Mesures de charges d’espace en continu par la méthode électro-acoustique pulsée (PEA) pendant une irradiation électronique
Les matériaux diélectriques sont utilisés dans le domaine de l’aérospatial pour assurer la régulation thermique des engins spatiaux. Ils sont soumis à un environnement chargeant composé de rayonnements ionisants tels que les électrons ou les protons. Un stockage de ces charges se produit dans le volume du matériau et engendre des dégradations et un vieillissement prématuré amenant à une perte de fiabilité globale du système qui doit être anticipée.
Le but de ce travail de thèse a été d’évaluer la densité de charges d’espace injectées au sein d’un matériau diélectrique pendant une irradiation électronique afin de recréer partiellement l’environnement radiatif auquel il peut être soumis. Pour mener à bien ce projet, nous avons utilisé un dispositif expérimental basé sur la méthode Electro-Acoustique Pulsée (PEA) couramment utilisé dans le domaine du génie électrique. Nous avons développé une électrode de mesure innovante sans contact et circulaire permettant la mesure pendant irradiation électronique car les dispositifs expérimentaux précédents ne le permettaient pas. Ce type de mesures n’avait jamais été réalisé ailleurs auparavant, ce qui est un vrai apport pour ce domaine d’étude car il permet de conserver l’échantillon dans une configuration proche de son utilisation finale. L’électrode est basée sur une ligne de transmission de type microstrip dont les caractéristiques géométriques ont été déterminées d’une part avec le logiciel Orcad PCB Editor, mais aussi avec le logiciel COMSOL Multiphysics.
La validation expérimentale a été menée et les premières mesures réalisées dans l’enceinte d’irradiation MATSPACE du laboratoire ont permis de mettre en évidence le bon fonctionnement de l’électrode et de valider les résultats de simulation obtenus précédemment. Le traitement du signal a également été adapté pour cette nouvelle configuration. Une étude a ensuite été menée avec différentes énergies cinétiques (comprises entre 50 et 100 keV) et différentes densités de flux électronique (0.5 à 2 nA/cm²) pour la phase d’irradiation suivi d’une phase de relaxation (maintien de l’échantillon sous vide) afin de suivre la dynamique des charges d’espace implantées au sein du diélectrique. La représentation par cartographie de la quantité de charges injectées en volume permet de suivre aisément l’évolution de cette dernière en fonction du temps.
Ce travail de thèse a permis d’atteindre les objectifs fixés concernant la réalisation de mesures pendant une irradiation électronique. Ce dispositif de caractérisation peut également être utilisé sur des films polymères issus du domaine du génie électrique, les conditions d’irradiation étant contrôlées. Dans un futur proche, ce prototype d’électrode pourra être associé à un capteur à haute résolution spatiale développé dans l’équipe pour un système encore plus performant.
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CONTINUOUS SPACE CHARGE MEASUREMENTS DURING AN ELECTRONIC IRRADIATION
Dielectric materials are widely used in space industry to ensure the thermal blanket of spacecrafts. They are submitted to ionizing rays, such as electrons and protons. When they interact with the polymer, charged particles are stored in the bulk causing degradation and premature ageing, leading to a global reliability loss of the system which has to be anticipated.
The aim of this thesis work was to evaluate the density of the space charge injected into a dielectric material during electronic irradiation under vacuum. To carry out this project, an experimental setup based on the Pulsed Electro Acoustic (PEA) method commonly used in electrical engineering was selected. An innovative contactless and ring-shaped upper electrode was developed to perform measurements in-situ. PEA measurements on a sample are conducted in the conditions very close to the final use. The upper electrode is based on an microstrip signal transmission line whose geometric characteristics were determined thanks to Orcad PCB Editor© and COMSOL Multiphysics© softwares. The experimental validation and the first measurements performed in the vacuum chamber, called MATSPACE, have highlighted the proper functioning of this new electrode and validated the results obtained by the numerical simulations. The signal treatment has also been adapted to our new configuration. A study has been conducted with several kinetic energies (Ek = 50 to 100 keV) and electronic flux densities (0.5, 1 and 2 nA/cm²) for the irradiation step followed by a relaxation phase under vacuum. The dynamic of electrons injected in the sample bulk was easily monitored as a function of time thanks to the charge mapping representation.
The main objective of this work, which was the realization of PEA measurements during an electronic irradiation, has been reached. The experimental setup can be used for several dielectric materials as the irradiation conditions are controlled. In the near future, this electrode prototype will be coupled with a sensor of high spatial resolution to provide an even more efficient setup.
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