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Thèse soutenue

Etude des précurseurs du comportement catastrophique des céramiques : applications au claquage diélectrique et à la rupture mécanique des alumines de tubes RF de puissance

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Auteur / Autrice : Lilian Martinez
Direction : Christian Jardin
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Sciences
Date : Soutenance en 1999
Etablissement(s) : Lyon 1
Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christian Jardin

Résumé

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En raison de leurs bonnes proprietes dielectriques et thermo-mecaniques, les ceramiques d'alumine -al 2o 3 sont largement utilisees dans les tubes electroniques hf de puissance. Elles doivent maintenir le vide a l'interieur du tube, supporter la haute tension sans rupture dielectrique et transmettre la puissance hf sans echauffement excessif. L'etude entreprise vise a mieux connaitre les phenomenes responsables de la rupture des ceramiques qui intervient parfois au cours du fonctionnement hf du tube en reduisant brutalement sa duree de vie, afin de les maitriser. Des prelevements de ceramiques ont ete effectues sur des tubes uhf retour clients et sur des klystrons de grande puissance, ainsi qu'aux differentes etapes de fabrication du produit par thomson tubes electroniques. Leurs analyses par cathodo-luminescence, spectroscopies d'electrons (aes, eels), mesures du potentiel de surface, microscopies electroniques (sem, edx) et diffraction x, ont permis de mettre en evidence les defauts critiques amenant a la rupture et de distinguer les differents facteurs de vieillissement des alumines. Les traitements mecaniques de rectification, de polissage et de sablage sont particulierement perturbateurs de la structure du materiau fragile, en induisant un grand nombre de defauts (dislocations, zones contraintes, microfissures). Ce sont principalement ces defauts qui sont le plus a craindre car ils constituent un reservoir de pieges a electrons et a trous, se remplissant lors du fonctionnement du tube hf en faisant augmenter l'energie interne du materiau. Par leur evolution sous injection electronique, les bandes luminescentes des centres f (a 415 nm) et f + (a 330 nm) derives des lacunes-d'oxygene apparaissent comme des indicateurs du taux de remplissage des pieges. Cela resulte de la conversion des centres f en f + stimulee par le champ electrique et par la presence de pieges vides. Ainsi, une situation de pre-claquage du materiau, avec une majorite de pieges a electrons remplis, est atteinte lorsque la luminescence bleue intrinseque des centres f est detectee apres une forte evolution de l'emission uv des defauts f +. Dans les mecanismes de relaxation, cette emission a 3,8 ev interne au materiau due aux centres f + intervient dans la dynamique de depiegeage qui peut prendre un caractere catastrophique (fusion localisee, ejection de grains d'alumine, felure et rupture mecanique, claquage electrique par flashover). Base sur ces resultats de cathodoluminescence, un protocole de tests des ceramiques a ete etabli sur le site tte de thonon-les-bains permettant de selectionner les alumines aptes a fonctionner correctement sous hf. Differents traitements des ceramiques (restructuration thermique sous atmosphere controlee, nettoyage des surfaces par microbillage au sio 2, dopage du materiau au manganese et au chrome, vitrification de la surface) integrant les imperatifs technologiques de fabrication ont ete testes sous les conditions specifiques d'utilisation en hf de puissance et sont proposes pour ameliorer la fiabilite des tubes.