Photocathodes à base de nanotubes de carbone pour les scanners RX fixes – Nanoscanner

Les scanners classiques incorporent un anneau mobile sur lequel sont fixés une source RX et plusieurs détecteurs. Ils permettent d’obtenir des images haute résolution mais ils sont volumineux, et sont caractérisés par un temps d’acquisition relativement long. L’utilisation de multiples sources RX permettrait de concevoir un scanner « rapide », statique (sans partie mobile) et donc bas coût. Xintek (compagnie américaine) propose d’utiliser, pour chaque tube RX, une cathode à nanotubes de carbone dont l’émission est contrôlée par un circuit électronique. La cathode est alors à la masse et l’anode à la haute tension. Une solution avantageuse est l’utilisation, pour chaque tube RX, d’une photocathode à nanotubes de carbone pilotée par une diode laser. Comme le circuit pilotant la diode laser est isolé de la cathode, celle ci peut être mise à la haute tension et l’anode à la masse. Le refroidissement de l’anode est alors facilitée. De plus, pour les scanners de faible ou de moyenne puissance, l’anode peut être un film épais de matériau à fort Z déposé sur une fenêtre transparente aux rayons X. Cette configuration permet de réaliser des sources RX à grande ouverture angulaire et donc d’analyser de gros volumes.
L’objectif long terme de ce projet est de développer une nouvelle génération de multi-sources RX commandables optiquement pour des scanners compacts, « rapides » et bas coût. Une forte résolution en profondeur nécessite un grand nombre de sources RX (environ 50). Quand une source RX émet, l’émission provenant des autres sources doit être très faible. Pour les scanners haute résolution, un rapport ON/OFF de 1000 est nécessaire. Les autres besoins concernent le courant ON (10 mA/mm2) et la fabrication de photocathodes fonctionnant avec un éclairage face arrière (pour faciliter leur intégration).

Les photocathodes à nanotubes basées sur des photodiodes silicium permettent d’obtenir un rapport ON/OFF de 30. Afin d’atteindre un rapport de 1000, une solution est d’utiliser un photoconducteur basé sur un matériau de forte résistivité tel que le GaAs obtenu par croissance à basse température (GaAs BT) à l’IEMN. Ce matériau a une résistivité de 107 W.cm et un fort champ de claquage (200-300 kV/cm). Les photocathodes à nanotubes de carbone étudiées dans ce projet seront des réseaux de nanotubes de carbone multiparois, individuels et orientés verticalement, chaque nanotube étant associé à un photoswitch GaAs BT.

De tels réseaux de nanotubes sont fabriquées sur substrat de silicium dopé par différents laboratoires (dont le LPICM). Les nanotubes sont obtenus par croissance « PECVD » sur des nanoparticules de nickel. Ces nanotubes présentent une qualité cristalline insuffisante pour atteindre l’objectif de densité de courant. Pour y remédier, le LPICM a débuté une étude portant sur la croissance de nanotubes sur nanoparticules de Fer (à la place du Ni). Cette étude montre que ces nanotubes présentent une qualité cristalline sensiblement améliorée. C’est pourquoi nous étudierons la croissance de nanotubes individuels sur nanoparticules de Fer.

Le programme de travail inclut une tache pour la coordination, une pour la sécurisation du procédé, une pour dimensionner et modéliser la photocathode, une pour définir la technologie de la cathode et des photoswitchs, une pour démontrer une photocathode sur substrat GaAs (éclairage face avant) avec un rapport ON/OFF de 1000, et une dernière tache pour démontrer une photocathode permettant en plus l’éclairage face arrière et un courant ON de 10 mA/mm2.

Thales vient de montrer qu’un tube RX 80 kV basé sur une cathode à nanotubes présentait une bonne durée de vie. Ce projet permettra à Thales Electron Devices de développer une nouvelle génération de multi-sources RX optiquement commandables. La première application concerne les scanners statiques, compacts, bas coût et performants. Le marché adressé par ces nouvelles sources RX est estimé à 250 millions de dollars par an.