Les satellites placés en orbite sont soumis à de forts gradients de température pouvant aller de -200°C côté nuit à +200°C côté soleil. Afin de réguler un satellite autour d'une température moyenne de 20°C et par conséquent d'assurer un fonctionnement optimum des instruments et de l'électronique embarqués, ils sont couverts de matériaux diélectriques dits « super isolants » thermiques. En environnement spatial, les satellites sont soumis en permanence à des flux de particules chargées qui viennent s'accumuler dans les matériaux diélectriques, créant ainsi des champs électriques locaux intenses qui peuvent les détériorer. Il existe différentes méthodes de mesure de charge d'espace permettant la caractérisation électrique des matériaux diélectriques. Cependant, dans le cas des matériaux destinés au spatial dont l'épaisseur est de l'ordre de 50 µm, ces méthodes sont actuellement limitées par leur résolution spatiale, une dizaine de micromètres.
L'objectif principal de ce travail de thèse est de concevoir un prototype de mesure de charge d'espace à haute résolution spatiale, de l'ordre du micron, basé sur la méthode PEA ( Pulsed ElectroAcoustic). Cette méthode repose sur la détection au moyen d'un élément piézoélectrique des ondes acoustiques générées par les charges internes soumises à une impulsion de champ électrique.
Dans un premier temps, un prototype de cellule PEA est réalisé de telle manière qu'il soit complètement modulable afin de pouvoir changer facilement tous les éléments de la chaîne de mesure. Les mesures PEA effectuées avec ce prototype sont comparables avec les mesures faites par des cellules commerciales, ce qui permet de valider notre banc expérimental.
Puis un modèle électrique basé sur le modèle de Mason-Redwood, de la cellule de mesure électroacoustique pulsée est présenté sous le logiciel PSpice. Ce modèle, basé sur une analogie électro-mécanique, prend en compte la cellule complète allant de l'échantillon jusqu'au détecteur acoustique et l'amplificateur de tension réel. Les paramètres de ce modèle sont identifiés via l'algorithme de Levenberg-Marquardt, basé sur une minimisation de l'erreur quadratique entre les données simulées et des mesures. Le modèle ainsi optimisé permet l'analyse du détecteur acoustique, élément clé de la méthode PEA. Cette étude met en évidence l'influence de la géométrie, de la nature des matériaux et des pertes diélectriques sur la forme du signal de sortie.
Enfin, un détecteur acoustique optimisé, constitué d'un film piézoélectrique d'épaisseur 1,5 µm et d'un absorbeur adapté en impédance, est réalisé. Après validation, le détecteur acoustique optimisé est monté sur le prototype de cellule PEA. Avec ce prototype à haute résolution, nous avons pu réaliser des premières mesures sur des échantillons de PTFE d'épaisseur 50 µm avec une résolution inférieure à 2.5 µm. |
Dielectric materials are frequently used in satellite structures as thermal blankets. Various aspects of the space environment can cause orbit satellite anomalies. One of these aspects is charge accumulation due to the flux of space charged particles. To get a better control of the discharge it is necessary to clarify the nature and the time evolution of position and quantity of stored space charges and to understand the dynamics of the charge transport in solid dielectrics used in outer space. Dielectrics materials for space application are typically thin, less than 50 µm. Therefore; the contemporary pulsed electro-acoustic – PEA – method, which is used to recover charges within this type of material, is no longer sufficiently precise, i.e. the spatial resolution is on the order of ten µm. This study aims to fabricate a high-resolution PEA cell.
First, we designed a prototype of the PEA cell. This prototype can be completely disassembled, hence it is possible to easily change all elements of the measuring system. The preliminary measurements made with the prototype compare well with the measurements made with commercial cells, providing validation for our experiment cell.
Then, we developed an electrical model of the prototype, based on the electro-mechanical analogy, using the PSpice software. We note that the piezoelectric losses and impedance matching between the different materials of the PEA cell have a significant influence on the quality of the transducer output voltage. In addition, we present a feedback optimization algorithm for predicting the output voltage and related physical and geometrical parameters of the PEA cell. As such, this model enables us to understand the relationship between the PEA cell parameters and the shape of the output voltage, especially the influence of the intrinsic losses of the piezoelectric transducer.
Finally, we present an optimized acoustic detector, composed of a piezoelectric film (of 1,5 µm thickness) and an adapted impedance absorbent material. After experimental validation; the acoustic detector was fitted to the PEA cell. The assembly was then used to perform first ever; to our knowledge, measurements on the 50 µm thick PTFE.
|