Mesure directe du champ électrique aux l'interfaces d'échantillons solides d'épaisseur moyenne à l'aide d'impulsions thermiques et de mesures couplées température/charges d'espace

La fiabilité des systèmes du génie électrique où l’on rencontre des forts champs électriques continus et des températures élevées est liée au niveau des couches diélectriques de zones de charges électriques (dites « charges d’espace » car réparties dans des espaces isolants). Les champs électriques qu’elles induisent peuvent sur solliciter les matériaux, menant au vieillissement prématuré et/ou au claquage. La maîtrise de ces charges étant la clé pour des systèmes d’isolation haute performance, leur mesure est indispensable à la conception, la qualification et la surveillance de tels systèmes, notamment en haute tension à courant continu (HTCC). Les interfaces constituant le point faible des systèmes d'isolation, l'étude des champs aux interfaces est déterminante. D'autre part, une reproduction fidèle des phénomènes se produisant en pratique nécessite que l'interface et la structure de l'isolant soient proches de celles d'un composant réel. Ces deux exigences peuvent être antagonistes car des mesures à haute sensibilité/résolution nécessitent des films minces, tandis que la réalisation de structures proches de celles rencontrées en pratique dans des composants du génie électrique nécessite des couches semi-conductrices et isolantes plus épaisses, tant pour la représentativité que pour des raisons technologiques.Cette thèse porte sur la mesure directe des champs électriques aux interfaces par la méthode de l’impulsion thermique (MIT), qui consiste à exciter brièvement et faiblement l’objet d’essai avec une impulsion de chaleur, afin d’obtenir un signal dépendant de la répartition du champ au voisinage de la zone excitée. Le but du travail est d’étudier les possibilités offertes par cette technique non destructive a fort potentiel résolutif sur des échantillons isolants d’épaisseurs moyennes (50 à 150 µm) munis de couches conductrices et semi-conductrices. En même temps, est mise en œuvre une approche visant à augmenter la sensibilité et la résolution de la technique et à obtenir directement les valeurs des champs d’interface, en exploitant complètement la mesure simultanée de la température de l’interface et de la réponse due à la charge d’espace.La possibilité de réaliser de telles mesures sur des échantillons de polyéthylène de 50 à 100 μm avec des électrodes de fort diamètre (50 mm) est d’abord évaluée par des simulations. Les variations de température induites par des impulsions de diverses énergies et durées sont calculées, en considérant des électrodes conductrices métalliques minces et des électrodes semi-conductrices (noir de carbone/polyéthylène, à l’image des matériaux pour câbles haute tension) de 40 µm d’épaisseur. Les simulations de réponses électriques induites par des champs internes de quelques kV/mm suggèrent que de telles mesures pourraient être réalisables en volume avec des élévations de température de quelques dizaines de degrés, voire inférieures au degré pour les champs d’interface.L’étude expérimentale réalisée avec un laser impulsionnel nanoseconde démontre qu’on peut obtenir non seulement des réponses issues d’interfaces métal/isolant, mais aussi d’interfaces métal/semi-conducteur, ce qui ouvre de nouvelles perspectives pour la MIT. L’acquisition simultanée de signaux bolométriques issus de l’électrode excitée et du signal de charges d’espace, réalisée à l’aide d’une cellule appropriée, permet de calculer la vraie répartition de température dans l’échantillon (nécessaire pour le traitement des signaux de charge) sans connaître l’énergie absorbée par la surface excitée (extrêmement difficile à évaluer en pratique).The reliability of electrical engineering systems where high DC electric fields and high temperatures are encountered is related to the level of the dielectric layers of electric charge zones (so-called "space charges" because they are distributed in insulating spaces). The electric fields they induce can overstress the materials, leading to premature ageing and/or breakdown. Controlling these charges is the key to high-performance insulation systems, and measuring them is essential for the design, qualification, and monitoring of such systems, particularly in high-voltage direct current (HVDC).The study of fields at interfaces is crucial since interfaces are the weak point of insulation systems. On the other hand, a faithful reproduction of the phenomena occurring in practice requires that the interface and the structure of the insulator be close to those of a real component. TThis thesis focuses on the direct measurement of electric fields at interfaces by the thermal pulse method (TPM), which consists of briefly and weakly exciting the test object with a heat pulse in order to obtain a signal dependent on the field distribution in the vicinity of the excited zone. The aim of the work is to study the possibilities offered by this non-destructive technique with a high resolution potential on insulating samples of medium thickness (50 to 150 µm) with conductive and semiconducting layers. At the same time, an approach is implemented to increase the sensitivity and resolution of the technique and to obtain the interface field values directly, fully exploiting the simultaneous measurement of the interface temperature and the space charge response.The possibility of performing such measurements on polyethylene samples of 50 to 100 μm with large diameter electrodes (50 mm) is first evaluated by simulations. Temperature variations induced by pulses of various energies and durations are calculated, considering thin metallic conductive electrodes and semiconducting electrodes (carbon black/polyethylene, similar to high voltage cable materials) of 40 µm thickness. Simulations of electrical responses induced by internal fields of a few kV/mm suggest that such measurements may be feasible in volume with temperature rises of a few tens of degrees, or even sub-degrees for interface fields.The experimental study carried out with a nanosecond pulsed laser demonstrates that responses can be obtained not only from metal/insulator interfaces, but also from metal/semiconductor interfaces, which opens up new perspectives for TPM. The simultaneous acquisition of bolometric signals from the excited electrode and the space charge signal, using an appropriate cell, allows the true temperature distribution in the sample (necessary for the processing of the charge signals) to be calculated without knowing the energy absorbed by the excited surface (extremely difficult to evaluate in practice). It is shown how, by using calibration techniques, taking into account the entire measurement circuit and calculating the true temperature through the sample, one can directly obtain the values of the interface fields, which are determined for the metal/polyethylene interfaces and approximated for the metal/semiconductor interfaces of the samples studied