Etude de l'impulsion électromagnétique et du plasma issus de la décharge de matériaux diélectriques soumis à une irradiation d'électrons

par Tristan Gouriou

Thèse de doctorat en Ingénierie des plasmas

Sous la direction de Maxime Ribière et de Mohammed Yousfi.

Soutenue le 25-10-2019

à Toulouse 3 , dans le cadre de École doctorale Génie électrique, électronique, télécommunications et santé : du système au nanosystème (Toulouse) , en partenariat avec Laboratoire Plasma et Conversion d'Energie (Toulouse ; 2007-....) (laboratoire) .

mots clés

• Décharge électrostatique
• Claquage
• Diagnostiques électromagnétiques
• Calcul Monte-Carlo
• Cavité résonnantes
• Diélectrique
• Calcul 3D-Maxwell
• Conductivité plasma
• Diélectriques
• Électromagnétisme
• Plasmas (gaz ionisés)

Résumé

Dans l'espace, les matériaux diélectriques constitutifs des satellites sont susceptibles d'être exposé à des flux énergétiques de particules générés dans l'environnement terrestre à partir des rayonnements solaire et cosmique. Une des conséquences de cette exposition est l'apparition de décharges électrostatiques (ESD) qui naissent lorsque des électrons énergétiques pénètrent en profondeur dans des matériaux de faibles conductivités comme les polymères. Ces particules piégées sont responsables d'une élévation importante du champ électrique interne pouvant conduire à une rupture diélectrique du matériau suivi d'une évacuation des charges et de la formation d'un plasma qui s'étend dans le vide. L'impulsion électromagnétique intense qui en découle peut se coupler aux éléments d'interconnexion (pistes de circuit imprimé ou liaison filaire) et propager des signaux qui représentent une menace sérieuse pour l'ensemble du satellite. L'objectif de cette thèse est de mieux comprendre ces phénomènes de ruptures et de caractériser le plasma et l'impulsion électromagnétique générée. Les travaux de recherche comportent une partie expérimentale où les décharges sont reproduites au moyen d'un accélérateur linéaire d'électrons de 6 MeV irradiant différents polymères (polyéthylène, polytétrafluoroéthylène et polyméthacrylate de méthyle) dans une cavité sous vide. Les courants électriques induits et les champs électromagnétiques rayonnés sont quantifiés respectivement au moyen d'une pince de courant et de sondes de champs couvrant une bande spectrale allant jusqu'à 6 GHz. Les caractéristiques du plasma sont étudiées par absorption d'un signal radiofréquence injecté dans la cavité par un générateur de bruit blanc. Il a notamment été montré que la durée de vie du plasma s'étend jusqu'à la dizaine de microsecondes alors que les phénomènes électriques et électromagnétiques ne durent que quelques centaines de nanosecondes. Les résultats expérimentaux obtenus ont été confrontés aux résultats issus du code 3D de résolution des équations de Maxwell (code Sophie) développé au CEA. Les mesures du champ électromagnétique rayonné dans la cavité ont pu être restituées en injectant des profils spatio-temporels de densité de courant modélisant la rupture diélectrique du matériau. Le temps de montée de la décharge a pu être quantifié à une centaine de picosecondes. Les mesures d'absorption des signaux radiofréquences ont pu être restituées en modélisant l'expansion du plasma dans la cavité à l'aide de coquilles concentriques de conductivité variable. La vitesse d'expansion du plasma dans le vide a pu être établie à 105 m/s et la conductivité sur les premiers millimètres de l'expansion de l'ordre de la dizaine de S/m. Enfin, un modèle collisionnel-radiatif et un modèle simplifié de l'évolution spatio-temporel du plasma ont permis de faire le lien entre la densité de courant, la conductivité du plasma injectés dans le code Sophie et la densité et température du plasma.

mots clés

• Electrostatic discharge
• Dielectric breakdown
• Dielectric material
• Electromagnetic diagnostics
• Resonant cavity
• Electromagnetic pulse
• Plasma conductivity
• Monte-Carlo calculations
• 3D-Maxwell calculations
• Plasma expansion model

Titre traduit

Study of electromagnetic pulse and plasma produced during electrostatic discharge in dielectric material subjected to an electron irradiation

Résumé

In space, dielectric materials of satellites are likely to be exposed to energetic fluxes of particles generated in the terrestrial environment from solar and cosmic radiation. One of the consequences of this exposure is the appearance of an electrostatic discharges (ESD) risk that arise when energetic electrons penetrate deeply into low conductivity materials such as polymers. These trapped particles are responsible for a significant rise in the internal electric field that can lead to a dielectric breakdown of the material followed by a charges evacuation and plasma formation expanding into vacuum. The resulting intense electromagnetic pulse can couple with interconnection elements (conductive tracks of printed circuit board or wire connection) and propagate signals that pose a serious threat to the entire satellite. The objective of this thesis is a better understand of these dielectric breakdown phenomena and characterize the plasma and the electromagnetic pulse generated. The research includes an experimental part where discharges are reproduced by a 6 MeV linear electron accelerator irradiating different polymers (polyethylene, polytetrafluoroethylene and polymethylmethacrylate) in a vacuum cavity. The induced electric currents and electromagnetic fields are quantified respectively by current probe and magnetic field probes covering a spectral band up to 6 GHz. The characteristics of the plasma are studied by absorption of a radiofrequency signal injected into the cavity by a white noise generator. It has been shown that the lifetime of the plasma extends to about ten microseconds while the electrical and electromagnetic phenomena last only a few hundred nanoseconds. The experimental results obtained were compared with the results from the 3D code solving Maxwell equations (Sophie code) developed at CEA. Measurements of the electromagnetic field in the cavity could be restored by injecting spatial and temporal profiles of current density modeling the dielectric breakdown of the material. The rise time of the discharge could be quantified at a hundred picoseconds. Absorption measurements of radiofrequency signals could be restored by modeling the plasma expansion in the cavity using concentric shells of variable conductivity. The expansion velocity of the plasma in vacuum could be established at 105 m/s and the conductivity on the first expansion millimeters at about ten S/m. Finally, a collisional-radiative model and a simplified spatiotemporal plasma evolution model allow connection between current density, plasma conductivity injected into Sophie code and plasma density.