Les interphases sont souvent considérées comme responsables des propriétés physiques des nanodiélectriques inexplicables par les lois de mélange. La prédiction de la permittivité diélectrique des nanodiélectriques nécessite de reconsidérer la permittivité intrinsèque et le volume de l'interphase. Malgré le besoin d'une caractérisation locale de ces régions interfaciales nanométriques, aucune méthode expérimentale fiable n'a encore été développée. La Microscopie à Force Electrostatique (EFM) constitue une technique prometteuse pour atteindre ce but. L'objectif de cette thèse est de développer des protocoles expérimentaux et des méthodes d’interprétations du signal appropriés pour évaluer l’aptitude de l’EFM à l'étude des interphases dans les nanodiélectriques. Nous avons eu recours d’abord à des simulations numériques par éléments-finis pour approfondir notre compréhension de l'interaction entre une sonde EFM et plusieurs types d'échantillons nanostructurés, permettant par la suite de simuler la réponse spécifique face à un nanocomposite possédant une interphase. Nous avons proposé un modèle électrostatique de nanodiélectrique possédant trois phases, selon lequel, nous avons conçu et synthétisé des échantillons modèles aux propriétés connues afin de jouer le rôle de matériaux nanodiélectriques de référence pour les mesures EFM. Par conséquent, nous avons pu développer plusieurs protocoles expérimentaux et d’analyses du signal utilisant des modes DC et AC de détection du gradient de force pour caractériser les interphases dans des nanocomposites. Ces techniques constituent un ensemble polyvalent de méthodes d’étude des interphases avec un impact réduit des effets parasites communément convolués dans les signaux EFM. Enfin, une quantification de la permittivité de l'interphase de nos échantillons modèles a été possible par corrélation avec nos simulations numériques. / Interphases are usually considered to be responsible for the physical properties of nanodielectrics unexplainable by general mixture laws. The prediction of the effective dielectric permittivity of these materials needs to reconsider the intrinsic permittivity and the volume of the interphase. Despite the urge for a local characterization of these nanometric interfacial regions, no reliable experimental method has been developed yet. The Electrostatic Force Microscope (EFM) constitutes a promising technique to fulfill this objective. The aim of this thesis is to develop appropriate experimental protocols and signal analysis to explore the ability of EFM to the study of interphases in nanodielectrics. We first resorted to finite-element numerical simulations in order to deeper our understanding of the interaction between an EFM probe and several types of nanostructured samples, allowing to simulate afterwards the specific response to a nanocomposite possessing an interphase. We proposed a three-phase electrostatic model of a nanodielectric, upon which, we designed and synthesized model samples of known properties to play the role of a reference nanodielectric material for EFM measurements. Consequently, we were able to develop several experimental protocols and signal analysis with both DC and AC force gradient EFM modes. These techniques offer versatile methods to characterize interphases with reduced impact of the parasitic effects commonly convoluted within EFM signals. Finally, a quantification of the interphase in our nanodielectric model samples was possible thanks to correlation with our numerical simulations.

Cette thèse s’intéresse à la caractérisation de couches diélectriques et magnétiques de structures multicouches par cavité résonante microonde. Les matériaux multicouches ont des propriétés électromagnétiques spécifiques et sont utilisés dans beaucoup de secteurs industriels, par exemple, dans les radiocommunications. La caractérisation électromagnétique reste une priorité pour la compréhension des caractéristiques de propagation des ondes électromagnétiques dans ces milieux. Dans ce travail de thèse nous proposons une nouvelle approche expérimentale pour déterminer les propriétés diélectriques effectives d’une structure multicouches en fonction des propriétés et de l’épaisseur de chacune des couches. En particulier, nous appliquons les expressions de permittivités issues de la méthode des perturbations utilisée en cavité résonante au cas d’un échantillon rectangulaire bicouche. L’analyse théorique établie a montré qu’une expression de simple proportionnalité reliant les propriétés diélectriques moyennes d’un matériau bicouche avec les propriétés diélectriques relatives et les épaisseurs des couches constituantes peut être obtenue. Cette méthode a été appliquée avec succès sur différents matériaux bicouches. En particulier, elle a permis la caractérisation d’une couche de YIG d’épaisseur très mince (19.6 μm) déposée par pulvérisation cathodique sur un substrat d’alumine en connaissant l’épaisseur et les propriétés diélectriques du substrat. La comparaison avec les résultats expérimentaux a révélé un bon accord entre théorie et mesure. L’analyse de l’incertitude associée au calcul de la permittivité par la méthode a montré une bonne sensibilité. Enfin, nous donnons les courbes de variation de la perméabilité effective mesurée pour un empilement bicouche avec une couche mince de YIG / This thesis aimed at characterizing the dielectric and magnetic layers of multilayer structures by using the technique of microwave resonant cavity. Multilayer structures have specific electromagnetic properties and are becoming increasingly important in many industrial domains, such as in radio-communication systems. The electromagnetic characterization remains a priority for understanding the characteristics of electromagnetic wave propagation in such environments. The thesis proposed a new experimental approach to determine the effective dielectric properties in a bilayer structure as a function of the characteristics and thickness of each specific layer. In particular, we apply the expressions of permittivities derived from the perturbations method which are used in resonant cavities in case of a bilayer rectangular sample. The established theoretical analysis leads us to propose a new expression of simple proportionality describing a relationship between the mean dielectric properties of a bilayer material and the relative dielectric properties and thickness of the constituent layers. The presented method has been successfully applied to different bilayer materials. Particularly, it allowed the characterization of a very thin layer (YIG layer) of thickness 19.6 microns deposited by cathodic sputtering on an alumina substrate by knowing the thickness and dielectric properties of this substrate. The comparison with the experimental results revealed good agreement between theory and measurement. The analysis of the uncertainty associated to the calculation of the permittivity by the presented method showed good sensitivity. Finally, we provide the curves of variation of the effective permeability measured for a bilayer stack

Le géoradar, ou Ground Penetrating Radar (GPR) en anglais, est une méthode non destructive couramment utilisée pour l'auscultation des ouvrages en béton. L'intérêt de cette méthode réside sur sa capacité à ausculter rapidement des très grandes surfaces, elle est de plus en plus employée en Génie Civil. Habituellement, cette méthode est utilisée en Génie Civil pour la localisation les aciers de renforcements, ou bien pour l'estimation de l'épaisseur d'enrobage du béton. Toutefois, la méthode GPR peut aussi être utilisée pour l'auscultation du béton. En effet, le béton est un matériau diélectrique poreux qui peut modifier la propagation des ondes électromagnétiques (EM). Les résultats les plus récents présentent la capacité du GPR à évaluer la teneur en eau. Cependant, le GPR pourrait très bien aussi être utilisé pour la détection des ions chlorure présents dans la solution interstitielle du béton, car comme les chlorures modifient la conductivité du béton ils sont susceptibles d'atténuer les ondes électromagnétiques. Néanmoins, seulement quelques études ont été menées dans ce domaine. Par conséquent, dans cette étude, nous proposons d'utiliser les ondes EM du géoradar pour estimer conjointement la teneur en eau et la teneur en chlorure du béton pour différents corps d'épreuves. Pour cela, plusieurs séries de corps d'épreuves sont utilisées avec des modes de contaminations par les chlorures différents. Une procédure de mesure de la vitesse à partir de l'analyse des signaux réfléchis est proposée. On démontre que la vitesse des ondes EM est essentiellement affectée par la teneur en eau alors que l'atténuation est sensible à la fois à la teneur en eau et à la teneur en chlorures. Ensuite, dans un second temps, nous testons différents modèles de permittivité pour prédire les mesures de constante diélectrique et du facteur de pertes évalués à partir des mesures par GPR ou de résistivité électrique. / Ground Penetrating Radar (GPR) is an usual nondestructive testing method for the assessment of concrete structures. The benefit of this method lies within its ability to assess quickly a large scale of concrete surface. Generally, GPR is used for the localization of reinforcements or for the thickness measurements. However, GPR can be also used for the diagnosis of concrete because concrete is a porous dielectric material which can modify the propagation of the electromagnetic (EM) waves. Most common results present the ability of GPR to assess moisture. But, GPR could be also used to detect the presence of chlorides into the interstitial concrete solution as chlorides can modify the concrete conductivity and altered the electromagnetic signal waves. However, only few studies have been carry-out on that field. Therefore, in this study, we propose to use GPR electromagnetic waves to evaluate both the water content and the chloride content inside the interstitial concrete solution of several tests concrete samples. So, several groups of concrete samples with the same formulation will be conditioned for different chloride contamination modes. Thereafter, a velocity measurement process will be proposed from the reflected signal wave analysis. In that process, we will show that the velocity is only affected by the water content while the attenuation strongly affected by both the water content and the chloride content. Furthermore, we will test several permittivity models to predict the dielectric permittivity and the loss factor estimated from the concrete samples measurements with the GPR device and the electrical resistivity device.

Au niveau industriel, les capteurs électriques de mesure de la teneur en eau dans les solides sont généralement mono fréquentiel. La fréquence de fonctionnement est choisie arbitrairement. Par contre, la sensibilité de la teneur en eau dépend du type de matériau et des liaisons d’eau existantes. D’une part, la fréquence de relaxation diélectrique de l’eau à l’état liquide est située dans la bande des Micro-ondes. D’autre part, la fréquence de relaxation diélectrique de l’eau liée dépend du matériau mais elle est dans la bande des Radiofréquences. En se basant sur cette hypothèse, le but de cette thèse consiste à analyser la sensibilité fréquentielle vis-à-vis les liaisons d’eau dans les solides en utilisant comme un paramètre intermédiaire la permittivité diélectrique complexe. La première partie du travail a eu pour objectif de valider deux cellules de mesure de type capacitive et coaxiale développées au CETIAT pour mesurer les caractéristiques diélectriques. Les deux cellules de mesure ont été validées pour mesurer la permittivité diélectrique complexe des liquides, solides et des produits humides dans la bande [1 MHz – 2 GHz] et une comparaison avec l’outil EpsiMu® développé par l’Institut Fresnel a été réalisée.En deuxième phase, nous étudions expérimentalement des matériaux humides en couplant la caractérisation électromagnétique avec la méthode thermo-coulométrique qui permet de mesurer et de distinguer sélectivement les liaisons d’eau existante dans un solide.À l’issue de cette phase, une étude paramétrique sur les spectres diélectriques complexes a été réalisée pour identifier des sensibilités par rapport aux fractions d’eau existantes. / This thesis is part of a European research project called METfnet (Metrology for Moisture in Solids).In industry, the electrical sensors for measuring the water content in the solids are generally mono-frequency and the operating frequency is chosen arbitrarily.The sensitivity to the water content depends on the type of material and the existing water bounds. On the one hand, the dielectric relaxation frequency of water in the liquid state is located in the microwave band. On the other hand, the dielectric relaxation frequency of the bound water depends on the material, but it is known that it’s situated in the radio frequency band.Based on this hypothesis, the aim of this thesis is to analyze the frequency sensitivity with respect to water bonds in solids by using as an intermediate parameter the complex dielectric permittivity.In the first phase of the work, we validate metrologically two instruments: capacitive and coaxial, both of them are developed at CETIAT for measuring the dielectric constant. The two measuring cells were validated to measure the complex dielectric permittivity of liquids, solids and wet products in the [1 MHz - 2 GHz] band and a comparison with the EpsiMu® tool developed by the Fresnel Institute was carried out. In the second phase, we experimentally study wet materials by coupling electromagnetic characterization with the thermo-coulometric method, which selectively measures and distinguishes existing water bounding forms in a solid.At the end of this phase, a parametric study on the complex dielectric spectrum was carried out to lead to the identification of sensitivities with respect to the existing water fractions.

The concept for a novel new antenna design is presented and investigated for application to ground penetrating radar (GPR). The proposed new antenna design is called the shielded magnetic bowtie antenna (MBA). As the name suggests, it is predominately constructed from a bowtie-shaped volume of magnetic material that is fed from the centre of the structure by a small magnetic loop antenna. This thesis develops the magnetic antenna concept and investigates its potential for GPR predominately through numerical modelling. However, a significant part of the investigation concentrates on validating the numerical modelling technique developed to study the shielded MBA by comparing the results with measurements obtained from a scale model constructed to operate in the watertank antenna test facility, a controlled environment for GPR antenna research. The broadband properties required for GPR antennas are achieved uniquely with the shielded MBA design by a combination of the antenna shape being defined in terms of angles and an inherent magnetic loss mechanism within the antenna material structure. The design also affords an intrinsically placed antenna shield that has the potential for mitigating problems typically experienced with shielding electric dipole antennas. Antenna shielding is an important consideration for GPR antenna designers, especially given the recent US government (FCC) changes that restrict radiated energy emissions within the regulated spectrum used by GPR systems. In addition to providing the intended directional radiation properties, the magnetic antenna shield also provides an elegant solution for a low-loss wideband balun, allowing the antenna to be effectively fed from an unbalanced coaxial transmission line. Other important aspects of the proposed design are discussed in relation to the requirements for GPR antennas. Numerical models of the magnetic antenna concept show encouraging bandwidth results. For example, from a simple comparison with an equivalent sized electric bowtie antenna model, the effective gain bandwidth of the magnetic antenna is found to be at least 3-octaves compared to approximately 2-octaves for the electric bowtie. The shielded magnetic antenna achieves a gain of approximately 2 dB, compared to 5 dB for the unshielded electric bowtie antenna. However, it is noted that the magnetic antenna models contain significantly more loss compared to the electric bowtie model. The shielded MBA design emerged from a theoretical investigation of electrically small GPR antennas, given that the initial thesis objective was to investigate ways of improving low frequency GPR antennas. In general, GPR systems are operated with electric dipole antennas, such as the electric bowtie. Interestingly, the electrically small antenna investigation revealed that only the small magnetic loop (i.e., magnetic dipole) antenna can be constructed to approach, arbitrarily closely, the fundamental bandwidth limit for small antennas. This surprising and counter intuitive result is shown to be theoretically achievable with the use of magnetic materials. For the small loop antenna, energy stored within the antenna structure can be avoided by filling the antenna sphere with a perfect magnetic material. This theoretical argument is discussed and supported by numerically modelled results. The electrically small antenna investigation presented in this thesis extends to include the influence that proximity to a lossy dielectric half-space has, on improving the antenna impedance bandwidth. This investigation is of general interest for GPR; it is performed numerically and supported by measurements conducted on an experimental loop antenna situated at various heights above the ground. These results provide support for the hypothesis that a magnetic antenna may experience less influence from near-field changes in the dielectric properties of the ground compared to the equivalent sized electric field antenna.

<p>Коришћењем интердигиталног кондензатора и микроконтролера, систем за препознавање течности је имплементиран и испитан. Пермитивност течних узорака је коришћена као физичка особина на основу које се врши препознавање. Инвазивна и неинвазивна конфигурација сензора је израђена и испитана. Резултати указују на могућност развоја компактних, минијатурних уређаја за теренску употребу.</p> / <p>Korišćenjem interdigitalnog kondenzatora i mikrokontrolera, sistem za prepoznavanje tečnosti je implementiran i ispitan. Permitivnost tečnih uzoraka je korišćena kao fizička osobina na osnovu koje se vrši prepoznavanje. Invazivna i neinvazivna konfiguracija senzora je izrađena i ispitana. Rezultati ukazuju na mogućnost razvoja kompaktnih, minijaturnih uređaja za terensku upotrebu.</p> / <p>By using interdigital capacitor and a microcontroller, a system for liquid-type<br />recognition has been developed and examined. Permittivity of liquid samples<br />has been used as a physical property for recognition. Invasive and noninvasive<br />sensor configuration has been implemented and examined. Results<br />imply the possibility to develop compact, miniature, on-field devices.</p>

Объектом исследования является конструкция цилиндрической линзы Люнеберга из однородного диэлектрика. Целью работы являлась разработка способа проектирования цилиндрической линзы Люнеберга на основе однородного материала. В работе были рассмотрены различные способы задания структуры цилиндрической линзы из однородного диэлектрика, описан процесс их моделирования, проведен анализ полученных результатов. В качестве способа изготовления была выбрана 3-D печать из пластика. Получена аппроксимирующая функция, позволяющая создать цилиндрическую линзу Люнеберга с плавным изменением эффективной диэлектрической проницаемости по радиальной координате. Приведены результаты ее моделирования. / The object of the research is the construction of a cylindrical Luneberg lens from a uniform dielectric. The aim of the work was to develop ways to design a cylindrical Luneberg lens based on a homogeneous material. In this paper, various ways of setting a cylindrical lens made of a uniform dielectric, the described process of modeling them were considered, and the results were analyzed. As a method of manufacturing was chosen 3-D printing from plastic. An approximating function is obtained, which makes it possible to create a cylindrical Ludberg lens with a smooth variation of the effective dielectric constant along the radial coordinate. The results of its modeling are given.

In this work dielectric properties of the poly(ethylene-co-butyl acrylate)filled with alumina nanoparticles are evaluated. These nanocomposite materialswere manufactured at the department of Fibre and Polymer Technology,KTH.This study is limited to the properties of general importance for the AC applications.The dielectric permittivity of the nanocomposite materials wasstudied as a function of filler size, filler content, coating, temperature and airhumidity used for conditioning of the samples. The ultimate goal with thisproject is to describe the influence of material composition, temperature andair humidity on the dielectric properties and model these dependencies.In this thesis the experimental setup for voltage endurance testing of thenanocomposites, namely studying applied voltage frequency dependence ofpartial discharges in electrical trees, with a possibility of following electricaltreeing optically, was developed and described.The dielectric spectroscopy measurements were performed on thoroughly driednanocomposites - so-called dry DS study. It was shown that the experimentaldata can be fitted with Havriliak-Negami approximation, which justifiesthe correctness of the measurement results. It has been shown that addingnanoparticles to the EBA matrix changes the low frequency dispersion significantlyfor the dried samples. It was also indicated that the particle coatingused has very low impact on the resulting permittivity of the thoroughly driedsamples. From the dry DS studies it was suggested that the main cause ofthe scattering in data between the dry samples is most likely the influenceof the material inhomogeneity and possibly the moisture absorption. Thisleads to a possibility of using dielectric spectroscopy as a tool for probing thedispersion of nanoparticles in the polymer matrix.The dielectric spectroscopy measurements were also carried out on the nanocompositesconditioned in the environments with different humidity levels of air inorder to study the influence of absorbed water on the dielectric permittivity- so-called wet DS study. From the wet study it was shown that for the wetsamples the amplitude of the loss peak is defined by the filler size, filler contentand coating used; while its position in frequency domain is determinedby the coating and the humidity level used for conditioning. / QC 20110315