Ma thèse

Ma thèse s'est déroulée au CERN (Centre Européen pour la Recherche Nucléaire) avec un contrat "Doctoral Student" de 36 mois. J'était affecté à la section AT-ACR-IN qui s'occupe de l'instrumentation cryogénique du collisionneur de particules LHC. Pour en savoir plus, vous pouvez vous rendre sur le site du CERN, cette page présentant le LHC (en anglais), ou me contacter directement.

Résumé en francais:

Etude et modélisation du comportement du FPGA A54SX72A d’Actel
en milieu radiatif et à températures contrôlées
-
Application a l’environnement du LHC

Le futur accélérateur de particules du CERN (LHC) produira des collisions de protons d’énergie 14 TeV (14.1012 eV) dans le centre de masse. La trajectoire des faisceaux le long des 27 Km de l’anneau du LHC est assurée par des aimants dipôles et quadripôles supraconducteurs. Les bobines des dipôles sont formées de filaments de Nb-Ti refroidis à une température de 1,9 K et fournissent un champ magnétique nominal de 8,65 T. Le contrôle du système cryogénique, comme la mesure de températures et de pressions, est assurée par des capteurs cryogéniques résistifs placés à l’intérieur des aimants. Certains de ces capteurs seront alimentés par des courants n’excédant pas 1μA. C’est pourquoi les tensions de sortie sont très faibles et l’électronique de lecture doit être placée très proche des capteurs.

Les cartes électroniques d’acquisition sont ainsi disposées sous certains dipôles. Le composant numérique principal embarqué sur les cartes est un circuit FPGA. Il s’agit d’un circuit intégré (CI) de type FPGA A54SX72A de la firme Actel (technologie CMOS), dont l’objectif est d’analyser et filtrer les signaux. En fonction de leur position le long des 27 Km de l’anneau de l’accélérateur, les cartes électronique seront exposées à des milieux plus ou moins irradiés. De plus, en fonction de leur environnement, (c-à-d autres appareils dans le tunnel), les cartes fonctionneront à différentes températures.

Les résultats de tests d’irradiations dans la littérature ne prennent pas en compte l’effet de la température pour décrire le comportement des CI. Le principal objectif de ma thèse est de modéliser ce comportement en prenant en compte à la fois la température et la quantité d’irradiations. Ces 2 paramètres font l’objet de mesures temps réel lors des tests. Le comportement est modélisé d’une part par le courant électrique de consommation des CI, et d’autre part par le taux d’erreurs logiques TTL. Le modèle proposé est empirique et est construit de manière à reproduire les mesures et leurs corrélations.

Une première campagne de tests est effectuée à l’aide d’un faisceau de rayons X, qui permet d’étudier les effets de dose dans le dioxyde de silicium. La deuxième série de tests, réalisée avec un faisceau de protons, permet l’étude de la section efficace des événements singuliers dans le CI, en fonction de la dose et de la température. Les résultats de ces études permettent de construire un modèle capable de prédire le comportement des CI des cartes électroniques quelle que soit leur position dans le tunnel. Il est alors possible de proposer un plan de maintenance du système de lecture afin de minimiser le nombre de pannes inattendues, parfois dans des conditions critiques.

Le modèle est caractérisé par une équation qui décrit le temps de fonctionnement du circuit en fonction de la température et du débit de dose pour l’irradiation aux rayons X, donc uniquement pour l’effet de dose. L’équation est:

avec le temps de fonctionnement exprimé en heures, T la température en °C et D le débit de dose en rad(SiO2)/s.

L’équivalence avec les protons a été déterminée par des mesures à l’Institut Paul Scherrer en Suisse, avec un faisceau de protons d’énergie 63 MeV. Les protons provoquent un comportement des CI similaire à celui observé avec les rayons X, cependant avec des doses équivalentes environ 8 fois plus faibles. Une extrapolation du modèle des rayons X, avec le facteur 8, aux débits de dose attendus dans le tunnel du LHC, prévoit une tenue aux radiations de 5 ans avant l’apparition de pannes fonctionnelles, dans les pires conditions prédites par des environnements de simulation de particules.

Vous pouvez télécharger la thèse au format pdf: