R&D Transverse à l’IN2P3: Montée en puissance

Print Friendly, PDF & Email

“R&D Transverse” à l’IN2P3 : montée en puissance

La direction de l’IN2P3 s’est donnée les moyens de soutenir des projets de R&D technologiques afin de lever des verrous dans les domaines de l’instrumentation, l’électronique, la mécanique, l’informatique ou tout autre axe pluridisciplinaire.

Ces projets appelés “R&D Transverses” sont proposés par des équipes d’ingénieurs et de chercheurs et sont soutenus pour une durée de 3 ans maximum. Les objectifs sont clairement définis et portent sur des problématiques instrumentales touchant plusieurs domaines scientifiques de l’IN2P3.

En 2017, ce sont cinq projets qui ont été retenus, suivit en 2018 de deux autres, traduisant une volonté forte de l’institut pour soutenir ces problématiques. Ces sept projets “R&D Transverses” sont en cours de déploiement et impliquent plusieurs laboratoires de l’IN2P3 ; jusqu’à 9 laboratoires impliqués pour “3D-METAL”.

Vous trouverez ci-dessous des informations plus détaillées sur les objectifs de chaque projet ainsi que des photos ou informations complémentaires.

Projets lancés en 2017

Projet 3D_METAL

L’objectif technique de ce projet est de pouvoir évaluer très précisément les impacts de la technologie de l’impression métallique 3D. En effet la technologie de l’impression 3D s’est largement développée dans l’industrie dans un premier temps uniquement pour des matériaux plastiques et a permis de revoir complètement les méthodes de conception.

Au sein des laboratoires de l’IN2P3, les prix des imprimantes 3D plastiques ayant fortement baissés, cette technologie est devenue accessible mais reste limité à ce type de matériau. Les imprimantes 3D métallique apparaissent sur le marché mais à des coûts très importants (entre 600 Keuros à 1 Meuros) de plus la technologie n’est pas encore mûre, les impacts sur la conception et la fabrication mécanique peuvent être considérables. Le projet 3D_METAL doit permettre cette évaluation sur deux ans afin d’avoir un retour d’expérience et permettre de faire les bons choix en termes d’investissements potentiels dans nos laboratoires.

Chef de Projet: Stéphane Jenzer (LAL)  

Laboratoires participants: LAL, LPNHE, LPSC, IPNO, IPHC, LLR, CPPM, LPCaen, LAPP


Projet CHERENKOV LAB

L'objectif de Cherenkov Lab est de développer une chaine de détection multivoies permettant de mesurer un flux absolu de particules avec une précision de 5 % et une résolution temporelle de 30 ps (sigma) (pour une particule unique). Ce détecteur a des applications en Physique des Hautes Energies (upgrade du détecteur Time Of Flight de BESS III, Tau Chann Factory en Chine), en Instrumentation pour accélérateur (mesure de luminosité) et en Imagerie Médicale (TOF PET).

La chaine de détection est constituée d'un radiateur qui produit de la lumière Cherenkov au passage des particules ; cette lumière est détectée par un photodétecteur caractérisé par une très bonne efficacité de détection, un gain élevé et une très bonne résolution temporelle . Le radiateur (et sa jonction avec le photodétecteur) doit être compatible avec une utilisation sous vide poussé (vide d' un accélérateur, 10 -12 mbar). Les photodétecteurs seront lu par un ASIC multi-voies basse consommation qui amplifiera le signal et mesurera ses caractéristiques en amplitude et en temps d'arrivée (TDC sera intégré). La gamme dynamique envisagée est de quelques 104, ce qui nécessitera l'usage en interne de 2 gains. Le single photo-electron devra pouvoir être mesuré proprement derrière un capteur d'un gain de l'ordre de 5x105. La précision de la mesure temporelle visée sera meilleure que 20 ps rms.                                             ·

Les chaines de détection permettant de compter des particules où d'en mesurer l' énergie existantes à ce jour (Diamant, quartz+ MCP-PMT, gaz+ MCP-PMT) ne sont pas compatibles avec une utilisation dans le vide. De plus, si certaines d'entre elles montrent de très bonnes résolutions temporelles (70 ps), l' électronique utilisée est soit non adaptée à une utilisation dans une expérience (oscilloscope), soit non intégrée (carte dans un châssis).

Notre projet a pour objectif de lever des verrous technologiques : intégration de radiateurs en quartz dans une bride en Inox, ASIC multivoies en AMS CMOS 0.18 µm (technologie à très bas coût), permettant une mesure de charge sur une large gamme dynamique avec une précision temporelle inférieure à 20 ps (rms), optimisation des couplages optiques afin d'atteindre des performances inégalées sur l' ensemble de la chaîne de détection.

Chef de projet: Véronique Puil (LAL)

Laboratoires participants: LAL, LPCaen, IPNO, CSNSM


Projet DAQ_GEN

Notre projet vise à fournir un système d'acquisition commun traitant les principaux points cruciaux en matière d'acquisition.

Ce projet aborde tous les éléments caractérisant un système d'acquisition à savoir l'acquisition des données, leur concaténation et leur traitement, leur transmission optimisée vers le monde informatique, la distribution temporelle précise ainsi que le slow control. Il peut également traiter des notions moins utilisées jusqu'alors mais néanmoins essentielles comme la redondance ou la surveillance automatique du bon état du système.

Il intègre plusieurs savoir-faire de l'IN2P3 au sein d'un démonstrateur unique.

Ce projet réalisé au sein du réseau DAQ permettra de fédérer et accélérer les développements où un grand nombre de voies de mesures doivent être centralisées et traitées en temps réel. Tous les développements hardware, firmware et software seront mis à disposition de la communauté IN2P3 dans le cadre du réseau DAQ.

La maîtrise d’une telle plateforme permettra aux laboratoires de l’IN2P3 de réaliser des maquettes de faisabilité avec une très grande réactivité.

Ce projet est mené en coordination avec deux autres réseaux réseaux (le réseau des informaticiens et le réseau contrôle/commande) qui envisagent d’utiliser cette plateforme de développement pour explorer de nouveaux concepts dans leur propre domaine

Chef de projet: Jean-Pierre Cachemiche (CPPM) 

Laboratoires participants: CPPM, LAL, LPCaen, LPSC, CENBG

 


Projet GAMINS

Le CSNSM, l'IMNC et l'IPNO sont trois laboratoires qui développent des dispositifs de détection de rayonnement gamma avec mesure de la position et de l’énergie de l'impact initial. Les projets cibles sont ceux de l'astronomie gamma et de la physique nucléaire pour le CSNSM et l’IPN et de l’imagerie biomédicale pour l'IMNC. Si les caractéristiques de ces imageurs dépendent évidemment de l’application visée, des besoins instrumentaux communs existent comme une résolution spatiale de l’ordre du millimètre, une faible distorsion d’image, une bonne résolution énergétique (de l’ordre de 4-5% à 662keV) et un encombrement minimal.

Le meilleur compromis instrumental entre performances spectrale et énergétique est obtenu en couplant un scintillateur inorganique continu à un détecteur de lumière pixellisé associée à une électronique multi-voies dédiée. Les photo-détecteurs actuellement les plus prometteurs pour développer des imageurs gamma haute-performances répondant aux contraintes de versatilité et de compacité sont les photomultiplicateurs multi-anodes et les SiPMs (Silicon Photomultiplier).

L'objectif de ce projet est de mettre en place une étude comparative relativement exhaustive de différentes configurations d’imageurs gamma basées sur les dernières générations de photo-détecteur et de scintillateur. Il s’agit à la fois de définir des détecteurs optimisés utilisables par nos laboratoires et plus généralement de mettre à la disposition de la communauté une base commune de connaissances et d’expertises larges sur des ensembles de détection associant scintillateur, détecteur de lumière pixellisé et électronique associée. Les méthodes numériques de reconstruction de la position d’interaction initiale font également partie intégrante de cette étude.

Chef de projet: Jean Peyré (CSNSM)

Laboratoires participants: CSNSM, IPNO, IMNC


Projet BB130

L’objectif technique de ce projet est de créer l’environnement nécessaire au partage de briques de base (building blocks) en technologie 130nm dans la communauté IN2P3. Cela permettra une plus grande mutualisation des développements réalisés dans les différentes équipes de microélectronique de l’institut.

Les besoins en termes de circuits intégrés pour la physique des hautes énergies se complexifient d’années en années, déplaçant le centre d’expertise nécessaire de la brique de base (amplificateur, comparateur), vers la conception de systèmes complets mixtes. Dans ce contexte la force de l’IN2P3 est d’avoir su constituer une solide communauté de concepteurs en microélectronique ayant pu s’imposer dans de nombreuses collaborations. Cependant deux défis se posent à l’institut.

D’une part les collaborations deviennent de plus en plus concurrentielles, le champ d’expertise nécessaire pour s’imposer dans ces collaborations s’élargissant de fait.

D’autre part les développements se complexifient de plus en plus nécessitant des ressources de plus en plus importantes pour rester compétitifs. La mutualisation de briques standard apparait alors comme une solution pour garantir la compétitivité des différents groupes de microélectronique de l’institut.

Chef de projet: Nicolas Pillet (LPC)  

Laboratoires participants: LPC, IPNL, OMEGA, LPSC


Projets lancés en 2018

Projet LoJiC-130

Pour les futurs up-grade des expériences CMS et ATLAS au CERN, la mesure de temps devient un élément déterminant qui permettra de réduire le flot de données et d’améliorer la précision spatiale du point d’interaction. Une précision de 10 ps induit une résolution spatiale de 3 mm. Pour les mêmes raisons, les développements en imagerie médicale sont aussi intéressés par la mesure de temps. Des applications basées sur une mesure de temps de vol (ToF) nécessitent également des précisions autour de 10 ps.

Des développements d’Asics tels que les versions futures de SAMPIC, ou les TDC et les ADC de dernières générations requièrent d’intégrer une horloge synchrone présentant un très faible jitter de l’ordre de l ps Rms.

L’objectif scientifique et technique de ce projet est d’étudier et de développer un générateur d’horloge synchrone de type PLL en technologie TSMC 130 nm. Cette PLL est indispensable dans le cadre de plusieurs développements d’Asic :

  • L’évolution du circuit SAMPIC (TDC à analyse de forme, basé sur un échantillonnage du signal d’entrée jusqu’à 10 Gs/s qui permet d’atteindre une résolution en temps de 5 ps Rms) est porté par le LAL dans le cadre de ces activités sur la mesure de temps à la picoseconde. Ce circuit développé dans ces premières versions en technologie AMS 180nm pourrait évoluer pour des raisons de performances et d’intégration vers une version en TSMC 130nm.
  • Le TDC CRONOTIC (LSB de 20 ps ajustable avec une résolution Rms de 1 ps hors bruit de quantification) développé à l’IPNL. Une horloge interne à 1 GHz est indispensable pour atteindre la précision souhaitée. À terme, si les performances de la PLL et du TDC sont conformes aux spécifications attendues, un Asic commun sera réalisé, avec Omega, qui inclura le Front-End analogique de Petiroc et ce TDC.
  • Un convertisseur analogique numérique (ADC) 8 bits à 2 Gs/s fait l'objet de travaux de thèse. La technologie AMS 180 nm CMOS est utilisée pour mener à bien ce développement. La contrainte liée à la génération et à la distribution de l'horloge est un point critique pour ce type d'architecture.

Ce développement est orienté vers la technologie TSMC 130 nm mais un portage vers une technologie 180 nm reste possible. L’ensemble des éléments constituant l’architecture de cette PLL sera intégré dans l’Asic (y compris le bloc VCO) pour favoriser la mise en œuvre de celle-ci dans des Asics multivoies.

La compétence acquise en 130 nm sera capitalisable et applicable pour une autre technologie.

Chef de projet: Hervé Mathez (IPNL) 

Laboratoires participants: IPNL, LAL, LPC


Projet DIAMASIC

L’objectif de ce projet impliquant le LPSC d’une part, et le LPC Caen d’autre part, est l’étude et la réalisation d’une électronique intégrée multivoies en technologie TSMC CMOS 130 nm pour la lecture de détecteurs rapides tels que les détecteurs diamants CVD. Nous envisageons la conception d’électroniques intégrées (ASIC) innovantes afin d’acquérir une expérience qui représentera un atout pour l’IN2P3 dans sa participation aux futures expériences de physique incluant la problématique de la lecture de ce type de détecteurs.

La grande mobilité des porteurs de ces détecteurs (notamment diamant) permet une collection de charges et une formation du signal rapides autorisant de forts taux de comptage ainsi que des marquages temporels très précis. Quelques soient les applications, des résolutions temporelles de quelques picosecondes sont de plus en plus recherchées. Le développement d’une telle électronique nécessite un étage de préamplificateur faible bruit et large bande passante suivi d’un discriminateur rapide.

L’étage de pré-amplification est l’élément critique de cette chaine de lecture. Les circuits NINO ou PADI présentent des limitations au niveau du signal minimum à détecter : quelques dizaines de fC dans ces deux cas, et également au niveau de la bande passante du circuit (< 500MHz), limitant la résolution à 80 ps environ. Il est actuellement difficile de couvrir l’ensemble de ces applications avec un même étage d’entrée. Une deuxième partie de cette électronique est la conception d’un convertisseur temps-numérique (TDC) afin d’avoir un étiquetage en temps des différents événements d’une résolution de 20 ps et un faible temps mort (< 10 ns). Afin d’étendre le domaine d’utilisation de ces détecteurs à la spectroscopie, nous allons aussi concevoir une mesure de la charge à des taux de comptage plus faibles. Nous proposons de réaliser cela de façon innovante en numérisant le signal le plus tôt possible dans notre chaine de lecture.

Il n’existe actuellement aucune solution intégrée proposant une architecture de mise en forme du bruit de façon numérique. Pour finir, cette électronique de lecture sera compatible avec les caractéristiques du projet DAQGEN XTCA du réseau DAQ de l’IN2P3. Le composant final étant proposé en tant que brique de base disponible dans le cadre du projet BB130.

Chef de projet: Fatah Rarbi (LPSC) 

Laboratoires participants: LPSC, LPCaen


 

Pour renseignement complémentaire n’hésitez pas à nous contacter en cliquant sur l’image

contactez nous

haut_de_page

Recherche Sujet Similaire