Thèse soutenue

La nouvelle version du système de monitorage des radiations pour l'électronique au CERN : garantie de tenue aux radiations des composants électroniques et qualification des capteurs

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Auteur / Autrice : Salvatore Danzeca
Direction : Laurent Dusseau
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Electronique
Date : Soutenance le 02/04/2015
Etablissement(s) : Montpellier
Ecole(s) doctorale(s) : Information, Structures, Systèmes (Montpellier ; École Doctorale ; 2009-2014)
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'électronique et des systèmes (Montpellier)
Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laurent Dusseau, Karine Castellani-Coulié, Laurent Bechou, Julien Mekki, Salam Charar, Jean-Roch Vaillé
Rapporteurs / Rapporteuses : Karine Castellani-Coulié, Laurent Bechou

Mots clés

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Résumé

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La mesure des niveaux de rayonnement est une exigence essentielle dans le LHC et ses lignes d'injection afin de quantifier les effets des radiations sur l'électronique et de fournir une connaissance détaillée du champ de rayonnement. Le système de surveillance des rayonnements pour l'électronique au CERN, le "RadMon '', a été installé dans les zones critiques où l'équipement est ou sera placé. Les problèmes rencontrés au cours des dernières années d'utilisation du Radmon, et la nécessité d'améliorer la précision et la résolution des mesures a conduit au lancement d'une nouvelle conception du moniteur.Ce travail décrit l'architecture du nouveau RadMon (V6), sa fiabilité dans les environnements radiatifs et de la stratégie adoptée pour choisir et qualifier les capteurs utilisés pour surveiller le champ de rayonnement mixte des accélérateurs du LHC. Les directives du CERN ont été adoptées pour qualifier les composants RadMon sous rayonnement afin de développer une nouvelle architecture à la fois plus tolérante au rayonnement et plus polyvalente que celui de la version précédente. Dans ce contexte, les défis que les tests de rayonnement imposent pour mesurer les Single Event Upsets (SEUs) sur un composant complexe à signaux mixtes tels que le convertisseur analogique-numérique, ont conduit au développement d'une technique de test innovant, qui sera décrit dans cette thèse.L'environnement radiatif complexe du LHC impose un processus de qualification particulier qui sera décrit et discuté dans ce travail pour les RadFets (capteur dose ionisante) et les mémoires SRAM (capteur de fluence High Energy Hadrons).L'utilisation du RadFet dans un champ mixte de rayonnement a été étudié et analysé au moyen de sources de 60Co et de faisceaux de protons de différentes énergies.Les RadFets ont été ré-étalonné en étudiant le débit de dose, les sources de particules, la température, la guérison thermique en fonction de l'épaisseur d'oxyde. En outre, grâce à la nouvelle architecture de la RadMon, de nouvelles configurations de polarisation ont été testées pour améliorer la résolution.Deux types de mémoires SRAM avec des nœuds technologiques de 400 et 90 nm ont été testés et calibrés en suivant une méthode de qualification stricte qui comprend des tests protons,dans la plage de 30 à 400 MeV et neutrons, depuis les énergies thermiques jusqu'à des énergies intermédiaires (~ 14 MeV). La mémoire 90 nm améliore la précision et la résolution de la mesure de la fluence hadronique. En outre, l'utilisation simultanée des deux types de mémoires améliore la précision de la détection des neutrons thermiques par rapport à la version précédente, grâce à d'une procédure qui sera détaillée dans ce travail.Les efforts en vue de l'amélioration de la résolution des mesures de TID pour le nouveau RadMon conduisent à la recherche et à l'étude d'un nouveau type de dosimètre : le dosimètre a Grille Flottante (FGDOS). Le capteur intégrant une électronique complexe, une qualification complète sous rayonnement était nécessaire. Des tests en champ mixte, des tests au 60Co et des tests au protons ont été réalisés afin d'évaluer les performances et les problèmes potentiels du capteur. Dans ce contexte, un modèle analytique du capteur a été conçu pour démontrer que la structure à Grille Flottante pouvait être utilisée comme instrument de mesure du ‘charge yield' à température ambiante et sous des champs électriques faibles.La caractérisation de la tolérance au rayonnement du matériel, le processus de qualification et les étalonnages des capteurs ont considérablement amélioré la fiabilité globale et la qualité des mesures sur la nouvelle version du RadMon. Ces améliorations font du RadMon un instrument de référence pour la surveillance des rayonnements des champs mixtes complexes, tels que ceux rencontrés dans le LHC et sa chaîne d'injecteurs, mais aussi pour d'autres centres de recherche en physique des particules, comme JLAB aux États-Unis, J-PARC au Japon.