Opitimisation de la méthode FLIMM porur la caractérisation en volume des charges d'espace dans les isolants polymères minces

FLIMM method optimization for multidimensional spale charge characterization in thin polymeric insulators

• Auteur / Autrice : Anca Petre
• Direction : Jean-Luc Franceschi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences. Génie éléctrique
• Date : Soutenance en 2004
• Etablissement(s) : Toulouse 3

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cartographie -- Informatique

Modélisation tridimensionnelle

Polymères (isolants électriques)

Rayonnement ultraviolet

Faisceaux électroniques

Mots clés libres

Flimm

Charges d'espace

Régularisation

Cartographies 3D

Isolants polymères

Faisceau d'électrons

Irradiation UV

Résumé

Les travaux de thèse présentés ont pour but une meilleure connaissance de la répartition spatiale des charges d'espace dans les matériaux isolants, éléments de base des systèmes du Génie Electrique. En effet, il est maintenant admis que l'apparition de champs électriques locaux dûs aux charges d'espace piégées dans le matériau peut entraîner un vieillissement prématuré de l'isolant, donc une rupture plus rapide que prévue. Il est alors difficile dans ce cas de prévoir la durée de vie d'un système avec le temps. Ainsi, plusieurs méthodes de mesure des charges d'espace ont été développées, parmi lesquelles la méthode FLIMM, technique thermique non-destructive. L'objectif principal de la thèse a été d'optimiser la méthode FLIMM, tant du point de vue expérimental, que théorique. Dans un premier temps, une nouvelle cellule de mesure a été proposée, afin d'augmenter la précision et la fiabilité de nos mesures expérimentales. De plus, le courant FLIMM étant très faible, une étude systématique d'optimisation du rapport S/B a été mise en œuvre tout au long de la chaîne d'acquisition. Dans un deuxième temps, une grande partie du travail a été dédiée à la résolution du problème mathématique inverse. En effet, la précision des résultats en dépend fortement. La résolution numérique de l'équation fondamentale de la FLIMM est très sensible aux instabilités de calcul. Plusieurs méthodes de résolution ont été implémentées et comparées afin de trouver celle qui correspond le mieux à nos besoins. Enfin, nous avons procédé à une caractérisation systématique des matériaux polymères (PEN, PET, Téflon). Des cartographies spatiales 3D des charges d'espace ont été réalisées, avec une très bonne résolution spatiale latérale, sur des matériaux irradiés par un faisceau d'électrons, ou bien soumis à une irradiation UV. Ce type des résultats montre ainsi que la technique FLIMM se positionne parmi les meilleures méthodes d'investigation de phénomènes localisés dans les isolants.

The aim of the present thesis work is a better knowledge of the space charge distribution in insulating materials, which constitute basic elements of Electrical Engineering systems. Indeed, it is now known that the appearance of local electric fields due to the space charges trapped in material can induce a premature ageing of insulator, and thus a faster breakdown than envisaged. It is then difficult to anticipate the lifespan of a system with time. Thus, several methods of space charge measurement were developed, among which the FLIMM method, a nondestructive thermal technique. The main objective of the thesis was to optimize the FLIMM method, from both experimental and theoretical points of view. Initially, a new measuring cell was proposed in order to increase the precision and the reliability of our experimental measurements. Moreover, the FLIMM current being very weak, a systematic study of the S/N ratio improvement was implemented throughout the acquisition set-up. In a second time, most of the work was dedicated to solve the inverse mathematical problem. Indeed, the results precision strongly depends on it. The numerical resolution of the FLIMM fundamental equation is very sensitive to calculation instabilities. Several deconvolution methods were implemented and compared in order to find the most adapted to our needs. Finally, we carried out a systematic characterization of several polymeric materials (PEN, PET, Teflon). 3-D space charge cartographies were also carried out with a very high lateral resolution on materials irradiated by an electron beam, or submitted to an UV irradiation. This kind of results settles the FLIMM technique among the best investigation methods of located phenomena in insulators.