FR1464761A - Appareil destiné à l'étude des conditions de production de micro-claquages dans un isolant quelconque - Google Patents

Description

Appareil destiné à l'étude des conditions de production de inicro-claquages dans un isolant quelconque.

La présente invention concerne un appareil consistant en un montage électronique, permettant l'étude des conditions de production de micro-cla- quages dans un isolant quelconque.

On sait que la conductivité d'un matériau est déterminée par l'énergie nécessaire pour y faire circuler un courant électrique
Du point de vue physique, ce courant correspond au passage d'électrons de la bande de valence à la bande conduction, ces deux bandes étant séparées par une bande interdite, et, si cette bande interdite est large, le matériau est un bon isolant tandis que, si elle est étroite, le matériau est un mauvais isolant (ou bon conducteur). Meilleur est l'isolant, plus l'énergie nécessaire pour franchir la bande interdite est grande; dans le cas limite, cette énergie devrait être tellement importante que le matériau est détruit avant d'être rendu conducteur; on dit alors qu'il y a claquage.

En plus du transport de particules de la bande de valence à la bande de conduction, les matériaux isolants sont soumis, dans les conditions réelles, à un phénomène de conduction qui dépend de l'état mécanique de leurs surfaces, de leur état de propreté et surtout de l'état hygrométrique du milieu ambiant: beaucoup d'isolants sont utilisés dans des locaux climatisés où règne un taux d'humidité de plus de 90 Vo et il suffit même, dans une atmosphère de faible degré hygrométrique, de souffler sur un isolant qui, pourtant, n'est soumis qu'à une faible tension électrique bien inférieure à la tension de claquage, pour observer des micro-claquages dus à l'humidité du souffle et qui subsistent tant que la surface de l'isolant n'a pas recouvré son état hygrométrique initial. On constate, de plus, dans les matériaux isolants soumis à une tension électrique, la production de micro-claquages dus à l'état granulaire de ces matériaux. Ces micro-claquages, qui sont en parfait accord avec la théorie, sont d'autant plus importants que l'homogénéité du matériau isolant est moins bonne. On observe d'importantes impulsions de courant sans qu'il y ait toutefois destruction de l'isolant.

La présente invention concerne un appareil permettant l'étude des conditions de production de tels micro-claquages dans un matériau isolant quelconque et convient, en particulier, sx prises THT utilisées en électronique nucléaire.

De façon plus précise, la présente invention concerne un appareil consistant en un montage élec- tronique permettant de fixer, pour un matériau isolant quelconque soumis à une tension électrique, la tension qui correspond aux micro-claquages, ce montage comprenant essentiellement, disposés en série, un préamplificateur de charge branché sur le matériau isolant et qui fournit une tension de sortie fonction du courant résultant d'un micro-claquage survenu dans ce matériau isolant, un amplificateur de tension, un diviseur potentiométrique branché sur la sortie de cet amplificateur et jouant le rôle de discriminateur, et un monostable de mise en forme relié, à son entrée, à ce diviseur potentiométrique et auquel sont associés deux étages de sortie, l'un pour l'attaque d'un compteur et l'autre qui joue le rôle d'intégrateur.

L'amplificateur de tension est, par exemple, constitué par un doublet suivi d'un étage émetteurfollower.

Le monstable de mise en forme est avantageusement constitué par deux transistors, la base du transistor d'entrée étant légèrement polarisée en inverse de manière que le monostable ne soit pas déclenché par le bruit de fond de l'amplificateur. Au transistor de sortie sont associés deux étages de sortie émetteur-follower, l'un pour l'attaque d'un compteur, l'autre qui joue le rôle d'intégrateur, un micro, ampèremètre shunté par une.capacité de forte valeur étant inséré dans le circuit de l'émetteur de ce transistor.

D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description qui va suivre faite en regard des dessins annexés et donnant, à titre explicatif mais nullement limitatif, une forme de réalisation de l'appareil selon I'inven
tion.

Sur ces desins
La figure 1 est mi schéma de principe de l'appa reil selon l'invention; et
La figure 2- est un schéma plus clétaillé du préamplificateur seul.

L'observation des micro-claquages ne peut consister qu'en - une- observation- de décharge électro-
nique, étant donné que le courant inverse, beaucoup
plus lent du fait de l'inertie des ions et de leur vitesse de déplacement assez faible, est assimilable
à un eourant continu dès que le nombre de micro
cIaquages est assez important.

La figure 1 qui représente schématiquement l'en-
semble de l'appareil selon l'invention, montre, dis
posés en série à partir de L'isolant étudié (réfé
rence 1), un condensateur d'entrée C1, un préampli-
ficateur de charge 2, un amplificateur de tension
constitué par un doublet 3 suivi d'un étage émetteur
folIower 4 un monostable 5 de mise en forme
auquel sont associés deux étages de sortie, l'un
pour l'attaque d'un compteur (flèche F), et fautre
(6) qui joue Ie rôle d'intégrateur.

L'élément essentieI du montage électronique est
le préamplificateur de charge 2 représenté de façon
plus détaillée sur la figure 2.

L'isolant 1,- dont on étudie les micro-claquages,
est relié au préamplificateur 2 par l'intermédiaire
d'un condensateur C1. Un condensateur C et une
résistance R assez élevée, destinée à augmenter la
largeur des impulsions, sont connectés en parallèle
entre l'entrée et la sortie du préamplificateur 2 qui
délivre une tension de sortie V,.

Un micro-claquage produit, dans l'isolant I étu-
dié, une variation AQ - de la charge de cet isolant.

II est à noter que la mesure effectuée est indépendante- de la capacité propre-ment dite de l'iso-
Iant I (et, par suite, indépendante de Ia forme de ce dernier) et que ee qui intéresse le préamplifica-
teur de charge, c'est uniquement la variation de
charge AQ.

L'isolant 1 étudié se comporte ainsi comme un
générateur de charge, et la charge AQ résultant
d'un micro-claquage arrive à l'entrée du préamplifi
cateur puis traverse son condensateur C2.

La tension V délivrée à la sortie a donc pour valeur
Vs = #Q
C2 et l'on voit ainsi qu'il y & intérêt à choisir un
condensateur C2 de capacité le plus faible possible,
afin de donner à V, la plus forte valeur possibie.

Par exemple, C est choisi avec une capacité de
6,8 pR.

Le préamplificateur 2 est suivi d'un amplificateur
de tension 3 constitué par un doublet suivi d'un
étage émetteur-follower A.

Le gain du préamplificateur de charge ne peut
être défini par une valeur numérique, car ce pré
amplificateur est un convertisseur eharge-tension.

Le bruit de sortie de l'amplificateur est, par
exemple, de 500 mV-crête à crête, ce qui corres-
pond à une variation de charge parasite de 0,5.-O-f
coulomb et Ia tension - maximum de sortie de l'am
plificateur est par exempIe de 15 volts. Une impul
sion de 1 volt est ainsi nettement au-des.sus du
bruit de sortie.

Le demandeur a vérifié par des essais d'attaque
en tension après le préamplificateur de charge 2 que
la tension de sortie varie linéairement en fonction
de la charge d'entrée (1 volt pour 10-14 coulomb,
2 volts pour 2.10-4 coulomb, etc.

L'entrée du monostable de mise en forme 5 est
reliée au point médian d'un diviseur potentiomé
trique 7 branché sur la sortie de l'amplificateur 3,4.

La sensibilité du monostable 5 étant constante, ce
diviseur joue le roule d'un discriminateur d ampli-
tude. Le monostable 5 utilisé est avantageusement
à transistors, et, eomme signalé plus haut, Ia base
du transistor d'entrée est légèrement polarisée en
inverse pour que le bruit de fond de l'amplificateur
ne déclenche pas le monostable. Ce bruit de fond
étant, dans le- cas présent, de 500 mV, le monostable
est calculé pour ne se déclencheur qu'à partir dyim-
pulsions de 700 mV. A ce monostable sont associés
deux étages de sortie émetteur-folletwer l'un pour
l'attaque d'une compteur F constitué par exemple
par une cascade de bistables ou échelle de 2n),
l'autre (6) qui joue le rôle d'intégrateur, un micro
ampèremètre (non teprésenté) shunté par une capa
cité de valeur élevée étant placé dans le circuit
de l'émetteur du transistor de sortie du monostable.

Pour que ce mieroampèremètre ait une déviation
raisonnable (ni trop forte, ni trop faible) quel que
soit le nombre d'impulsions, le monostable 5 est doté
de trois capacités différentes qui lui permettent de
délivrer des signaux rectangulaires (créneaux) ayant
respectivement 500 ps, 50 ps et 5,as de largeur et
6 volts d'amplitude.

Le montage selon l'invention est réalisé sur deux
plaquettes simples: la première pour Ie préampli
fixateur de charge et l'amplificateur de tension,
le deuxième pour le circuit de mise en forme et ses
dépendances.

Derrière ees deux plaquettes est placé le bloc
d'alimentation continue (24 V) -
La face avant de l'appareil comporte les deux fiches de mesure, l'entrée THT, l'iiidicateur de courant, le potentiomètre de réglage du seuil, le com- mutateur de réglage de la largeur des créneaux délivrés par le monostable, et enfin un interrupteur marche-arrêt secteur ct un voyant lumineux 24 V.

Il est à noter que la disposition des éléments sur les plaquettes (plus particulièrement pour la plaquette préamplificateur de eharge-amplifieateur) détermine partiellement les possibilités du montage.

C'est ainsi que les transistors ayant leurs collecteurs au boîtier, il convient de ne pas trop les rapprocher pour éviter les couplages parasites. En outre, le blindage de l'entrée doit être particulièrement soigné, car le conducteur d'entrée forme une antenne très sensible aux parasites industriels et au signal de sortie du montage, ce qui risque de provoquer des oscillations.

Le principe général de l'utilisation de l'appareil selon l'invention est le suivant
1 La tension de sortie de l'amplificateur 3,4 est fonction de la charge qui traverse l'isolant 1 étudié au cours de micro-claquages, charge qui est envoyée dans le préamplificateur de charge (par exemple, une impulsion d'amplitude 1 volt à la sortie de 4 correspondra à 10-14 coulomb fourni par l'isolant 1);
20 A cette impulsion dont l'amplitude est variable, le monostable 5 fait correspondre une impulsion calibrée en amplitude et en largeur (la correspon- dance dépend du réglage de ce potentiomètre);
3 Enfin, le mieroampèremètre indique un nombre de microampères qui est fonction du nombre moyen d'impulsions par unité de temps (la correspondance dépend du type de signaux) émis par le monostable : 500 ys, 50 s ou 5 ,as.

Donc, en définitive, la lecture faite sur le microampèremètre fait connaître, par un calcul simple, la charge traversant par seconde l'isolant au cours de micro-claquages, c'est-à-dire le courant.

Le potentiomètre.discriminateur 7 peut être réglé à 1 volt, alors le monostable fournira une impulsion calibrée en amplitude et en durée chaque fois qu'une impulsion d'amplitude supérieure à 1 volt sera délivrée par l'amplificateur; s'il est réglé à
10 V, le monostable fournira une impulsion calilrée
en amplitude et en durée chaque fois qu'ulve impulsion d'amplitude supérieure à 10 V sera délivrée par l'amplificateur; donc, si l'amplificateur utilisé fait corespondre 1 volt à 10-14 coulomb, on aura à la sortie du discriminateur 7 les corespondances suivantes:
a. Pour liii discriminateur réglé à 1 volt : 1 im pujsioii polir 10-14 coulonîl)
h. Pour un discriminateur réglé à 10 volts
1 impulsion pour 10.10-14 coulomb.

Quant au microampèremètre, il assure par exemple la correspondance suivante dans le cas de cré
neaux de 500 ys:
10 A pour 0,1 impulsion calibrée arrivant eu moyenne par seconde;
17,5 ,aA pour 0,2 impulsion calibrée arrivant en moyenne par seconde;
30 1îA pour 0,5 impulsion calibrée arrivant en moyenne par seconde;
40 A pour 1 impulsion calibrée arrivant en moyenne par seconde;
50 A pour 5 impulsions calibrées arrivant en moyenne par seconde.

Pour des créneaux de 50 ou de 5 its, e'est-à-dire de largeur 10 ou 100 fois plus faible, les mêmes indications du microampèremètre correspondent à des fréquences 10 ou 100 fois plus fortes.

Pal exemple, pour des urinaux de a ils, à un courant de 50 A corespondent 500 impulsions arrivant en moyenne par seconde; pour des créneaux de 500 s, à un courant de 30 ' < A correspondent 5 impulsions arrivant en moyenne par seconde, etc.

On déduit donc aisément de la lecture faite sur le microampèremètre la charge traversant l'isolant 1.

C'est ainsi, par exemple, que, d'après les correspondances indiquées ci-dessus, on obtient les résultats suivant:
a. Pour un potentiomètre discriminateur 7 réglé à 1 volt et des créneaux de 500 s, la lecture 40 A sur le microampèremètre indique que 1 fois par seconde en moyenne une charge supérieure à 10-14 coulomb est libérée dans l'isolant;
b. Pour un potentiomètre réglé à 10 volts et des créneaux de 50 ps, la lecture 30 A indique que 5 fois par seconde en moyenne une charge supérieure à 10-13 coulomb est libérée dans l'isolant;
c. Pour un potentiomètre réglé à 15 volts, et des créneaux de 5 s. la lecture 50 A indique 500 fois par seconde en moyenne une charge supérieure à 1,5 10-13 coulomb est libérée dans l'isolant.

Il va de soi que la présente invention a été décrite ci-dessus de façon explicative mais nullement limitative et que l'on ponrra y apporter toutes modificaLions de détail sans sortir de son cadre.

RÉSUMÉ
Appareil consistant en un montage électronique permettant de fixer, pour un matériau isolant quelconque soumis à une tension électrique, la tension qui correspond aux micro-claquages, ce montage étant caractérisé par les points suivants pris sépa rément ou en toutes combinaisons
1 Il comprend, disposés en série, un préainplifi- cateur de charge branché siir le matériau isolant et qui fournit une tension de sortie fonction du courant résultant d'un micro-claquage survenu dans ce matériau isolant, un amplificateur de tension, un diviseur potentiométrique branché sur la sortie de cet amplificateur et jouant le rôle de discriminateur,

**ATTENTION** fin du champ DESC peut contenir debut de CLMS **.

Claims (11)

**ATTENTION** debut du champ CLMS peut contenir fin de DESC **. fiches de mesure, l'entrée THT, l'iiidicateur de courant, le potentiomètre de réglage du seuil, le com- mutateur de réglage de la largeur des créneaux délivrés par le monostable, et enfin un interrupteur marche-arrêt secteur ct un voyant lumineux 24 V. Il est à noter que la disposition des éléments sur les plaquettes (plus particulièrement pour la plaquette préamplificateur de eharge-amplifieateur) détermine partiellement les possibilités du montage. C'est ainsi que les transistors ayant leurs collecteurs au boîtier, il convient de ne pas trop les rapprocher pour éviter les couplages parasites. En outre, le blindage de l'entrée doit être particulièrement soigné, car le conducteur d'entrée forme une antenne très sensible aux parasites industriels et au signal de sortie du montage, ce qui risque de provoquer des oscillations. Le principe général de l'utilisation de l'appareil selon l'invention est le suivant

1 La tension de sortie de l'amplificateur 3,4 est fonction de la charge qui traverse l'isolant 1 étudié au cours de micro-claquages, charge qui est envoyée dans le préamplificateur de charge (par exemple, une impulsion d'amplitude 1 volt à la sortie de 4 correspondra à 10-14 coulomb fourni par l'isolant 1);

20 A cette impulsion dont l'amplitude est variable, le monostable 5 fait correspondre une impulsion calibrée en amplitude et en largeur (la correspon- dance dépend du réglage de ce potentiomètre);

3 Enfin, le mieroampèremètre indique un nombre de microampères qui est fonction du nombre moyen d'impulsions par unité de temps (la correspondance dépend du type de signaux) émis par le monostable : 500 ys, 50 s ou 5 ,as.

Donc, en définitive, la lecture faite sur le microampèremètre fait connaître, par un calcul simple, la charge traversant par seconde l'isolant au cours de micro-claquages, c'est-à-dire le courant.

Le potentiomètre.discriminateur 7 peut être réglé à 1 volt, alors le monostable fournira une impulsion calibrée en amplitude et en durée chaque fois qu'une impulsion d'amplitude supérieure à 1 volt sera délivrée par l'amplificateur; s'il est réglé à

10 V, le monostable fournira une impulsion calilrée

en amplitude et en durée chaque fois qu'ulve impulsion d'amplitude supérieure à 10 V sera délivrée par l'amplificateur; donc, si l'amplificateur utilisé fait corespondre 1 volt à 10-14 coulomb, on aura à la sortie du discriminateur 7 les corespondances suivantes:

a. Pour liii discriminateur réglé à 1 volt : 1 im pujsioii polir 10-14 coulonîl)

h. Pour un discriminateur réglé à 10 volts

1 impulsion pour 10.10-14 coulomb.

Quant au microampèremètre, il assure par exemple la correspondance suivante dans le cas de cré

neaux de 500 ys:

10 A pour 0,1 impulsion calibrée arrivant eu moyenne par seconde;

17,5 ,aA pour 0,2 impulsion calibrée arrivant en moyenne par seconde;

30 1îA pour 0,5 impulsion calibrée arrivant en moyenne par seconde;

40 A pour 1 impulsion calibrée arrivant en moyenne par seconde;

50 A pour 5 impulsions calibrées arrivant en moyenne par seconde.

Pour des créneaux de 50 ou de 5 its, e'est-à-dire de largeur 10 ou 100 fois plus faible, les mêmes indications du microampèremètre correspondent à des fréquences 10 ou 100 fois plus fortes.

Pal exemple, pour des urinaux de a ils, à un courant de 50 A corespondent 500 impulsions arrivant en moyenne par seconde; pour des créneaux de 500 s, à un courant de 30 ' < A correspondent 5 impulsions arrivant en moyenne par seconde, etc.

On déduit donc aisément de la lecture faite sur le microampèremètre la charge traversant l'isolant 1.

C'est ainsi, par exemple, que, d'après les correspondances indiquées ci-dessus, on obtient les résultats suivant:

a. Pour un potentiomètre discriminateur 7 réglé à 1 volt et des créneaux de 500 s, la lecture 40 A sur le microampèremètre indique que 1 fois par seconde en moyenne une charge supérieure à 10-14 coulomb est libérée dans l'isolant;

b. Pour un potentiomètre réglé à 10 volts et des créneaux de 50 ps, la lecture 30 A indique que 5 fois par seconde en moyenne une charge supérieure à 10-13 coulomb est libérée dans l'isolant;

c. Pour un potentiomètre réglé à 15 volts, et des créneaux de 5 s. la lecture 50 A indique 500 fois par seconde en moyenne une charge supérieure à 1,5 10-13 coulomb est libérée dans l'isolant.

Il va de soi que la présente invention a été décrite ci-dessus de façon explicative mais nullement limitative et que l'on ponrra y apporter toutes modificaLions de détail sans sortir de son cadre.

RÉSUMÉ

Appareil consistant en un montage électronique permettant de fixer, pour un matériau isolant quelconque soumis à une tension électrique, la tension qui correspond aux micro-claquages, ce montage étant caractérisé par les points suivants pris sépa rément ou en toutes combinaisons

1 Il comprend, disposés en série, un préainplifi- cateur de charge branché siir le matériau isolant et qui fournit une tension de sortie fonction du courant résultant d'un micro-claquage survenu dans ce matériau isolant, un amplificateur de tension, un diviseur potentiométrique branché sur la sortie de cet amplificateur et jouant le rôle de discriminateur, et un monostable de mise en forme relié, à son entrée, à ce diviseur potentiométrique et auquel sont associés deux étages de sortie, l'un pour l'attaque d'un compteur et l'autre qui joue le rôle d'intégrateur;

20 L'amplificateur de tension est un doublet suivi d'un étage émetteur-follower;

3 Le monostable est constitué par deux tran sistors;

4 La base du transistor d'entrée de ce monostable est légèrement polarisée en inverse;

5 Au transistor de sortie de ce monostable sont associés deux étages de sortie émetteur-follower, l'un pour l'attaque d'un compteur, l'autre qui joue le rôle d'intégrateur;

60 Un microampèremètre shunté par une capacité de forte valeur est inséré dans le circuit de l'émetteur du transistor de sortie de ce monostable.