur d'isolement, par exemple. Les structures détectrices et émettrices sont réalisées dans un morceau continu de semi-conducteur avec l'élément photoconducteur localisé sous l'émetteur. Il est donc exposé aux rayons X générés dans le tube. Les photoéléments présentant toujours un courant de fuite, il existe un courant d'émission d'électrons qui génère sur la cible des rayons X. Ces rayons X génèrent à leur tour un courant dans le photoconducteur. Cette boucle induit l'apparition d'un flux résiduel de rayons X. Il n'est donc pas possible dans cette configuration d'obtenir un flux résiduel de rayons X extrêmement faible à l'état OFF, Le., sans illumination du photoélément.

Dans la suite de la description, dans l'état « ON » le photoélément est éclairé, alors que dans l'état « OFF » le photoélément n'est pas éclairé. On désignera un même élément en utilisant l'expression « une source de courant commandée par une onde électromagnétique » ou « un élément de contrôle de courant ».

L'objet de l'invention concerne une nouvelle structure de source d'électrons haute énergie contrôlable par une onde électromagnétique à base d'émetteurs à effet de champ, par exemple de nanotubes/nanofibres de carbone (CNT) où la configuration des électrodes de la cathode commutable permet une reconfiguration dynamique du potentiel au voisinage des CNT. Le ou les nanotubes sont connectés électriquement à une base, le tout posé sur une surface. La reconfiguration du potentiel est notamment assurée par le couplage des CNTs avec une source de courant commandée par une onde électromagnétique (SCCO) qui est externalisée du substrat et qui, de fait, peut être déportée physiquement d'un tube intégrant la cathode commutable (ou modulable) comme source électronique. Cette intégration permet notamment d'éviter l'exposition directe du photoélément aux rayons X générés dans le tube et l'effet du flux d'ions à haute énergie sur la cathode pouvant entraîner une érosion ou une modification des propriétés électriques du substrat, par exemple, l'hydrogénation du silicium.

L'invention concerne une source d'électrons de haute énergie commandée par une onde électromagnétique comprenant une enceinte à vide, une cathode commutable ou modulable à base d'émetteurs à effet de champ comprenant au moins une électrode d'écrantage, au moins un émetteur à effet de champ relié à une électrode de base disposée sur un substrat, une anode mise à la masse, une alimentation haute tension, au moins un circuit de contrôle d'une source de courant commandée par une onde électromagnétique ou SCCO reliée à ladite cathode commutable caractérisée en ce que :

• La SCCO est disposée en dehors de l'enceinte à vide,

• Une borne d'entrée de la SCCO est reliée à l'alimentation haute tension et à l'électrode d'écrantage de la cathode commutable,

• Une borne de sortie de la SCCO est reliée à l'électrode de base entre l'émetteur à effet de champ et le substrat,

• L'alimentation haute tension délivrant un potentiel pour créer un champ d'anode suffisant pour induire l'émission depuis l'émetteur à effet de champ,

• Le potentiel de la borne de sortie étant supérieur ou égal au potentiel de la borne d'entrée, l'électrode d'écrantage est adaptée à diminuer le champ électrique induit par l'anode sur l'émetteur,

• L'électrode d'écrantage étant localisée dans un plan P comprenant la surface conductrice située sous le pied de l'émetteur à effet de champ ou localisée sous ce même plan, une zone isolante électriquement existe entre l'électrode d'écrantage et cette surface conductrice.

Selon une variante de réalisation, la SCCO est disposée dans un connecteur haute tension associé à l'enceinte à vide, ledit connecteur comprenant une fenêtre transparente à l'onde électromagnétique, au moins une source d'ondes électromagnétiques commandée par le circuit de contrôle.

Selon un mode de réalisation, la source d'ondes électromagnétiques est une source optique telle qu'une source laser, une diode laser, une diode électroluminescente, et la fenêtre est transparente à la longueur d'onde de la source optique.

Selon une autre variante, la source d'ondes électromagnétiques est une source radiofréquence comprenant un module d'émission et une antenne d'émission radiofréquence RF, et la SCCO comprend une antenne de réception RF connectée à un module de réception RF, et une source de courant commandée par ce module de réception. La SCCO comprend, par exemple, une antenne de réception RF connectée à un module de réception RF, deux cathodes et un microprocesseur adapté à piloter la génération de courant.

Selon un mode de réalisation, une cathode commutable ou modulable à base d'émetteurs à effet de champ comprend au moins deux zones, chacune de ces zones est connectée à une sortie d'une source de courant lui correspondant et une ou plusieurs sources lasers reliées à un circuit de contrôle.

Le transport de l'onde optique peut être réalisé à l'aide d'une fibre optique isolante insérée dans un matériau solide.

Selon un mode de réalisation, le substrat comprend une électrode d'écrantage présentant sur une partie une ouverture Oi, sur laquelle on dépose un isolant d'encapsulation, l'électrode de base et l'émetteur étant disposés en vis-à-vis de l'ouverture pratiquée dans l'électrode d'écrantage.

Selon une variante, une électrode de base ayant un rayon R, la distance entre l'électrode de base et l'électrode d'écrantage est de l'ordre de R.

La source d'électrons peut comporter un substrat recouvert d'une couche d'isolant comprenant un via permettant le contact de l'électrode de base du transistor à effet de champ, une électrode d'écrantage positionnée autour d'un émetteur à effet de champ, une couche d'isolant d'encapsulation déposée de façon à recouvrir l'électrode d'écrantage et au moins partiellement l'électrode de base du nanotube.

La source peut aussi comporter un réseau d'émetteurs à effet de champ connectés au substrat grâce à la présence de contacts traversant.

Selon un mode de réalisation, le substrat comprend une électrode d'écrantage continue, un isolant d'encapsulation sur lequel sont positionnés l'électrode de base et l'émetteur à effet de champ associé.

Selon un mode de réalisation, un émetteur à effet de champ est un nanotube de carbone ou une nanofibre de carbone. L'invention concerne aussi une source d'électrons où les électrons viennent frapper une anode pour la production de rayons X.

D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront mieux à la lecture d'exemples de réalisation donnés à titre illustratif et nullement limitatifs, annexés des figures qui représentent :

• La figure 1 , un exemple de structure selon l'invention,

• La figure 2, un exemple de structure selon l'invention avec le CNT,

• La figure 3, un exemple de réalisation avec un réseau de CNTs,

• La figure 4, une illustration du fonctionnement de la cathode commutable,

• La figure 5, la différence de tension entre le nanotube et l'électrode d'écrantage qui permet une annulation du champ au sommet d'un nanotube,

• La figure 6, une première variante de réalisation du système avec commande à fibre optique,

• Les figures 7 et 8, deux exemples de réalisation avec une commande radiofréquence,

• La figure 9, une deuxième variante comprenant plusieurs sources,

• La figure 10, une variante permettant de supprimer les fuites de courant à la surface de l'isolant,

• La figure 1 1 , une variante de réseaux de CNTs connectés au substrat et différentes électrodes surfaciques de contrôle,

• La figure 12, une variante où les CNTs sont polarisés individuellement et ont une électrode surfacique de contrôle commune,

• La figure 13, un exemple d'intégration à un niveau surfacique,

• La figure 14, un exemple de réalisation de différentes zones d'émission avec contrôle individuel du courant émis,

• La figure 15A et la figure 15B représentent deux exemples de structure à électrode d'écrantage enterrée, • La figure 1 6, schématise une autre variante de structure à électrode d'écrantage enterrée,

• La figure 17, représente un circuit électronique de contrôle, et

• La figure 18, un exemple de réseau à trois connexions.

Les exemples qui vont suivre sont donnés pour l'utilisation de

CNTs, mais pourraient être mis en œuvre pour tout type d'émetteur à effet de champ micrométrique, par exemple, des micropointes silicium ou métalliques, diamant, oxyde de zinc ZnO, etc.

La figure 1 décrit un premier exemple de réalisation d'une source d'électrons de haute énergie commutable ou modulable par onde électromagnétique 100 qui comprend une enceinte à vide 101 mise à la masse comprenant une fenêtre 102 transparente aux rayons X, une alimentation haute tension 103, (-30 à -500 kV), une cathode commutable 104 à base d'émetteurs à effet de champ, par exemple des nanotubes/nanofibres de carbone CNT, 105, intégrant une ou plusieurs électrodes d'écrantage 1 1 1 , les couches conductrices de part et d'autre ou autour du nanotube sont reliées. L'élément de contrôle du courant par onde électromagnétique (SCCO) est disposé en dehors de l'enceinte à vide, la cathode commutable et la SCCO étant polarisés à la haute tension négative, une anode 1 06 à la masse, une source d'ondes électromagnétiques 1 07, par exemple une source optique telle qu'un laser, une diode laser ou une diode électroluminescente, une fenêtre transparente à l'onde électromagnétique 108 et un circuit de contrôle 109 de cette source d'ondes électromagnétiques, par exemple une source optique. L'alimentation de la source est découplée galvaniquement de l'alimentation haute tension 103. L'alimentation haute tension 103 délivre un potentiel ayant une valeur choisie pour créer un champ d'anode suffisant pour induire l'émission depuis l'émetteur 1 05.

L'élément de contrôle de courant (SCCO) déporté de l'enceinte, dans cet exemple, est un phototransistor ou une photodiode illuminé par une source optique à travers une fenêtre optiquement transparente et un gaz diélectrique transparent optiquement. La SCCO 120 est située dans un connecteur haute tension 121 , comprenant une enveloppe étanche à la masse 122 et composée d'isolants électriques 123 et de gaz pressurisé à forte rigidité diélectrique et transparent optiquement 124.

La cathode commutable 104 (figure 2, figure 3) comprend au moins un nanotube/nanofibre 105 de carbone multi-parois (CNT), comprenant une surface conductrice 105s située sous le pied de l'émetteur, le CNT est orienté verticalement par rapport au plan de la cathode, une électrode d'écrantage 1 1 1 du champ induit par l'anode 106 située de part et d'autre ou autour du nanotube, ces éléments étant disposés sur un substrat 1 12. L'isolant électrique 1 15 dispose d'ouvertures au niveau des électrodes de base 1 10 de manière à connecter électriquement le/les CNTs 1 05 au substrat 1 12.

Un CNT présente un rapport d'aspect important, par exemple, compris dans l'intervalle [100-200], entre sa longueur cent nanomètres à plusieurs microns, et son diamètre pris au sommet ou l'équivalent pour des surfaces d'apex de CNT non sphériques, un nanomètre à plusieurs dizaines de nanomètres. La distance entre l'électrode d'écrantage 1 1 1 et le nanotube 105 est proche de la hauteur h C NT du nanotube. L'électrode d'écrantage 1 1 1 est disposée de préférence dans un plan P comprenant la surface conductrice au pied 105p de l'émetteur ou localisée en dessous de ce plan.

La zone isolante 1 15 supporte la différence de potentiel entre le disque à la base du nanotube et l'électrode d'écrantage. La réduction de cette tension permet de limiter le stress électrique induit.

L'électrode conductrice entre le nanotube 105 et le substrat 1 12 est reliée à la borne de sortie 131 de la SCCO. L'électrode d'écrantage 1 1 1 à la surface du substrat est reliée à la borne d'entrée 1 32 de la SCCO. La borne d'entrée 132 de la SCCO est reliée à la haute tension HT. La source optique 107 illumine la source de courant SCCO avec une puissance contrôlée par le circuit électronique de contrôle 1 09. Le potentiel de la borne de sortie 131 est dans cet exemple supérieur ou égal au potentiel de la borne d'entrée 132. L'électrode d'écrantage 1 1 1 permet uniquement de réduire ou de supprimer le champ électrique induit par l'anode 106 sur l'émetteur 105, en fonctionnement normal.

Le modèle dans cet exemple est défini pour les hypothèses suivantes :

• le CNT 105 présente un rapport d'aspect de 100 à 200 entre sa longueur I et son diamètre au sommet,

• V représente la tension entre le nanotube 1 05 et son électrode de base 1 10 par rapport à l'électrode d'écrantage 1 1 1 ,

· R est le rayon de l'ouverture dans l'électrode d'écrantage.

Lorsque le tube RX est sous tension, une tension négative est appliquée à la cathode commutable 104 et au SCCO 1 20 par rapport à l'anode 106. Cette différence de potentiel induit un champ électrique au niveau de la cathode 104. Un champ électrique est alors appliqué au CNT 105 ce qui peut induire l'émission d'électrons. Le courant I C NT délivré par le nanotube de carbone est égal au courant Iscco délivré par la source de courant SCCO, il s'ajuste au courant. Ce point de fonctionnement entraîne un phénomène d'autopolarisation du CNT 105: lorsque le courant l S cco délivré par la source de courant SCCO diminue, ceci augmente la tension positive sur le nanotube 105 par rapport à l'électrode d'écrantage 1 1 1 . L'électrode d'écrantage écrante alors le champ d'anode appliqué localement au nanotube, ce qui réduit automatiquement le courant d'émission I C NT du CNT, jusqu'à ce que le courant I C NT délivré par le CNT soit égal au courant Iscco délivré par la source de courant SCCO. Le courant I C NT délivré par le ou les nanotubes s'ajuste automatiquement au courant Iscco délivré par la SCCO. Ce mode de fonctionnement permet un contrôle du courant d'émission du nanotube suivant une loi quasi linéaire de la puissance optique, dans cet exemple de réalisation (la SCCO étant une photodiode ou un phototransistor).

La position de la SCCO 1 20 en dehors de l'enceinte à vide permet d'éviter son exposition aux rayons X générés. Le flux résiduel de rayons X émis lorsque la source de courant n'est pas éclairée, état OFF, est alors très faible. Cette configuration ne nécessite pas de source de tension active pour gérer la tension de l'électrode d'écrantage ou pour activer la SCCO. En conséquence, l'alimentation haute tension ne génère qu'un seul signal pour polariser la cathode commutable et la SCCO par rapport à l'anode. Il est ainsi possible de concevoir une alimentation haute tension très compacte qui ne requiert pas de transformateur d'isolement en fonctionnement normal.

Du fait de la disposition de la SCCO en dehors de l'enceinte, il est possible d'obtenir un courant d'obscurité se égal au courant d'obscurité intrinsèque (<1 nA) de la SCCO et donc un courant d'émission des nanotubes extrêmement faible (<1 nA), ce qui est primordial pour les applications médicales, par exemple.

L'anode 106 est à la masse ce qui facilite son refroidissement. Selon un mode de réalisation, l'anode 106 peut comporter une ouverture permettant le passage d'électrons, l'anode 106 étant reliée à une enceinte à vide selon un schéma connu de l'homme du métier. La source selon l'invention est une source d'électrons haute énergie, de 20 à 500 kV par exemple.

La figure 3 illustre un exemple de réalisation de l'invention avec un réseau de CNT, 105i. Les éléments référencés sur cette figure ont été décrits précédemment.

La figure 4 illustre schématiquement le fonctionnement de la cathode commandée par la SCCO. Il inclut le courant d'émission I C NT d'un CNT en fonction de la différence de potentiel entre le nanotube 105 et l'électrode d'écrantage 1 1 1 , et ceci pour un champ d'anode constant. Il inclut également le courant délivré Iscco par la SCCO en fonction de la tension de polarisation de cette SCCO et en fonction de la puissance optique Popt reçue par la SCCO.

Dans la configuration représentée, on ne contrôle pas la différence de tension entre le nanotube et l'électrode d'écrantage qui est égale à la différence de tension entre la borne de sortie et la borne d'entrée de la source SCCO.

Comme le courant délivré I C NT par les nanotubes est égal au courant délivré Iscco par la SCCO, la valeur de courant est l'intersection, l s , entre la courbe 200 du courant délivré par la SCCO et la courbe 201 de courant d'émission du nanotube. Pour une puissance optique P opt i d'illumination de la SCCO correspondant à un courant délivré par cette source SCCO de 10 μΑ, le courant d'émission du CNT est égal à ce courant de 1 0 μΑ.

Lorsque la puissance d'émission de la source SCCO diminue, courbe P op t2, le courant l SC co délivré par la SCCO diminue, dans l'exemple, 5 μΑ. Les électrons initialement accumulés au sommet du CNT vont en partie être émis par effet de champ, réduisant de ce fait le champ d'extraction en son sommet. Le courant d'émission I C NT va en être réduit. Ce processus stoppe lorsque le courant d'émission devient égal à 5 μΑ. Il est possible de moduler temporellement la puissance d'illumination de la source SCCO et donc le courant d'émission I C NT des nanotubes et de fait le flux RX émis sur l'objet à examiner.

Lorsque la SCCO n'est plus illuminée, état OFF, le courant délivré Iscco par la source est égal à la valeur de courant correspondant à l'intersection de la courbe décrivant le courant d'obscurité se et de la courbe d'émission du nanotube. Pour obtenir un courant à l'état OFF extrêmement faible, le courant d'obscurité de la source SCCO doit être extrêmement faible et l'on doit avoir une tension aux bornes de la source de courant SCCO inférieure à la tension d'avalanche de la SCCO.

La figure 5 représente la différence de tension entre un CNT et une électrode d'écrantage permettant une annulation du champ au sommet du CNT. Pour un CNT de hauteur 5 μηι et un rayon d'ouverture dans l'électrode d'écrantage de 1 μιη, cette tension est de 1 10 V. Dans cette configuration, on choisira une SCCO qui présente une tension d'avalanche supérieure à 1 10V et qui présente un courant d'obscurité extrêmement faible. Il existe des photodiodes présentant des tensions d'avalanche de 200 V avec un courant d'obscurité inférieur à 1 nA. Il est donc possible avec cette configuration de réaliser un tube RX avec un courant d'électrons à l'état OFF inférieur à 1 nA. La source de courant SCCO peut aussi alimenter un réseau de nanotubes, comme il sera schématisé par la suite. Le courant à l'état ON, source de courant illuminée, peut atteindre par exemple 1 mA. On obtient alors un rapport ON/OFF de 1 0 6 . Il est particulièrement avantageux d'utiliser des CNTs courts et fins, par exemple de 2 μηπ de hauteur et de 20 nm de diamètre au sommet. Pour un même rayon d'électrode de 1 μηη, la tension qui permet d'annuler le champ au sommet du nanotube est de l'ordre de 50 V. On peut alors utiliser des SCCO présentant une tension d'avalanche plus faible.

Pour une électrode d'écrantage enterrée, l'épaisseur d'isolation sera ajustée en fonction des tensions à tenir et du matériau isolant. Par exemple, 1 pm de silice thermique peut tenir une tension de 200V et théoriquement 1000V. Le principe de fonctionnement de la cathode commutable exposé précédemment reste le même pour cette variante de réalisation.

La figure 6 représente une variante de réalisation utilisant une fibre optique isolante électrique pour la propagation du signal de commande. Les éléments de cette variante identique à ceux décrits à la figure 1 portent les mêmes références. Une fibre optique isolante 140 permet la propagation du signal issu de la source 107. Cette fibre traverse un solide diélectrique 141 , tel qu'un polymère, une céramique, un époxyde, afin d'exciter la SCCO 120. L'ensemble est disposé dans un isolant électrique 142. Comme dans l'exemple de la figure 1 , il existe un lien optique direct entre la source optique et la source SCCO déportée.

La figure 7 illustre une source d'ondes électromagnétiques radiofréquence 180 pour commander la SCCO. La source radiofréquence comprend un module d'émission 181 et une antenne d'émission RF 182. La SCCO comprend une antenne de réception RF 183 connectée à un module de réception RF 184, et une source de courant commandée par ce module de réception. La SCCO est donc une source de courant contrôlée par la source d'ondes électromagnétiques 180. Un tel dispositif ne nécessite aucun lien direct entre la source RF et la SCCO. Ce dispositif est particulièrement bien adapté pour le pilotage de nombreuses cathodes commutables portées à la haute tension par une onde électromagnétique présentant différentes modulations et permettant ainsi un multiplexage à l'émission et un démultiplexage à la réception de chaque canal, cathode CNT. La commande peut être en tout ou rien (On/Off) ou bien permettre un contrôle précis de l'intensité du courant des CNT par une modulation par largeur d'impulsion ou PWM en anglo-saxon Puise Width Modulation.

La figure 8 schématise une variante pour le pilotage de deux cathodes Ci , C 2 par multiplexage Mix. Ce dispositif permet, par exemple, le pilotage RF et la génération de signaux PWM pour contrôler le courant à partir d'un second microprocesseur 185. La communication entre les deux microprocesseurs RF peut se faire en utilisant le protocole SPI par exemple.

La figure 9 représente une variante pour laquelle la cathode commutable comprend au moins deux zones 81 , 82, voire plus que deux zones. Chaque zone comprend un ou plusieurs CNTs 1 05 et chaque zone est connectée à une sortie 83s, 84s, d'une source de courant 83, 84 lui correspondant. A chaque CNT 1 05 on associe une électrode d'écrantage positionnée de part et d'autre ou autour du nanotube comme il a été décrit précédemment. Une ou plusieurs sources lasers 85, 86 sont reliées à un circuit de contrôle. Le fonctionnement de cette variante est similaire à celui décrit pour les figures précédentes avec une possibilité plus importante dans la modulation.

La figure 10 est une vue en coupe d'un exemple d'une solution permettant de supprimer les fuites de courant pouvant exister à la surface de l'isolant 1001 . Dans cet exemple, le substrat 1 000 est recouvert d'une couche d'isolant 1001 comprenant un via 1002 permettant le contact de l'électrode de base du nanotube, une électrode d'écrantage 1 1 1 positionnée autour du nanotube 105 (figure 2). Une couche d'isolant d'encapsulation 1004 est déposée de façon à recouvrir l'électrode d'écrantage et au moins partiellement l'électrode de base du nanotube. Cet agencement permet avantageusement de diminuer voire d'annuler les courants de fuite.

La figure 1 1 représente un réseau de nanotubes 105 connectés au substrat grâce à la présence de contacts traversant 1 100, connus sous l'abréviation anglo-saxonne TSV (through silicon vias). La présence de ces TSV permet de reporter des contacts de la face arrière 1 1 01 vers la face avant 1 1 02. De plus, étant eux même isolés du substrat, ils permettent de contrôler électriquement des zones différentes en surface de puce. Ainsi, tous les CNTs 105 sont connectés au substrat 91 . Des électrodes d'écrantage électriquement isolées peuvent être adjointes à différentes zones de CNTs, contrôlant ainsi indépendamment leurs courants d'émission.

La figure 1 2 schématise un exemple de nanotubes 1 05 polarisés individuellement grâce à la présence de contacts traversants TSV 1 100 et la présence d'une électrode surfacique de contrôle 1200 commune aux différents nanotubes CNTs.

La figure 1 3, décrit un exemple d'intégration à un niveau surfacique. Sur le substrat 1300 une couche isolante 1301 est déposée. Ensuite une couche conductrice est détourée en deux zones conductrices disjointes, 1303, 1304, mais entrelacées de manière à obtenir une structure interdigitée. Une des électrodes sert d'électrode de base 1 1 0 au CNT 105 (figure 2), l'autre électrode joue le rôle d'électrode d'écrantage 1 1 1 . Ici le substrat n'a plus de rôle électrique, uniquement un rôle de support mécanique.

La figure 14, donne un exemple de réalisation de différentes zones d'émission 1401 , 1402, 1403, 1404, 1405 avec contrôle individuel du courant émis. Chacune des zones présente une structure telle que celle décrite à la figure 12. Les différentes zones sont positionnées les unes à côté des autres en fonction des spécifications de l'application visée. Il est possible de réaliser un report des contacts sur la face arrière sans changer le principe de fonctionnement.

La figure 1 5A et la figure 1 5B, deux exemples de structure à multicouches isolantes. La figure 15A représente une première variante de réalisation qui permet notamment d'éviter le risque de fuite de courant à la surface de l'isolant. On dépose sur un substrat isolant une électrode d'écrantage 151 présentant sur une partie une ouverture O, sur laquelle on dépose un isolant d'encapsulation 1 52. L'électrode de base et le nanotube sont disposés en vis-à-vis de l'ouverture pratiquée dans l'électrode d'écrantage. La figure 15B schématise une deuxième variante dans laquelle on dispose sur le substrat isolant, une électrode d'écrantage continue, un isolant d'encapsulation 1 54 sur lequel on va positionner l'électrode de base 1 10 et le nanotube associé 1 05.

Dans ces deux configurations, le réseau conducteur au potentiel des nanotubes est séparé de l'électrode d'écrantage de contrôle par une couche diélectrique isolante. L'isolement galvanique entre les deux éléments conducteurs n'est donc plus surfacique mais intrinsèque. Ce dispositif est intéressant eu égard aux phénomènes d'arc électriques, aux dépôts partiellement conducteurs pouvant apparaître dans les tubes électroniques sous vide et plus particulièrement les tubes RX. L'électrode d'écrantage de contrôle fonctionne préférentiellement en autopolarisation assurant ainsi un écrantage électrostatique du champ principal créé par l'anode qui est portée à haute tension.

La figure 1 6 schématise un exemple de structure à électrode d'écrantage enterrée optimisée pour réduire au maximum les capacités de couplage entre l'électrode de base 1 10 connectant les CNTs 1 05 et l'électrode d'écrantage enterrée 1 1 1 représentée en traits pointillés, elle peut prendre la forme d'un anneau plat et comporte une certaine surface s'étendant à l'extérieur de la surface de l'électrode de base. Cette structure permet d'envisager des fréquences de fonctionnement supérieures aux fréquences utilisées à une électrode d'écrantage enterrée continue qui présente un plus fort couplage capacitif avec les électrodes de base.

La figure 1 7 représente un exemple de circuit électronique de contrôle en courant des nanotubes par une source de courant à contrôle optique. L'électrode d'écrantage 1 1 1 est contrôlée en tension à l'aide d'un phototransistor, éclairé celui-ci est passant. L'électrode d'écrantage 1 1 1 , en traits pointillés, se retrouve polarisée à la haute tension HT (référence de potentiel du système). Si le phototransistor 171 est non éclairé, il devient bloquant : l'électrode d'écrantage 1 1 1 se retrouve polarisée négativement par rapport à la haute tension HT grâce à une pile 172 (polarisation typique 40V). Ceci permet de contrôler le niveau de tension de l'électrode d'écrantage par rapport à la référence de potentiel. L'électrode de base 1 10 est reliée à la haute tension HT à travers un phototransistor 1 75 qui joue le rôle d'interrupteur optiquement contrôlé. Eclairé sous fort flux, le phototransistor 175 est totalement passant, réalisant ainsi une connexion directe de l'électrode de base 1 1 0 à la haute tension HT. En l'absence de flux lumineux, le phototransistor 175 est bloquant et le courant émis par les nanotubes 1 05 égale le courant d'obscurité du phototransistor (typiquement <1 nA). Avec des éclairements intermédiaires, le niveau de courant du phototransistor peut être régulé précisément: le courant émis par les CNT 105 égale alors ce courant par point de fonctionnement (cf figure 2). Le niveau d'illumination du phototransistor permet de contrôler le niveau d'émission électronique des CNT. Une diode Zener 176 placée en parallèle du phototransistor 175 permet d'éviter les surtensions sur le phototransistor 175 et évite sa destruction lors d'événements incontrôlés comme les claquages dans le tube à RX.

La figure 18 schématise un exemple de réseau à trois connexions permettant l'utilisation d'émetteurs individuels et demandant une symétrie électrostatique autour de l'axe d'émission d'un nanotube permettant de minimiser les aberrations d'optique électronique. En effet le champ électrique généré possède la symétrie des électrodes qui le forme (à proximité du CNT). Ainsi une symétrie élevée est obtenue en réalisant une connexion électrode d'écrantage et d'électrode de base connectée par trois voies 191 , 192, 1 93 réparties à 120°.

Le déport de la SCCO hors du tube offre une marge de manœuvre plus grande sur le choix de la SCCO (photo élément par exemple), dimensions, caractéristiques électriques, tenue en tension, etc. La SCCO n'est plus soumise à l'environnement direct du tube, rayons X, bombardement et implantation d'ions, etc. La configuration des électrodes permet notamment une reconfiguration dynamique du potentiel au voisinage des nanotubes.