Academic literature on the topic 'Cathode émissive'

La cathode creuse est un élément clef des propulseurs à plasma. Dans un propulseur à plasma, un gaz propulsif est ionisé dans un canal de décharge puis accéléré hors de celui-ci afin de créer la poussée. Dans le propulseur de Hall en particulier, l'ionisation du gaz est provoquée par l'injection dans le canal de décharge d'un intense courant électronique (de quelques ampères à plus d'une centaine d'ampères). L'élément chargé de fournir le courant électronique de la décharge, la cathode creuse, est crucial dans le fonctionnement du propulseur. Or, celle-ci est souvent idéalisée dans les modèles de propulseur et n'est que rarement étudiée pour sa physique propre. Pourtant, le développement de propulseurs de Hall de haute puissance, destinés à terme à équiper l'ensemble des missions spatiales, requiert la mise au point de cathodes capable de délivrer un fort courant (jusqu'à plus de 100 A) sur des durées de l'ordre de la dizaine de milliers d'heures. Or, la mise au point de nouvelles cathodes s'est révélée difficile en raison de l'absence de modèle susceptible de prédire a priori les performances d'une cathode en fonction de sa conception. On se propose ici de mettre en place un modèle prédictif de cathode creuse capable de retranscrire la physique du fonctionnement de la cathode. L'objectif in fine est bien sûr d'utiliser ce modèle afin de faire le lien entre la conception de la cathode et son fonctionnement dans le but de guider le développement de futures cathodes. On présentera tout d'abord brièvement le contexte d'application des cathodes creuses, et on donnera un rapide aperçu du principe de fonctionnement global de la cathode. Ensuite, après avoir effectué un tour d'horizon des différents modèles numériques de cathode creuse préexistants dans la littérature, on détaillera le modèle de la cathode développé ici, qui incorpore une description fluide du plasma, ainsi que des transferts thermiques aux parois, qui conditionnent en grande partie le bon fonctionnement de la cathode. Un soin particulier sera apporté à la validation des résultats de simulation vis-à-vis des mesures expérimentales disponibles dans la littérature, ce qui nous permettra de perfectionner certains points du modèle afin de mieux traduire la réalité physique. En particulier, une modélisation spécifique de la région de transition entre la décharge interne de la cathode et la plume du propulseur sera réalisée. Ce modèle permettra de mettre en évidence certains phénomènes d'instabilité du plasma spécifiques de cette décharge, qui ont été jusqu'ici observés expérimentalement mais jamais pleinement intégrés aux modèles de cathode creuse. A l'aide du modèle validé, on procèdera à l'analyse physique de l'ensemble des phénomènes qui gouvernent le fonctionnement d'une cathode particulière, la cathode NSTAR développée par la NASA au Jet Propulsion Laboratory. Ensuite, on s'appuiera sur le modèle numérique pour comprendre l'impact sur le fonctionnement de la cathode des choix de conception au travers d'une étude paramétrique autour de la cathode NSTAR. Les tendances dégagées nous permettront de formuler des recommandations quant au développement de cathodes de haute puissance. Enfin, dans le but d'illustrer la versatilité du modèle développé, le comportement d'une cathode creuse employant une géométrie alternative à la cathode NSTAR sera également présenté
A hollow cathode is a critical component of plasma thrusters. In a plasma thruster, a propellant gas is ionized in a discharge chamber and accelerated out of it so as to generate thrust. In Hall thrusters in particular, the ionization of the gas is caused by an intense electron current (from a few to hundred amps) which flows through the discharge chamber. The hollow cathode is the device which is responsible for providing the discharge current. This key element is often idealized in thruster numerical models and its physical behavior is rarely studied for its own sake. Yet, developing high power Hall thrusters, designed to propel in the long run every type of space mission, requires new hollow cathodes able to supply an intense electron current (over 100 A) over a duration on the order of ten thousand hours. So far, designing new cathodes proved difficult because of the lack of model capable of predicting the performance of a cathode based on its design. In this work, we build up a predictive model of a hollow cathode capable of simulating the physics relevant to the operation of the cathode. In the end, we aim at using this model to associate design characteristics of the cathode to key aspects of the cathode performance during operation. Our goal with this model is to guide the development of future high power hollow cathodes. We will first briefly describe the range of application of hollow cathodes related to space propulsion. Then we will give a brief account of the working principles of the cathode and we will set the numerical models available in the literature prior to this one out. The numerical model developed in this work will then be described. It includes a fluid treatment of the plasma as well as an account of the heat fluxes to the walls which largely control the performance of the cathode. Simulation results will be thoroughly compared to experimental measurements available in the literature and specific aspects of the model will be refined to match up simulation results with the physical reality. For instance, a model that specifically represents the transition region between the internal plasma of the cathode and the plume of the cathode will be described. This model will enable us to highlight plasma instability phenomena which were so far observed experimentally, yet never properly included in hollow cathode models. Using the model just developed, we will analyze the physics of a particular hollow cathode which has been developed by NASA at the Jet Propulsion Laboratory, the NSTAR hollow cathode. Then, thanks to the numerical model, we will be able to carry out a parametric study revolving around the design of the NSTAR cathode. This will allow us to bring out the influence of the design on the cathode performance and we will eventually express recommendations regarding the design of future high power cathodes. To conclude, the versatility of the numerical model built up here will also be displayed through simulations of the behavior of a hollow cathode based on an alternate geometry

Cette thèse a eu pour objectif le développement d’un contrôle du profil de rotation d’une colonne de plasma. Cette étude est menée dans le but du développement d’une nouvelle génération d’expériences utilisant les plasmas à fort taux d’ionisation pour étudier les phénomènes d’induction magnétique. Au cours de cette thèse, un grand nombre de techniques de mesures optiques et électrostatiques ont été mis en place. Ces dispositifs expérimentaux ont permis la caractérisation de l’évolution des paramètres plasmas en fonction des paramètres expérimentaux et une meilleure description du plasma. Une attention particulière a été porté à la mesure de la température ionique du plasma par deux dispositifs optiques différents : un Fabry-Pérot de grande finesse et un dispositif de Fluorescence induite par laser (LIF). L’établissement du profil de vitesse azimutal du plasma a été mesuré grâce à des sondes de Mach et expliqué en s’appuyant sur les profils radiaux des paramètres plasmas. L’impact sur cette vitesse azimutale de l’injection localisée de courant dans le plasma par une électrode émissive de grande taille a été étudié. Nous avons démontré qu’il est possible de contrôler la forme du profil de vitesse ainsi que son amplitude grâce à ce dispositif d’injection de courant. Enfin, l’apparition d’ondes de dérives pour de fort champs magnétiques a été observée, ainsi que l’interaction entre l’émission de courant dans le plasma et la dynamique de ces ondes
The goal of this PhD is to develop a setup controlling the rotation profile of a plasma column. This study is realized within the aim of developing a new type of experiments using the strongly ionized plasmas to study magnetic induction phenomena. A great number of plasma diagnostics have been set up during the PhD, including electrostatic and optical diagnostics. These measurement technics have allowed us to characterize the evolution of the plasma parameters depending on the experimental conditions and to build a better description of the plasma. A special focus has been made on the measurement of the ion temperature by two different setups: a Fabry-Pérot with a high finesse and a Laser Induced Fluorescence (LIF) setup. The mean azimuthal velocity profile of the plasma has been measured using Mach probes and explained based on the plasma parameters radial profiles. The effect of localized current injection inside the plasma by a large size emissive electrode has been studied. We have shown that the shape and the amplitude of the velocity profile can be controlled thanks to this setup. Finally, the appearance of drift waves with high magnetic fields has been observed, along with the interaction between the current injection and the dynamic of these waves

Le transport, les ondes et les instabilités sont des problématiques courantes des plasmas magnétisés, à l’origine de problèmes fondamentaux et de limites opératoires pour les plasmas de fusion, les accélérateurs de particules à plasma ou la propulsion plasma. Le contrôle des propriétés du plasma est souhaitable mais complexe. Ce doctorat vise à utiliser une cathode émissive comme nouveau paramètre de contrôle et à comprendre la stabilité du plasma hélicon. Le dispositif expérimental est une enceinte à vide cylindrique de 80 cm de long et 20 cm de diamètre, connecté à un tube source en verre de 11 cm de diamètre. L’argon est injecté en continu à 0,13 Pa et ionisé par une antenne radio-fréquence inductive de 1 kW enroulée autour du tube source. Un champ magnétique de 170 G à 340 G garantit une faible magnétisation. Une cathode chaude injecte un fort courant thermionique à l’autre extrémité de la colonne de plasma. Les mesures optiques de température de la cathode ont révélé un profil fortement inhomogène dû aux interactions plasma-cathode, et fut reproduit numériquement avec succès par un modèle thermique détaillé. Le régime opératoire prédit est en excellent accord avec les expériences. L’influence expérimentale de l’injection d’électrons sur les propriétés plasmas, et plus particulièrement le potentiel plasma, a été couplée à une approche analytique basée sur un modèle de plasma magnétisé. Un accord qualitatif entre les prédictions théoriques et le contrôle effectif du potentiel plasma a été trouvé. La perspective de l’utilisation d’une cathode émissive comme nouveau paramètre de contrôle ouvre la possibilité d’un réglage fin de la dynamique globale du plasma, ainsi que la mitigation du transport et des instabilités au sein du plasma. Des améliorations sont discutées en vue d’une prédiction quantitative accrue. Enfin, une source de plasma hélicon haute densité a été implémentée afin d’atteindre des taux d’ionisation importants et un couplage antenne-plasma optimal. Ce nouveau système a été caractérisé à l’aide de sondes et d’imagerie rapide. Des signatures typiques des plasmas hélicons ont été retrouvées telles que des transitions de mode E-H-W, une rupture de symétrie liée au champ magnétique et la propagation d’ondes whistler m = +1. En outre, des oscillations basse-fréquence telles que des oscillations H-W et W-W, et des instabilités coexistantes de Rayleigh-Taylor et Kelvin-Helmholtz ont été identifiées. Une forte instabilité multi-échelles à 1080 G a été également brièvement explorée. L’identification des mécanismes d’instabilité via le calcul des taux de croissance, la décomposition 2D-FT et POD ont permis de comprendre les mécanismes physiques à l’oeuvre
Radial transport, azimuthal waves and instabilities are common features in magnetised plasmas, causing major challenges for plasma propulsion, plasma wakefield particle acceleration or fusion devices. Plasma properties control is desirable yet complex. This PhD thesis follows two goals, one being the use of an emissive cathode as a new parameter control and the other being the fundamental understanding of the helicon plasma operational stability. Firstly, the role of the injection of electrons inside a magnetised plasma column has been studied experimentally and numerically. The experimental set-up is a 80 cm long and 20 cm diameter vacuum vessel connected to a 11 cm wide glass tube. The argon gas at a base pressure of 0.13 Pa is ionised by a 3-turns inductive radio-frequency antenna supplied at 1 kW. Magnetic field ranging from 170 G to 340 G, ensures a weak magnetisation of the plasma. A large tungsten hot cathode was placed at the end of the plasma column to inject an important thermionic current. Electrical and optical measurements of the cathode temperature revealed a highly inhomogeneous cathode temperature profile due to plasma–cathode interactions. A detailed thermal modelling solved numerically accurately reproduces the heterogeneous rise in temperature witnessed experimentally. The operating regime was predicted in excellent agreement with experimental results.The fine understanding of the emissive cathode behaviour in presence of a surrounding magnetised plasma permitted to explore its influence on the plasma properties, and especially the plasma potential. An analytical approach based on a two-fluids plasma model and anisotropic electrical conductivities, predicting plasma potential control and plasma rotation regulation as a function of thermionic emission, has been applied and compared to a wide experimental dataset of plasma properties. The works presented confront the role of cross-field ion transport to experimental radial plasma potential scans with a semi-quantitative agreement, highlighting a new major application of emissive cathodes.Finally, a state-of-the-art helicon plasma source has been implemented to produce higher ionization rates. This new system required a complete characterisation of plasma properties through electrostatic probes and high-speed camera imaging. It reproduced well-known helicon plasma features such as E-H-W mode transitions, bistability and hysteresis, chirality emerging from the external magnetic field direction and the propagation of m = +1 whistler waves. Besides, it displayed complex behaviours such as H-W and W-W oscillations, or coexisting low-frequency Kelvin-Helmholtz and Rayleigh-Taylor instabilities. A strong multiscale core instability at 1080 G was also briefly investigated. Wave-mode identification based on theoretical growth rates, 2DFT modal decomposition and POD has been conducted, unravelling the physical mechanisms at stake

Ce travail concerne l'étude des potentialités de réseaux de microémetteurs à émission effet de champ réalisés sur GaAs pour les applications de puissance en hyperfréquences dans les tubes à ondes progressives. Stimulées par les avancées de la microtechnologie, des micro-sources électroniques, basées sur une émission par effet de champ, ont émergé donnant naissance à la microélectronique du vide. Si la première illustration industrielle en est la réalisation d'écrans plats à micropointes, cette discipline continue à être le théâtre d'innovations importantes. Ainsi, dans le domaine de l'amplification de puissance pour systèmes embarqués de télécommunications la substitution de l'émission thermoionique par une émission froide enregistre un vif intérêt notamment en raison du gain énergétique potentiel, de la montée en fréquence et de la réduction du poids et de l'encombrement de ces composants. La réalisation technologique et la modélisation de microcathodes froides sur GaAs sont étudiées ici en vue de montrer les avantages d'une émission à partir de ce matériau. Dans une démarche théorique, une modélisation de l'émission par effet de champ appliquée aux semiconducteurs a permis d'estimer et de quantifier les différents phénomènes mis en jeu à l'interface matériau-vide. La mise en œuvre technologique de microcathodes nous a conduit à mettre en évidence le rôle de la densité d'électrons sur le mécanisme d'émission afin d'exalter le niveau de courant extrait. Les résultats obtenus fort encourageants positionnent le GaAs comme un candidat attractif pour la réalisation de microcathodes froides destinées à des fonctionnalités en micro-ondes.

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

Les capacités d'intégration de la microélectronique et la faible consommation ont permis aux transistors, puis aux circuits intégrés de supplanter les composants de base qu'étaient les tubes à vide. Seuls ont subsisté les dispositifs nécessitant de grandes énergies tels que les tubes à rayons cathodiques et les tubes hyperfréquences de puissance. L'émergence de sources à cathode froide basée sur une émission électronique par effet de champ sous faible tension de commande voit s'ouvrir un nouveau champ d'investigations: la microélectronique du vide. Dans le domaine des microondes, la substitution de l'émission thermoionique par une émission tunnel associée aux propriétés du transport électronique dans le vide suscite un vif intérêt, notamment en raison du gain énergétique potentiel et de la réduction d'encombrement de ces composants. La conception technologique et la réalisation de microcathodes froides sur semiconducteur GaAs est étudiée ici en vue de montrer les potentialités d'émission de ces microstructures. Après une investigation analytique du mécanisme d'émission, différentes modélisations soulignent la dépendance aigüe du champ d'extraction aux paramètres matériau et géométriques et tout particulièrement à celle du rayon de courbure des micropointes ou des microlames. La mise en oeuvre de différents procédés technologiques nous a conduits à la réalisation de nombreux profils obtenus soit par sous-gravures chimiques d'un masque déposé sur le semiconducteur, soit par gravure plasma verticale autour d'un motif de dimensions minimales. La réalisation de réseaux à grande densité de microémetteurs a fait l'objet de caractérisations à la fois physiques et électriques qui permettent, à partir d'exploitations statistiques, d'apprécier les potentialités d'émission sur ce matériau.

Les progres de la technologie des semiconducteurs ont permis l'emergence d'un nouveau type de composant: les microtriodes a emission par effet de champ, offrant ainsi un nouvel axe de recherches dans le domaine de la microelectronique du vide. Les multiples applications de ces dispositifs telles que les afficheurs a ecran plat, la lithographie a faisceaux multiples et les tubes hyperfrequences, ouvrent un large champ d'investigations. Dans le domaine des microondes, la substitution de l'emission thermoionique par une emission de champ associee aux proprietes electroniques de transport dans le vide est particulierement attractive notamment en raison du gain potentiel en energie et en fiabilite. La simulation numerique electrostatique de microemetteurs de type pointe et lame est etudiee en vue de determiner les potentialites en emission de ces structures notamment a partir du champ electrique a l'apex de celles-ci. L'influence des parametres geometriques du site emissif (rayon de courbure, hauteur, profil, ) et de son environnement (effet de reseau d'emetteurs, electrode de grille, ) sur l'exaltation du champ d'extraction a ete analysee. Le deuxieme aspect concerne la realisation technologique de micropointes sur substrat d'arseniure de gallium suivie de leur caracterisation electrique dans un fonctionnement en diode. La fiabilisation du procede a ete menee en relation avec une analyse physique de la surface. L'integration d'une grille de commande a alors ete mise en uvre a l'aide d'une technique de planarisation des reliefs. Les premiers resultats de fonctionnement en triode valident une commande effective de l'emission par la tension de grille, etape qui pourra ainsi permettre d'evaluer les potentialites emissives de reseaux de microemetteurs a effet de champ sur substrat asga.

Ce travail concerne l'étude des potentialités des cathodes froides pour les applications d'amplification de puissance dans les tubes à vide. Avec le développement des technologies de fabrication et des techniques du vide, un concept basé sur l'émission de courant à partir de fines pointes a vu le jour, donnant naissance aux cathodes froides. L'illustration la plus remarquable est la réalisation d'écrans plats à micropointes, mais une autre application plus prospective concerne les tubes hyperfréquences. Dans les tubes de puissance qui équipent les systèmes embarqués de télécommunications, l'utilisation de ces cathodes froides en lieu et place des cathodes thermoïoniques qui constituent la source d'émission, présente des avantages potentiels importants, notamment en raison de la réduction du poids et de l'encombrement, à la plus grande fiabilité et à l'augmentation de la durée de vie. L'objectif de ce travail est de proposer un circuit d'adaptation large bande à partir de ce type de cathode. A cette fin, nous avons utilisé un modèle analytique de type ligne de transmission, pour déterminer les caractéristiques de propagation le long d'une structure grille-cathode, et par conséquent les paramètres fonctionnels tels que la puissance de commande, la bande passante et l'impédance d'entrée. Dans ce cas, les pointes d'émission sont prises en compte par le biais d'admittances localisées, constituant une charge périodique pour la ligne de propagation associée à la structure grille-cathode. Pour adapter ces cathodes, nous avons proposé une topologie fréquemment utilisée pour alimenter des réseaux d'antennes plaquées. Un prototype passe bas de type Tchebychev nous a permis d'obtenir une bande passante d'environ 500 MHz, en bande X.

Le tungstène thorié (W + 1% ThO2) est utilisé pour la fabrication des cathodes à chauffage direct fonctionnant aux environs de 2000 K dans les tubes de puissance ± Radio Fréquence α à grille de commande. En raison de la radioactivité naturelle du thorium et de ses composés, la recherche proposée a pour principal objet son remplacement par un matériau non radioactif et émetteur électronique dans un environnement et des conditions d'utilisation similaires. Les tungstates ou les oxydes de terres rares, en particulier de cérium et de lanthane, présentent un grand intérêt par l'abaissement de la température de fonctionnement de la cathode qu'ils apportent. Il reste toutefois nécessaire de contrôler les réactions de réduction des composés et la diffusion de la terre rare métallique vers la surface pour obtenir un renouvellement suffisant des espèces actives, tout en limitant leur évaporation. La réactivité élevée des terres rares et de leurs composés rend leur étude difficile. Nous avons donc été amenés à développer des expériences de caractérisation in situ, sous vide et aux températures de fonctionnement des cathodes de tubes électroniques. L'ensemble des travaux réalisés a permis d'explorer les propriétés physico-chimiques et thermo-émissives des tungstates de terres rares, en particulier de lanthane dans un large domaine de composition en équilibre avec le tungstène et son carbure W2C. Un projet de diffraction des rayons X en temps réel et en atmosphère contrôlée (Ligne de Rayonnement Synchrotron H10 à Orsay) a permis un examen spécifique de la nature et de la stabilité des phases présentes en surface d'une cathode portée à haute température. A partir de ces résultats, nous avons proposé un diagramme de phase ± pratique α du système La2O3 WO3 sous vide pour les conditions thermodynamiques propres aux systèmes des cathodes et pour des températures comprises entre 900 et 2000ʿC. Par ailleurs, les données obtenues par spectrométrie de masse ont permis d'examiner les espèces gazeuses formées et dégagées au cours de la réaction de formation de la terre rare métallique. D'importantes différences de comportement des cathodes ont été observées lorsqu'un champ électrique est appliqué entre anode et cathode (cas d'un chauffage avec émission thermo-électronique). Des analyses complémentaires réalisées sur MEB/EDX et SIMS ont permis de mettre en évidence un mécanisme d'infiltration rapide du tungstate liquide à l'intérieur du tungstène massif par des canaux de taille micronique. L'ensemble des résultats souligne l'importance de la microstructure des systèmes complexes (W, W2C, tungstate de terres rares). Ce paramètre apparaît comme le point clé pour une meilleure durée de vie des cathodes modifiées par des tungstates.