B.2 Méthodes acoustiques

Les techniques acoustiques utilisent une onde élastique pour quantifier la charge dans le matériau isolant. Le principal avantage de ces méthodes est leur rapidité de mesure (la durée des signaux ne dépasse pas quelques µsecondes) due à la vitesse du son dans les

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matériaux diélectriques qui est importante. Ceci permet d’utiliser ce type de méthode pour étudier la dynamique de la charge sous la contrainte électrique et thermique. Notons quand même que le rapport signal/bruit (SNR) est généralement faible et, par conséquent, l’obtention de résultats reproductibles nécessite assez souvent d’effecteur une moyenne sur plusieurs centaines de mesures successives.

Il existe actuellement trois méthodes de détermination de charge d’espace dans un isolant solide qui utilisent la propagation ou la production d’une onde de pression. En fonction de la façon dont sont utilisées les ondes acoustiques, deux grandes classes se distinguent : l’onde acoustique est appliquée à l’échantillon pour modifier la position relative de sa charge interne dans les techniques PIPWP et LIPP ; en revanche, elle est générée comme réponse de l’échantillon à l’application d’une impulsion de tension dans la technique PEA. Ces méthodes sont équivalentes en termes de résolution spatiale, de vitesse de mesure et de gamme d’épaisseur mesurable des échantillons.

a) LIPP

La méthode LIPP (Laser Induced Pressure wave Propagation) consiste à générer une onde acoustique à l’aide d’un pulse laser sur une cible, Figure I. 19. Cette onde acoustique se propage à travers l’isolant en modifiant à son passage la position relative des charges qu’elle rencontre. Il apparaît alors une variation des charges induites aux électrodes ce qui se traduit par l’apparition d’une différence de potentiel ou d’un courant dans le circuit de mesure [Alqu 92] [Cart 95] [Flem 99] [Hole 03] [Male 00]_.

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La rapidité de mesure ainsi que son bon rapport signal sur bruit permet d’effectuer des mesures sous 50 Hz avec une très faible erreur en tension et en temps. La résolution spatiale de cette méthode après le traitement du signal est de l’ordre de quelques µm.

b) PIPWP

La méthode PIPWP (Piezoelectrically Induced Pressure Wave Propagation) est quasi- identique à la méthode LIPP à la différence que l’onde acoustique est générée via un transducteur piézoélectrique vers l’échantillon, Figure I. 20. La résolution spatiale de cette méthode est de l’ordre du micron.

La méthode PIPWP est particulièrement adaptée pour des mesures directes sur câbles depuis que les transducteurs piézoélectriques peuvent générer des ondes acoustiques cylindriques [Sumi 98]_{. Elle est également intéressante pour réaliser des mesures sous}

contraintes dynamiques [Hole 97]_.

Figure I. 20 : Schéma de principe de la méthode PIPWP c) PEA

Développée pour la première fois dans les années 1980 au Japon, la méthode PEA (Pulsed Electro Acoustic) permet d’accéder à la distribution spatiale de la charge d’espace dans des matériaux diélectriques [Maen 88] [Taka 87] _{: une impulsion de tension est appliquée à}

l’échantillon pour générer des ondes acoustiques qui sont converties par un capteur piézoélectrique en un signal de tension représentatif de la densité de charges (Figure I. 21).

Le signal électrique ainsi mesuré est traité numériquement pour extraire la répartition de la charge dans le matériau étudié. L’avantage de cette méthode est que les électrodes et le

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circuit de détection sont électriquement séparés, de sorte que les investigations sous des champs électriques élevés peuvent être effectuées sans risques d’endommager l’amplificateur et les composants associés [Taka 99]_.

Figure I. 21 : Schéma de principe de la méthode PEA classique

Compte tenu de sa résolution spatiale actuelle (de l’ordre de l’épaisseur du capteur piézoélectrique), cette méthode permet l’étude d’isolants dont l’épaisseur est de l’ordre de quelques centaines de microns. Depuis sa création, cette méthode a connu de nombreuses modifications et améliorations pour pouvoir s’adapter à différentes configurations [Arna 11] [Gris 04] [Paya 09a] [Paya 09b]_{. On recense ainsi :}

les systèmes PEA 2D et PEA 3D [Masu 06] [Fuku 05] [Fuku 04] [Hole 01] [Maen 01]_{, qui consistent à}

utiliser une lentille acoustique et un capteur piézoélectrique enfermés dans une boîte blindée contenant du mercure. De cette manière, on détecte uniquement les ondes acoustiques provenant du point focal en assurant leur bonne propagation et en évitant au maximum les réflexions. L’inconvénient de cette méthode est le temps nécessaire pour scanner toute la surface : il faut environ 200 s pour mesurer les profils sur une surface de 5 mm² avec un pas de 0.5 mm et un générateur délivrant des impulsions à une fréquence de 50 Hz ;

La PEA avec tête sans contact, basée sur le principe de la « strip-line » [Paya 09a] [Paya 09b] [Perr 07]_{. Plusieurs brevets ont été déposés par le CNES sur la tête sans contact. Cette}

configuration permet l’étude de la distribution des charges dans des diélectriques soumis à des irradiations. Elle est donc tout particulièrement bien adaptée pour le domaine spatial où il est indispensable de suivre l’évolution temporelle de la densité

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de charge dans les isolants pendant et après l’irradiation, tout en laissant la surface de l’échantillon en potentiel flottant. La résolution spatiale de cette méthode est du même ordre de grandeur que la cellule PEA classique ;

Les configurations PEA câbles permettent d’analyser la charge d’espace qui s’accumule dans les câbles haute tension [Bode 14] [Fabi 07] [Maen 96] [Viss 11]_{. Différentes}

configurations ont vu le jour et sont classées en fonction de la forme de l’électrode de détection (plate ou incurvée) et en fonction du mode d’application de l’impulsion électrique (par l’intermédiaire du conducteur central, de la cellule PEA ou du semi- conducteur extérieur);

La PEA 3H (« High voltage, High repetition, High spatial resolution ») permet d’effectuer des mesures sous des tensions de 60 kV, avec des profils de charges sans moyennage toutes les 10 µs (avec un générateur d’impulsion à 100 kHz) pour une résolution spatiale de 10 µm[Mats 02] _;

Un autre système très haute et très basse température a été mis en place par Fukuma et permet de faire des mesures allant de - 93°C à + 250°C [Miya 03] [Ishi 02] [Mura 01] _;

Enfin, un système PEA portable composé uniquement d’un oscilloscope, d’une cellule PEA miniaturisée et d’un générateur d’impulsion a été développé par Fivelab[Maen 03]_{. Ce système ne nécessite pas de déconvolution grâce à une forme}

d’impulsion particulière.