Mesures et modélisations comportementales de diélectriques ß-irradiés: Thèse de doctorat

Dans leur utilisation quotidienne en tant qu’isolants électriques, les matériaux solides organiques constituent les câbles de transport d’énergie électrique, les circuits de commande et de conversion de puissance, ainsi que les composants (micro)électroniques et les systèmes embarqués (comme le revêtement thermique des satellites ou les batteries d’accumulateurs). La variété des contraintes auxquelles ces matériaux sont soumis — champ électrique, rayonnement, température, humidité, etc. — les rend capables d’emmagasiner des charges, ce qui peut affecter la fiabilité des systèmes qui en dépendent.

Pour étudier le comportement électrique de ces charges, on mesure souvent la distribution spatio-temporelle des charges d’espace en soumettant le diélectrique à une différence de potentiel continue à travers deux électrodes. Cependant, cette méthode peine parfois à distinguer clairement les charges générées des charges dues aux phénomènes de transport.

Cette étude propose une approche alternative : en déposant sous vide des charges (électrons) dans l’isolant à l’aide d’un faisceau d’électrons, nous pouvons contrôler leur position et leur quantité. Nous prenons également en compte d’autres processus physiques liés à l’implantation d’électrons pour prévoir et modéliser le comportement de ces matériaux après irradiation. Des films de polyéthylène basse densité (PEbd), préparés par thermomoulage, ont été irradiés par un faisceau d’électrons de 80 keV avec un flux de 1 nA/cm².

Les mesures de charge d’espace, réalisées d’abord in-situ puis ex-situ sous polarisation électrique DC grâce à la méthode Electro-Acoustique Pulsée (PEA), confirment une localisation effective des charges au sein du matériau. Les résultats observés après irradiation montrent une forte présence de charges positives dans la zone irradiée du diélectrique. Les caractérisations électriques des films PEbd irradiés révèlent un comportement très différent de celui d’un matériau non irradié, suggérant une modification de la structure chimique.

Cependant, les analyses physico-chimiques (spectroscopie infrarouge, photoluminescence et analyse enthalpique différentielle – DSC) de ces films PEbd irradiés ne montrent pas de dégradation significative de la structure chimique qui expliquerait le comportement électrique observé sous polarisation après irradiation. De plus, des mesures supplémentaires mettent en évidence le comportement réversible du PEbd irradié puis polarisé, qui semble uniquement lié à la présence des charges générées par le faisceau.

Les données expérimentales de cette étude ont également alimenté un modèle numérique de transport de charges, conçu pour tenir compte des contraintes sous irradiation. Ce modèle a permis de reproduire les résultats d’implantation de charges par faisceau d’électrons in-situ ainsi que la majorité des processus électriques observés sur le PEbd irradié et polarisé. Il confirme l’impact de la charge déposée par le faisceau d’électrons sur le comportement sous polarisation et permet de conclure que les charges positives observées après irradiation proviennent à la fois des phénomènes d’injection aux électrodes et de la création de paires électrons/trous par le faisceau d’électrons pendant l’irradiation.

Mots-clés : Énergie radiative, diélectriques, charges d’espace, irradiation par faisceau d’électrons, modélisation fluide, transport et génération de charges… En lire plus.