Étude du comportement physico-chimique et électrique de polymères spatiaux sous irradiation de haute énergie

par Guillaume Demol

Projet de thèse en Génie Electrique

Sous la direction de Thierry Paulmier.

Thèses en préparation à Toulouse, ISAE , dans le cadre de École doctorale Génie électrique, électronique et télécommunications (Toulouse) , en partenariat avec ISAE-ONERA OLIMPES Optronique, Laser, Imagerie Physique et Environnement Spatial (laboratoire) et de DPHY - Physique, instrumentation, environnement, espace | ONERA (equipe de recherche) depuis le 01-10-2016 .


  • Résumé

    En environnement spatial, les satellites doivent faire face à des radiations de particules énergétiques (électrons, ions) de forte intensité, pouvant conduire à une accumulation de charges électriques sur les dispositifs et isolants. L'implantation de ces charges au sein des matériaux, peut initier l'amorçage de décharges électrostatiques et d'arcs électriques. Ces décharges sont potentiellement dangereuses et peuvent générer des perturbations électromagnétiques, des pertes de puissance, voir conduire à la destruction de sous-systèmes embarqués. Pour pallier à ces risques éventuels, il est nécessaire d'avoir une bonne prédiction du comportement en charge des matériaux sous irradiation spatiale. Il est donc primordial de bien comprendre, d'un point de vue microscopique/macroscopique, les interactions électrons/matériaux (ionisation, excitation…), les processus de transport de charges (piégeage, dépiégeage, recombinaison …) ainsi que les mécanismes de vieillissement (effets des radicaux, modifications de la structure chimique). En effet, l'irradiation de haute énergie dégrade de manière irréversible la structure chimique du matériau, ce qui affecte son comportement électrique au cours de la mission spatiale. Des études précédentes ont permis de montrer que l'irradiation électronique de haute énergie sur des matériaux polymères conduit à une évolution particulière du potentiel de surface due à ce que l'on appelle : la conductivité induite sous irradiation (RIC en anglais : Radiation Induced Conductivity). Cette RIC est décrite au travers des modèles développés à l'ONERA et basés sur la théorie des bandes appliquée aux matériaux isolants imparfaits pour prédire ces effets de charge et d'ionisation. Cependant, ces modèles ne prennent pas en compte certains mécanismes physiques, tels que : les processus de transfert énergétique (en lien avec les défauts physico-chimiques) et les effets de vieillissement. De plus, la connaissance des paramètres physiques liés aux modèles requiert le développement de nouvelles techniques expérimentales spécifiques permettant de dissocier les différents mécanismes entrant en jeu dans le transport de charge. Ce travail de doctorat a donc pour objectif de caractériser et de modéliser les mécanismes physiques (en surface et en volume) gouvernant le potentiel de charges de différents matériaux polymères à usage spatial et de mettre en évidence les mécanismes de vieillissement. Pour ce faire, deux techniques de caractérisation complémentaires ont ainsi été développées : la technique de cathodoluminescence et de courant thermo-stimulé. Les mesures de cathodoluminescence (CL) opérées dans la chambre d'irradiation MARCEL (Moyen d'Analyse par iRadiation et Cathodo-Electro-Luminescence) ont permis d'observer des transitions énergétiques radiatives propres à chaque matériau sous irradiation électronique. La comparaison des spectres CL entre des polymères de structures chimiques proches a permis d'avoir une première approche sur l'origine des différentes contributions mises en jeu. Pour conforter ces résultats, une étude paramétrique (température, dose…) a été réalisée afin de proposer des modèles qualitatifs sur les processus à l'origine de la luminescence. Les mesures de courant thermo-stimulé (TSC), réalisées au sein de l'enceinte SIRENE (Simulation de l'IRradiation en Electrons eNErgétiques) à l'ONERA et financée par le CNES, ont permis de caractériser les niveaux énergétiques de pièges peu profonds présents dans différents polymères à usage spatial. Les différences sur la cinétique thermique des courants mesurés, d'un matériau à un autre, soulignent des distributions énergétiques de pièges différents (exponentielles ou gaussiennes). Des paramètres physiques, tels que les profils de distribution énergétique, les fréquences de dépiégeage ainsi que les énergies d'activation ont ainsi pu être extraits via différentes méthodes d'analyse. Les données expérimentales déduites de ces études ont parallèlement alimenté des modèles existants de transport de charges (avec une optimisation préalable) afin d'avoir une meilleure description du comportement en charge/décharge des matériaux sous irradiation spatial à l'état neuf et vieilli. Mots clés : Cathodoluminescence, Conductivité induite sous irradiation, Défauts physico-chimiques, Irradiation par faisceau d'électrons, Modélisation du transport de charges, Polymères, Satellites, Vieillissement.

  • Titre traduit

    Study of phisico-chemical and electrical behavior of space-used polymers under high energy irradiation


  • Résumé

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