Cette thèse s’inscrit dans le contexte de la fiabilité des satellites soumis à en environnement spatial et radiatif. En effet, les satellites sont constitués de divers matériaux diélectriques qui sous certaines conditions, peuvent se charger de particules électriques (électrons et ions). Ces charges, appelées charge d’espace, tendent à modifier les propriétés chimiques, mécaniques et électriques de ce type de matériaux mais peuvent également entraîner des phénomènes plus destructeurs telles que des décharges électrostatiques (DES).
Afin de mieux comprendre l’effet du chargement électrique des matériaux diélectriques, des techniques de mesure de la charge d’espace sont employées. Parmi les techniques de mesures, la méthode acoustique PEA (Pulsed Electro-Acoustic) est la plus employée dans le contexte spatial car elle peut notamment être utilisée in situ lors de mesures réalisées en environnement spatial. Malheureusement, les bancs de mesure actuels basés sur la technique PEA ne permettent pas de caractériser précisément (i) les diélectriques présentant une atténuation et une dispersion trop importantes des ondes acoustiques, (ii) les échantillons multicouches, (iii) les échantillons dont les charges restent localisées trop proches de leur surface et enfin (iv) les échantillons trop fins (moins de 50 mincrons).
Les travaux de cette thèse se focalisent principalement sur le traitement du signal de la PEA afin de caractériser les matériaux diélectriques qui sont couramment utilisés dans les applications spatiales. Pour se faire, une première partie porte sur un modèle numérique de la cellule PEA, fait à partir du logiciel PSpice, afin de prendre en compte les phénomènes d’atténuation, de dispersion et de réflexion des ondes acoustiques qui traversent l’échantillon étudié. Une seconde partie vise à utiliser ce modèle pour construire une nouvelle fonction de transfert de la cellule PEA, et à mettre en place de nouvelles techniques de déconvolution, afin d’optimiser la mesure de la charge d’espace. Finalement, une troisième et dernière partie illustre l’impact de ce nouveau traitement appliqués aux différentes cellules PEA dont dispose le laboratoire Laplace.
Cette étude a d’abord montré que le nouveau traitement du signal permet de caractériser plus justement des matériaux qui atténuent et dispersent. L’utilisation de ce traitement sur les différentes cellules PEA du laboratoire a également permis de mettre en évidence, et de corriger, les défauts que peut induire l’impulsion électrique sur la charge déconvoluée. De plus, les différentes modélisations numériques ont permis de quantifier précisément certains paramètres d’une cellule donnée qui étaient mal connus jusqu’à présent. En perspective, la méthodologie développée pourra être reproduite pour déterminer la fonction de transfert lors de la caractérisation d’échantillons multicouches, d’échantillons qui ont des charges top proches de leur surface ou d’échantillons trop fins. |
This thesis is made in the context of the reliability of satellites operating in space environment. Indeed, satellites are composed of various dielectric materials, which under certain conditions, can become charged by electrical particles (electrons and ions). This electrical charges are referred to as space charge and they can change the chemical properties, the mechanical properties and the electrical properties of the dielectric material. The space charge can also lead to more destructive phenomena such as electrostatic discharges (ESD).
In order to better understand the effect of dielectric materials electrical charging, space charge measurement methods are used. The PEA (Pulsed Electro-Acoustic) method is the most used one in the space context because it can be used for in situ measurement in space environment. Unfortunately, the current test benches using PEA method do not provide an accurate characterization of (i) dielectrics that attenuates and disperses acoustic waves, (ii) multilayer samples, (iii) samples that contains charges too close to their surface and finally (iv) too thin sample (less than 50 microns).
This work mainly focuses on the PEA signal processing to characterize dielectric materials that are widely used in space applications. To achieve that, the first part deals with a numerical model of the PEA, made by the PSpice software, to take into account phenomena such as attenuation, dispersion and reflection of the acoustic waves which cross the sample. The second part is intended to use this model to build a new PEA transfer function, and to implement new deconvolution techniques, for the purpose of optimizing the space charge measurement. Finally, a third and last part illustrates the impact of using this new processing on the different PEA devices owned by the Laplace laboratory.
This study primarily showed that this new signal processing provides a better characterization of material that attenuates and disperses. The use of this processing on the different PEA devices owned by the laboratory has highlighted, and fixed, faults that can be caused by the electrical pulse to the recovery charge distribution. Furthermore, the several modeling has provided a good knowledge of some parameters which was not well known. The continuation of this work is likely to center on repeating the new methodology to determine the transfer function during the characterization of multi-layer samples, of samples that contains charges too close to their surface or of too thin sample. |