Nouveaux tubes à rayons X à cathode froide

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Transfert de savoir et de technologie
Nouveaux tubes à rayons X
à cathode froide
La nanotechnologie nous réserve toujours de nouvelles surprises.
Les propriétés extraordinaires de ces minuscules particules permettent
de réaliser des idées qui semblent chambouler toutes les règles connues.
Les chercheurs de l’Empa veulent maintenant réaliser une nouvelle
génération de tubes à rayons X à l’aide de nanotubes de carbone.
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Micrographie électronique à balayage de
nanotubes sur la nouvelle
cathode froide.
TEXTE: Ivo Marusczyk / PHOTOS & ILLUSTRATION: Empa
Rayons X
ans les tubes à rayons X usuels, la cathode qui produit le faisceau d’électrons qui va frapper l’anode et produire ainsi les rayons X est formée d’un filament de métal chauffé à incandescence. En
collaboration avec les deux laboratoires de
l’Empa «nanotech@surfaces» et «Joining and
Interface Technology, le groupe réuni autour
d’Oliver Gröning a développé maintenant
une nouvelle technologie des cathodes. Cette
technologie utilise des nanotubes de carbone
comme source froide d’électrons, ce qui permet des configurations totalement nouvelles des tubes à rayons X.
Les parallèles avec les ampoules
électriques à incandescence sont
manifestes. Tout comme sur les
tubes à rayons X, le concept reposant sur l’utilisation d’un filament
s’est là aussi établi comme une solution simple et robuste. Son désavantage réside dans ce filament qui entraîne
une perte d’énergie énorme sous forme de
chaleur et qui impose une certaine forme géométrique – la forme d’ampoule précisément.
Il est aussi possible de produire des faisceaux d’électrons «à froid» au moyen de
champs électriques très puissants; toutefois
ceci demande des tensions de 30 millions de
Volt par centimètre carré de surface de cathode. C’est là qu’interviennent les nanotubes de carbone: par leur structure en forme
de pointes ils sont en mesure de «concentrer»
le champ électrique et de l’amplifier localement, ce qui réduit de 10 à 1 000 fois la tension totale nécessaire.
Dans un projet financé par l’Agence pour
la promotion de l’innovation CTI, les chercheurs de l’Empa et leurs collègues de la
firme Comet AG, leader mondial de l’industrie des tubes à rayons X, se sont donné pour
but de développer de telles cathodes froides
qui doivent d’une part présenter une grande
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Croquis schématique
de la nouvelle source de
rayons X.
D
3
Le prototype raccordé
à la pompe qui crée un
vide dans le tube.
52 mm
Faisceau
d‘électrons
1 µm
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3
1
surface et d’autre part être peu coûteuses à
produire. Dans le champ de tension entre ces
exigences, l’équipe de l’Empa emprunte une
voie nouvelle: les nanotubes de carbone sont
noyés dans une pâte spéciale qui s’applique
simplement par sérigraphie sur le support de
cathode. Dans l’étape suivante les nanotubes de carbone sont dégagés de la pâte par
un moyen mécanique.
Ces prototypes de tubes à rayons X ont
déjà fait la preuve de leur aptitude dans des
tests pratiques: «Avec ces cathodes froides
d’un type nouveau, nous avons atteint une
nouvelle dimension dans la flexibilité de configuration des sources de rayons X», résume
Gröning. «Nous avons montré qu’ils possèdent les caractéristiques de puissance des
tubes classiques et les dépassent même parfois.» Par exemple le champ focal du faisceau
de rayons X est plus homogène que sur les
tubes classiques. Il est donc pensable d’obte-
nir des champs de rayonnement notablement
plus larges qu’avec les appareils actuels. Et
les cathodes froides demandent 40 pour-cent
moins d’énergie que les cathodes chaudes.
Il pourrait cependant s’écouler encore
quelque temps avant que cette nouvelle technique opère sa percée car, malgré la simplicité de la fabrication des cathodes, la structure de ces nouveaux tubes «froids» demeure
complexe. Leur fonctionnement demande de
plus une électronique coûteuse. Malgré cela,
les chercheurs de l’Empa espèrent que le
passage aux tubes utilisant la nanotechnologie pourrait être rentable car leurs nouvelles
possibilités de configuration pourraient leur
ouvrir de nouveaux domaines d’utilisation
et de nouveaux marchés. Gröning reste toutefois encore peu loquace sur l’aspect que
pourraient avoir les appareils à rayons X de
l’avenir et sur ce qu’ils permettront de radiographier. //