Cathodes CNTs forts courants pour le contrôle RX 3D en ligne – 3DRX-online

L’objectif moyen terme de ce projet PCRE est le développement de scanners RX stationnaires (sans déplacement de la source ou du détecteur) de faible coût pour le contrôle industriel en ligne de structures multimatériaux afin d’assurer une maitrise temps réel des procédés et d’augmenter la qualité de production (Défi 3 «Stimuler le renouveau industriel», Axe 3, «Méthodes de mesure et instrumentation»).

Ces scanners comprendront des sources RX spatialement distribuées et commutables basées sur des cathodes commutables (brevet TRT/TED) à base de CNTs. L’obtention de radiographies sous différents angles permet de reconstituer par tomosynthèse une image 3D. Nos sources RX sont « bas coût » car, contrairement à la concurrence, elles intègrent uniquement une cathode et une anode (absence de grille d’extraction, d’électrodes de focalisation et alimentations associées). Cette configuration, qui ne permet pas de focaliser le faisceau électronique, impose de développer des cathodes délivrant 5 A/cm2 afin de réaliser les multi-sources RX fort flux nécessaires aux systèmes 3D de contrôle industriel en ligne.

Les objectifs S/T de ce projet sont une rupture technologique visant à la synthèse de réseaux de CNTs individuels et verticaux d’excellente qualité cristalline, la démonstration de cathodes commutables délivrant 5 A/cm2 et la démonstration d’images photo/vidéo de multimatériaux avec une source RX commutable (TRL4).

Deux laboratoires académiques (UCBL et LPICM) étudieront la synthèse des CNTs. Un laboratoire industriel (TRT) fabriquera les substrats et caractérisera avec UCBL les cathodes. Un industriel (TED) intègrera les cathodes dans une source RX et fera la démonstration d’images RX.

Ce projet, qui vise une augmentation d’un facteur 10 de la densité de courant, est basé sur le développement d’une nouvelle méthode de croissance CVD basse pression sous champ électrique sur substrats plans (brevet TRT/UCBL/PICM). Le champ électrique permet l’alignement vertical des CNTs. Contrairement à la méthode PECVD utilisée aujourd’hui, la croissance basse pression (< 10-3 mbar) empêche l’initiation d’un plasma et les CNTs ne subissent pas de bombardement ionique.

Les mécanismes de nucléation et de croissance seront déterminées dans un réacteur en mode émission de champ (UCBL), dans un réacteur équipé de caractérisation physico/chimique in situ et dans le MET environnemental «Nanomax » (PICM). UCBL et PICM ont récemment démontré la croissance sous champ et à basse pression (10-6 à 10-7 mbar) de CNTs verticaux.

L’étude des cathodes comprend la fabrication des substrats et l’analyse statistique du courant max et des facteurs d’amplification de CNTs individuels (TRT), l’analyse du faisceau émis afin de déterminer la conductivité électrique et thermique des CNTs et donc de quantifier leur qualité cristalline (UCBL) et la démonstration de cathodes délivrant 5 A/cm2 (TRT/TED).

Les retombées S/T comprennent la synthèse de réseaux de CNTs individuels (espacés) et verticaux d’excellente qualité cristalline et la compréhension des mécanismes de croissance et d’alignement des CNTs (sans plasma ou effet appelé « crowding effect »), ainsi que la démonstration d’images RX photo/vidéo de multimatériaux avec une source RX 100 kV commutable délivrant de forts flux RX en mode pulsé/continu. Ces images permettront de caractériser le volume de structures multimatériaux obtenus par fabrication additive ou par assemblage.

A moyen terme, les retombées industrielles et économiques incluent la commercialisation de nouveaux réacteurs CVD qui peut être effectuée par une PME Française et la création d’une nouvelle ligne de production de sources RX à TED. TED dispose d’un réseau de fournisseurs et partenaires, incluant des PME françaises, qui pourront bénéficier des retombées économiques de scanners bas cout pour le contrôle industriel en ligne.
L’impact long terme concerne également le contrôle en ligne des bagages dans les aéroports et l’imagerie médicale.