Des recherches sont actuellement menées, en France, pour traiter spécifiquement les déchets nucléaires de haute activité à vie longue, en particulier le césium. Le confinement du césium dans des matrices hautement durables constitue l'option privilégiée. La hollandite est une matrice de choix en raison de sa bonne capacité d'accueil du césium et de son excellente durabilité chimique. Lors de cette étude, diverses compositions de céramiques hollandite BaxCsyCzTi8-zO16 (C=Al3+,Cr3+,Ga3+,Fe3+,Mg2+,Sc3+), élaborées par voie oxyde, ont été caractérisées en terme de structure, microstructure et de propriétés physico-chimiques. Les Fe-hollandites (C=Fe) semblent les plus prometteuses. La stabilité de ces céramiques sous irradiation électronique externe, simulant les irradiations βγ du césium radioactif, a aussi été évaluée, au niveau macroscopique et atomique. La création des défauts ponctuels et leur stabilité thermique ont notamment été suivies par résonance paramagnétique électronique.

Les phénomènes de charge des isolants ont été étudiés à l'aide d'un MEB (Microscope Electronique à Balayage). L'effet de la température sur ces phénomènes a été également discuté. Cette étude concernera, plus particulièrement, la mesure des courants induits sous irradiation électronique (courants de conduction et de déplacement) et la détermination du rendement d'émission électronique secondaire. Notre travail est porté en premier lieu sur des échantillons de verre à base de silice. Nous avons prouvé que l'augmentation de la température fait diminuer la capacité de charge du verre. Les résultats sont expliqués par l'augmentation de la conductivité activée par la température qui tend à réduire la formation de la charge d'espace négative grâce à l'augmentation de la mobilité de porteurs de charge. Cette explication est confirmée par une augmentation dans le courant de fuite mesuré sur le verre en fonction de la température.La seconde partie de ce travail a été consacrée à l'étude de l'effet de la température sur le comportement du polyéthylène téréphtalate (PET) irradié avec les électrons. Nous avons montré que la température joue un rôle important dans la grande rétention de la charge accumulée à cause du un phénomène de repiégeage rapide qui se produit dans le volume de l'échantillon dans le cas de la relaxation de la charge. Nos résultats indiquent que le phénomène de «flashover» a lieu aussi bien en volume qu'au niveau de la surface de l'échantillon. L'émission électronique secondaire de ce polymère devient de moins en moins faible avec l'augmentation de la température. / The charging phenomena of insulators have been studied using a SEM (Scanning Electron Microscope). The temperature effect on these phenomena was also discussed. The study will cover, in particular, the measurement of the induced currents under electron irradiation (conduction current and displacement current) and determining the secondary electron emission yield. Our work is focused primarily on silica glass samples. We have shown that increasing of the temperature decreases the capacity of the glass. The results are explained by the increase in conductivity activated by temperature, which tends to reduce the formation of the negative space charge due to the increased mobility of charge carriers. This explanation is confirmed by an increase in the conduction current measured on the glass as a function of temperature.The second part of this work was devoted to the study of the temperature effect on the behavior of polyethylene terephthalate (PET) irradiated with electrons. We have shown that temperature plays an important role in the high retention of accumulated charge due to a rapid trapping phenomenon that occurs in the bulk sample in the case of the charges relaxation. Our results indicate that the "flashover" phenomenon occurs both in bulk and to the surface of sample. The secondary electron emission of the polymer becomes less weak with increasing temperature.

Les polymères soumis à des rayonnements ionisants sont généralement irradiés en présence d'air et donc d'oxygène. Il se produit alors un phénomène de radio-oxydation conduisant à une consommation d'oxygène.<br />Le matériau étudié est un élastomère modèle de type EPDM (éthylène-propylène-1,4 hexadiène) constituant la matrice isolante de câbles de contrôle commande K1 présents dans les centrales nucléaires à eau pressurisée (REP).<br />Un dispositif spécifique a été conçu et élaboré durant cette thèse afin de mesurer de très faibles consommations d'oxygène avec une précision d'environ 10%.<br />Les rayonnements ionisants utilisés sont des électrons d'énergie 1 MeV et des ions carbone d'énergie 11 MeV par nucléon. Que ce soit lors d'irradiations aux électrons ou aux ions, l'influence de la pression d'oxygène sur la consommation d'oxygène a été étudiée dans un domaine très étendu : entre 1 et 200 mbar. Dans les deux cas, le rendement de consommation d'oxygène demeure constant entre 200 et 5 mbar puis diminue sensiblement pour les pressions plus basses. D'autre part, la consommation d'oxygène lors d'irradiations aux ions est quatre fois moindre qu'aux électrons. Ceci met en évidence le rôle de l'hétérogénéité du dépôt d'énergie à l'échelle nanométrique.<br />L'ajustement des résultats expérimentaux obtenus lors d'irradiations aux électrons avec le modèle cinétique homogène stationnaire général a permis d'extraire toutes les valeurs des paramètres cinétiques du mécanisme choisi de radio-oxydation. La connaissance de ces valeurs permettra à l'avenir de confronter nos résultats obtenus lors d'irradiations aux ions avec un modèle cinétique hétérogène pas encore développé jusqu'à présent.

Les matériaux diélectriques sont utilisés dans le domaine de l'aérospatial pour assurer la régulation thermique des engins spatiaux. Ils sont soumis à un environnement chargeant composé de rayonnements ionisants tels que les électrons ou les protons. Un stockage de ces charges se produit dans le volume du matériau et engendre des dégradations et un vieillissement prématuré amenant à une perte de fiabilité globale du système qui doit être anticipée. Le but de ce travail de thèse a été d'évaluer la densité de charges d'espace injectées au sein d'un matériau diélectrique pendant une irradiation électronique afin de recréer partiellement l'environnement radiatif auquel il peut être soumis. Pour mener à bien ce projet, nous avons utilisé un dispositif expérimental basé sur la méthode Electro-Acoustique Pulsée (PEA) couramment utilisé dans le domaine du génie électrique. Nous avons développé une électrode de mesure innovante sans contact et circulaire permettant la mesure pendant irradiation électronique car les dispositifs expérimentaux précédents ne le permettaient pas. Ce type de mesures n'avait jamais été réalisé ailleurs auparavant, ce qui un vrai apport pour ce domaine d'étude car il permet de conserver l'échantillon dans une configuration proche de son utilisation finale. L'électrode est basé sur une ligne de transmission de type microstrip. Dont les caractéristiques géométriques ont été déterminées d'une part avec le logiciel Orcad PCB Editor, mais aussi avec le logiciel COMSOL Multiphysics. La validation expérimentale a été menée et les premières mesures réalisées dans l'enceinte d'irradiation MATSPACE du laboratoire ont permis de mettre en évidence le bon fonctionnement de l'électrode et de valider les résultats de simulation obtenus précédemment. Le traitement du signal a également été adapté pour cette nouvelle configuration. Une étude a ensuite été menée avec différentes énergies cinétiques (comprises entre 50 et 100 keV) et différentes densités de flux électronique (0.5 à 2 nA/cm2) pour la phase d'irradiation suivi d'une phase de relaxation (maintien de l'échantillon sous vide) afin de suivre la dynamique des charges d'espace implantées au sein du diélectrique. La représentation par cartographie de la quantité de charges injectées en volume permet de suivre aisément l'évolution de cette dernière en fonction du temps. Ce travail de thèse a permis d'atteindre les objectifs fixés concernant la réalisation de mesures pendant une irradiation électronique. Ce dispositif de caractérisation peut également être utilisé sur des films polymères issus du domaine du génie électrique, les conditions d'irradiation étant contrôlées. Dans un futur proche, ce prototype d'électrode pourra être associé à un capteur à haute résolution spatiale développé dans l'équipe pour un système encore plus performant. / Dielectric materials are widely used in space industries to ensure the spacecrafts thermal regulation. Spacecrafts are submitted to charging environment made of ionizing rays as electrons and protons. These charges are trapped in the material bulk and cause degradations and premature ageing and a global loss of reliability which had to be anticipated. The aim of this work was to evaluate the injected space charges density in a dielectric material during an electronic irradiation in order to partially reproduce the radiative environment. To lead this study, we used an experimental set up based on Pulsed Electro Acoustic (PEA) Method commonly used in electrical engineering. We have developed a new ring and contactless excitation electrode allowing to perform measurements during an electronic irradiation because the previous experimental setups don't allow to realize measurements during an electronic irradiation. This kind of measurements are performed for the first time ever in scientific research which is a real innovation for this research field because it is possible to keep the dielectric sample under vacuum and to be near the space environment. The new electrode is based on a signal transmission line (microstrip). Its geometric characteristics have been determined with two softwares as Orcad PCB Editor and COMSOL Multiphysics. The experimental validation has been led and the first measurements are performed in the irradiation chamber called MATSPACE allowing to highlight the good working of this new electrode and to validate the simulation results previously obtained. Moreover, the signal treatment has been adapted for this new configuration. A study has been also led with several kinetic energies ( 50 to 10 keV) and with several electronic flux density ( 0.5 to 2 nA/cm2) for the irradiation step followed by a relaxation step ( the sample is kept under vacuum) in order to to follow the injection dynamic of the injected electrons in the sample bulk. The space charge cartography representation allow to easily follow the dynamic injection. This work enabled to reach the differents objectives concerning the realizatiion of the space charges measurements during an electronic irradiation. This characterization setup can be used with several dielectric material used in electrical engineering, irradiation conditions being controlled. In next futur, this electrode prototype could be coupled with a very thin piezoelectric sensor to improve the spatial resolution to lead to a high temporal and spatial measurements system.

Les matériaux diélectriques utilisés au sein des applications internes aux satellites sont soumis à des contraintes radiatives et thermiques extrêmes qui peuvent conduire à des perturbations sur l'instrumentation embarquée. Le rendement des applications électroniques diminue ainsi en raison des effets de charge et de dégradation des céramiques utilisées. Dans le but de comprendre et de prédire ces phénomènes, l'étude des mécanismes de transport de charges et de vieillissement électrique sur ces matériaux est primordiale. La démarche de cette étude a alors consisté à définir un protocole et une méthode expérimentale qui permettent d'étudier hors application, les comportements électriques et physico-chimiques sous irradiation électronique, du nitrure de bore brut et revêtu d'une couche mince d'alumine. Pour cela, une étude paramétrique a été réalisée dans l'enceinte d'irradiation CEDRE (ONERA Toulouse), afin d'évaluer l'influence de l'énergie incidente, du flux d'électrons primaires, de la température et de la dose, sur les cinétiques de charge, de relaxation et de vieillissement électrique des céramiques industrielles. Il a été démontré qu'il était possible de limiter fortement la charge de ces céramiques par l'application d'un dépôt d'alumine et par un traitement thermique adéquat. En effet, le rendement d'émission secondaire élevé de l'alumine et l'augmentation de la conductivité de surface, engendrée par le recuit, contribuent à la limitation du potentiel de surface du matériau. Des dépôts d'alumine ont ensuite été élaborés par PVD-RF puis caractérisés en chambre d'irradiation afin de cibler les paramètres d'élaboration qui permettent d'optimiser les propriétés électriques du système. Il a été montré que l'optimisation de la rugosité et de l'épaisseur des dépôts limite le potentiel de surface des matériaux. Une étude amont a été menée dans le cadre d'une collaboration internationale avec le Groupe de Physique des Matériaux de l'Université d'Etat de l'Utah (Logan, USA), afin d'étudier l'influence de la nature et de la population des pièges électroniques sur les propriétés électriques des différentes céramiques. La technique de cathodoluminescence a été utilisée et a ainsi permis d'expliquer la différence de conductivité apparente entre les matériaux bruts, revêtus et recuits. Une nouvelle méthode de mesure de potentiel de charge sous irradiation continue (méthode REPA) a été mise au point puis validée. Des mécanismes de décharge partielle ont été identifiés en surface des échantillons recuits grâce au dispositif optimisé qui a été développé. Une étude de dégradation accélérée des matériaux a ensuite été réalisée en laboratoire dans le but de reproduire la détérioration observée en orbite sur le long terme. Il a été déterminé que la charge des matériaux revêtus et recuits s'amorce après avoir reçu une dose ionisante critique. Des caractérisations physico-chimiques ont donc été effectuées au CIRIMAT afin d'étudier l'évolution des propriétés structurales et chimiques des céramiques. Cette évolution a été corrélée à celle des propriétés électriques après détérioration sous irradiation électronique critique. Les mécanismes de contamination et de détérioration des dépôts de céramiques, responsables de leur vieillissement électrique, ont été mis en évidence. Enfin, ces caractérisations expérimentales approfondies ont servi de base au développement d'un modèle physique qui rend compte des différents mécanismes mis en jeu sur les céramiques et dépôts irradiés. / Dielectric materials used on satellites are subject to radiative and thermal extreme stresses which may lead to disturbances on board instrumentation. The application efficiency can then decrease significantly due to charging and aging effects of used ceramics. With the aim to understand and predict these phenomena, the mechanisms investigation of charges transport and electrical aging on these ceramics is of high importance. The scientific approach of this study was to define a protocol and an experimental method which allows characterising the electrical and physico-chemical behaviours of raw boron nitride and coated with a thin coating of alumina. For this purpose, a parametric study was performed in the irradiation chamber, named CEDRE (at ONERA Toulouse) in order to assess the influence of some parameters such as, incident energy, primary electron flux, temperature, ionising dose, on charging, relaxation and electrical aging kinetics of these industrial ceramics. This study demonstrated that it is possible to greatly limit the dielectrics charging thanks to the use of a ceramic coating and suitable annealing thermal treatment. Indeed, the high secondary electron emission of alumina and the increase of surface conductivity generated by the annealing thermal treatment partly govern the low surface potential of coated boron nitride. Some alumina coating were subsequently elaborated through PVD-RF and then characterised in the irradiation chamber in order to identify the preparation parameters which allow optimising the electrical properties of system. It was shown that the optimisation of the roughness and the coating thickness limits the surface potential of ceramics. An experimental study was conducted in the frame of an international collaboration with the Materials Physics Group of the Utah State University (Logan, USA), in order to investigate the influence of nature and densities of electron defects on the electrical properties of different ceramics. The cathodoluminescence method was used and brought to light the origin of total conductivity difference between materials, raw, coated and annealed. A new method to measure the surface potential under continuous electron irradiation was developed and then validated. A partial discharges mechanism was identified on surface of annealed samples with this optimised device. Ageing processes of the irradiated materials was also studied in the irradiation chamber to reproduce the observed degradation in orbit over the long time. It was demonstrated that the charging of annealed coated materials is noticeable when the sample receive a critical ionising dose. Several physico-chemical characterisations were thus performed at CIRIMAT in order to study the evolution of structural and chemical properties of ceramics. This evolution was correlated with that of electrical properties after deterioration under critical electron irradiation. The contamination and deterioration mechanisms of coated ceramics are responsible of the electrical aging observed experimentally. Finally, these thorough experimental characterisations allowed the development of physical model for the description of the different mechanisms involved on irradiated ceramics and coating.

Comprendre et modéliser le comportement des matériaux sous irradiation électronique est un enjeu important pour l’industrie spatiale. La fiabilité des satellites nécessite de maîtriser et prédire les potentiels de surface s'établissant sur les diélectriques. Ce travail de doctorat a donc pour objectif de caractériser et de modéliser les différents mécanismes physiques (en surface et en volume) gouvernant le potentiel de charges dans les matériaux polymères spatiaux tels que le Téflon® FEP et le Kapton® HN. La mise au point d'un nouveau dispositif et d'un protocole expérimental a permis de corroborer l'existence d’une conductivité latérale des charges, souvent négligée dans les modèles physiques et numériques. Les études paramétriques, révélant l’influence de l’énergie et le flux des électrons incidents, ont permis de brosser un portrait des processus mis en jeu pour le transport (par saut ou par piégeage/dépiégeage) de charges en surface. A la lumière de cette étude, une conductivité équivalente est extraite, assimilant le matériau à un système prenant en compte les mécanismes de transport volumique et surfacique. L'analyse des évolutions non-monotones de potentiel mesurées sur les polymères spatiaux en condition spatiale a permis de révéler une dépendance de la conductivité volumique induite sous irradiation avec la dose reçue. L'étude paramétrique réalisée sur les mécanismes de transport en volume révèle une influence minoritaire du déplacement du barycentre de charges et du vieillissement physicochimique. Un modèle «0D» à un seul niveau de pièges, prenant en compte les mécanismes de piégeage/dépiégeage et recombinaison entre les porteurs de charges, a été développé. Ce modèle simplifié permet de reproduire qualitativement les évolutions de potentiel expérimentales en fonction du débit de dose et lors d'irradiations successives. / Charging behaviours of space dielectric materials, under electron beam irradiation, is of special interest for future spacecraft needs, since this mechanism could induce electrostatic discharges and consequently damages on the sensitive systems on board. In order to assess the risks of charging and discharging, this work aims at understanding the overall charge transport mechanisms and predicting the electrical behaviour of the insulator materials, especially Teflon® FEP and Kapton® HN. For an optimized prediction, the first part of our work is thus to check whether lateral conduction process can take place in the overall charge transport mechanism. Through the definition of a new experimental set-up and protocol, we have been able to discriminate between lateral and bulk conductivity and to reveal the presence of lateral conductivity that is enhanced by radiation ionization processes. We have been able to demonstrate as well that lateral intrinsic conductivity is enhanced with the increase current density and when approaching the sample surface. The second part of our work deals with the characterization of the electrical charging behaviour of Teflon® FEP under multi-energetic electron beam irradiation and the modelling of the overall bulk charge transport mechanisms. An experimental study on charge potential evolution as a function of electron spectrum, electric field, relaxation time, dose and dose rate, was performed. A numerical model has been developed to describe the effect of the different abovementioned mechanisms on the evolution of the surface potential. This model agrees correctly with the experimental phenomenology at qualitative level and therefore allows understanding the physical mechanisms steering charge transport in Teflon® and Kapton®.