Modulation of an electrom beam from a carbon nanotube based cathode - Applications to microwave tubes. - Archive ouverte HAL Access content directly
Theses Year : 2008

Modulation of an electrom beam from a carbon nanotube based cathode - Applications to microwave tubes.

Modulation d'un faisceau électronique issu d'une cathode à base de nanotubes de carbone - Applications aux tubes hyperfréquences.

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Abstract

Since their removal from radio receivers and other devices around the end of the fifties and their replacement by s! olid state devices people have been reluctant to study electron tubes as microwave amplifiers. Nevertheless they currently remain indispensable for some applications because they are well better than solid state devices in terms of frequency operation, power, efficiency and reliability. That is why telecommunication satellites for example are launched with a hundreds of such electron tubes (travelling wave tubes) which remain heavy and bulky. To reduce their weight and their size and to reach better efficiency several laboratories study cathodes able to produce a frequency modulated electron beam. TRT, Nanocarb (mixed laboratory Ecole Polytechnique / Thales) and TED, where this PhD has been done, study new field emission cathodes based on carbon nanotube arrays. This work has dealt with the study and the development of methods to directly modulate the electron beam provided by these cathodes. The carbon nanotube growth is realised by plasma enhanced chemical vapour deposition. Previous studies have developed and optimised a growth process to obtain individual vertically oriented carbon nanotubes. They have also studied their dc emission characteristics. The first part of this PhD has consisted in the demonstration of the emission modulation by using resonant cavities which allow to create high microwave electric fields. We have thus demonstrated at 1.5 GHz the modulation of a 30 mA peak current corresponding to a current density of 12 A.cm-2, and then at 32 GHz the modulation of a 3.43 mA peak current. These results are the first and only microwave modulation demonstration with carbon nanotube based cathodes. Nevertheless the use of resonant cavities limits the future of these cathodes to narrow bandwidth applications. The second part of the PhD has thus been dedicated to the development of a new photocathode concept based on the association of p-i-n photodiodes and carbon nanotubes. The electron emission of such devices is controlled by the incident optical power, and cavities are not required any more. The control of the modulation is so made compatible with large bandwidth operations. A first generation of photocathodes based on carbon nanotubes and silicon p-i-n photodiodes has allowed us to demonstrate the modulation of a 500 µA current with a modulation ratio of 97% for an incident optical power of 12 mW.
Les tubes amplificateurs ont été quelque peu oubliés du grand public depuis leur disparition des récepteurs de radio et d'autres équipements à la fin des années 50 et leur remplacement par les composants état solide. Toutefois, il est des régimes de fonctionnement où ils demeurent incontournables, surpassant tous les dispositifs état solide en termes de fréquence de fonctionnement, de puissance, de rendement et de fiabilité. C'est la raison pour laquelle les satellites de télécommunications embarquent à leur bord une centaine de tubes à ondes progressives pourtant lourds et volumineux. Afin de réduire leur poids et leur taille et d'atteindre des rendements encore plus élevés, différents laboratoires étudient des cathodes capables d'émettre un faisceau électronique modulable en hyperfréquence. Les! laboratoires de TRT, de l'Ecole Polytechnique (Nanocarb) et de TED, dans lesquels cette thèse a été préparée, étudient de nouvelles cathodes à émission de champ basées sur des réseaux de nanotubes de carbone. Ce travail de thèse a porté sur l'étude et le développement de méthodes pour moduler directement le faisceau électronique issu de ces cathodes. La croissance de nanotubes de carbone est ici réalisée par dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma. Des travaux précédents ont permis de développer et d'optimiser une technologie de croissance de nanotubes individuels orientés verticalement, et d'étudier leurs caractéristiques d'émission en continu. La première partie de cette thèse a consisté à démontrer la modulation de l'émission en utilisant des cavités résonantes qui permettent l'obtention de forts champs électriques hyperfréquence. Nous avons ainsi démontré à une fréquence de 1.5 GHz la modulation d'un courant crête de 30 mA correspondant à une densité de courant de 12 A.cm-2, puis, à 32 GHz, la modulation d'un courant crête de 3.43 mA. Ce sont les premières et les seules modulations hyperfréquence de cathodes à base de nanotubes de carbone publiées à ce jour. Cependant l'utilisation de cavités résonantes limite l'emploi de ces cathodes à des applications bande étroite. La deuxième partie de la thèse a été consacrée au développement d'un nouveau concept de photocathodes basées sur l'association de photodiodes p-i-n et de nanotubes de carbone. L'émission électronique de ces dispositifs est alors commandée par la puissance lumineuse reçue et ne requiert plus de cavité. Le contrôle de la modulation est ainsi rendu compatible large bande. Une première génération de photocathodes à nanotubes de carbone sur p-i-n silicium a permis de montrer la modulation d'un courant de 500 µA avec un taux de modulation de 97% pour une puissance optique absorbée de 12 mW.
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Dates and versions

pastel-00004268 , version 1 (21-07-2010)

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  • HAL Id : pastel-00004268 , version 1

Cite

Ludovic Hudanski. Modulation d'un faisceau électronique issu d'une cathode à base de nanotubes de carbone - Applications aux tubes hyperfréquences.. Physique Numérique [physics.comp-ph]. Ecole Polytechnique X, 2008. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨pastel-00004268⟩
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