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

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, LPC­Caen, LAPP

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

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

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

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

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

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, LPC­Caen