Modelling and signal processing of a pulsed electroacoustic cell for studying space dielectrics charging
Modélisation et traitement du signal d'une cellule électroacoustique pulsée pour l'étude de la charge des diélectriques spatiaux
Résumé
This thesis is in the context of the reliability of satellites subjected to a space environment. Indeed, satellites are made of various dielectric materials which may be charged by electrical particles (electrons and ions). The local accumulation of these particles is called space charge that tends to modify chemical, mechanical and electrical properties of dielectric materials. These modifications cause some physical phenomena, as electrostatic discharges (ESD), that may damage satellite elements and then render obsolete some of its functions. In order to avoid these kinds of scenarios, the National center for space study (CNES) and the "Laboratoire plasma et conversion d'énergie" (LAPLACE) seek to characterize dielectric materials employed in space environment using techniques to probe the charge in time and space. The PEA, or Pulsed Electro-Acoustic method, is one of these techniques. The objective of this thesis to optimize the signal processing of a PEA measurement bench in order to better estimate the time-space distribution of the charge inside a dielectric sample. To achieve this, an original method, based on an optimized PSpice model of the PEA measurement bench, has been developed to allow the characterization of a transfer function of the bench. Using a regularization technique, based on the Tikhonov's one, the results show that the recovery charge obtained from a calibration signal correspond fully to the applied experimental charge. This new signal processing developed during this thesis will allow to study samples: (i) that attenuate and disperse too much the acoustic waves; (ii) that are multilayer; (iii) for which the charges are localized near the irradiated surface; (iv) that are too thin (some tens of microns).
Cette thèse s'inscrit dans le contexte de la fiabilité des satellites soumis à un environnement spatial. En effet, les satellites sont constitués de matériaux diélectriques qui sous certaines conditions peuvent se charger de particules électriques environnantes (électrons et ions). L'accumulation locale de ces particules constitue la charge d'espace qui tend à modifier les propriétés chimiques, mécaniques et électriques des matériaux diélectriques. Ces modifications sont à l'origine de phénomènes physiques qui peuvent endommager des éléments du satellite et rendre obsolètes certaines de ses fonctions comme lors de décharges électrostatiques (DES). Dans le but d'éviter de tels scénarios, le Centre national d'études spatiales (CNES) et le Laboratoire plasma et conversion d'énergie (LAPLACE) cherchent à caractériser les matériaux diélectriques utilisés en environnement spatial à l'aide, notamment, de techniques de mesure capable de sonder la charge en temps et en espace. La méthode PEA, ou Pulsed Electro-Acoustic method, fait partie de ces techniques de mesure. L'objectif de cette thèse est d'optimiser le traitement de données d'un banc de mesure PEA afin d'estimer au mieux la répartition spatio-temporelle de la charge dans un échantillon diélectrique. Pour ce faire, une méthode originale, basée sur un modèle PSpice optimisé du banc de mesure PEA, a été développée permettant de caractériser une fonction de transfert du banc de mesure. A l'aide d'une technique de régularisation de type Tikhonov, les résultats montrent que les charges retrouvées lors d'une étape de calibration sont en parfaite adéquation avec les charges réellement imposées. Ce nouveau traitement développé lors de cette thèse permettra d'étudier des échantillons : (i) qui présentent une atténuation et une dispersion des ondes acoustiques importantes ; (ii) multicouches ; (iii) dont les charges sont localisées proches de la surface irradiée ; (iv) trop fin (de quelques dizaines de microns).
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
|---|