Development of Test Methods for the Qualification of Electronic Components and Systems Adapted to High-Energy Accelerator Radiation Environments

par Rudy Ferraro

Thèse de doctorat en Systèmes automatiques et micro-électroniques

Sous la direction de Luigi Dilillo.

Soutenue le 05-12-2019

à Montpellier , dans le cadre de École Doctorale Information, Structures, Systèmes (Montpellier ; 2015) , en partenariat avec Département Microélectronique (équipe de recherche) et de Laboratoire d'informatique, de robotique et de micro-électronique (Montpellier ; 199.-....) (laboratoire) .

Le président du jury était Frédéric Saigné.

Le jury était composé de Luigi Dilillo, Frédéric Saigné, Jean-Luc Autran, Lucas Sterpone, Lionel Torres, Alessandro Paccagnella.

Les rapporteurs étaient Jean-Luc Autran, Lucas Sterpone.

  • Titre traduit

    Développement de méthodes de tests pour la qualification de composants et de systèmes électroniques adaptés aux environnements de rayonnement des accélérateurs à haute énergie


  • Résumé

    Le Grand collisionneur de hadrons (LHC), le plus grand et le plus puissant au monde, a démarré en 2008 et constitue la dernière étape du complexe des accélérateurs du CERN. Le LHC consiste en un anneau de 27 kilomètres d'aimants supraconducteurs permettant d'accélérer deux faisceaux jusqu'à 7 TeV avant de les faire entrer en collision à 14 TeV dans l'une des cinq expériences de contrôle du résultat de la collision. Le LHC a notamment permis la découverte du boson de Higgs et d'autres particules baryoniques prédites par le modèle standard. L'environnement de rayonnement du LHC et de ses lignes d'injection est composé de différentes particules sur un large spectre d'énergies, du niveau GeV jusqu'au niveau meV (par exemple le neutron thermique). L'équipement électronique fonctionnant dans un environnement de rayonnement aussi rude, principalement basé sur des composants commerciaux prêts à l'emploi (COTS), peut subir des défaillances induites par des effets de rayonnement. La criticité de l'équipement peut être très élevée, dans le meilleur des cas, la défaillance d'un système de contrôle peut conduire à une chute du faisceau, ce qui peut drastiquement rendre le faisceau disponible pour la science et dans le pire des cas, la défaillance d'un système de sécurité peut conduire à la destruction d'une partie de la machine. La nouvelle mise à niveau du LHC prévue pour 2025, le LHC à haute luminosité (HL-LHC) atteindra une luminosité annuelle cinq fois supérieure à celle de la version actuelle du LHC. Par conséquent, les niveaux de rayonnement générés par le fonctionnement de la machine vont également augmenter considérablement. Avec des niveaux de rayonnement aussi élevés, un nombre important de systèmes commerciaux seront exposés à des niveaux de rayonnement auxquels ils ne peuvent résister. Cela impliquera soit de concevoir des systèmes plus robustes et tolérants à base de COTS, soit de remplacer préventivement les systèmes avant leur fin de vie utile. Ainsi, alors qu'au cours des années précédentes, les effets singuliers (EEI) étaient la principale cause de défaillance, à l'avenir, l'effet cumulatif du rayonnement deviendra également une préoccupation majeure. Bien qu'un effort considérable ait été fait dans le passé sur le processus de qualification contre les défaillances induites par les SEE, le processus de qualification pour les effets cumulatifs du rayonnement est resté pratiquement inchangé. L'objectif de ces travaux était donc d'étudier comment la Radiation Hardness Assurance (RHA) du CERN pourrait être améliorée pour répondre à ce nouveau défi et s'assurer qu'aucune défaillance de système n'aura d'impact sur les opérations du LHC. Plusieurs activités ont été menées à cet effet : (i) l'étude des particularités de l'environnement radiatif du LHC et de son impact sur les composants et les systèmes qui y sont exposés, (ii) l'étude de l'adéquation des méthodes de qualification actuelles et le développement d'approches adaptées aux besoins du CERN et (iii) l'étude des méthodes fiables pour estimer la durée de vie des systèmes.


  • Résumé

    The Large Hadron Collider (LHC), the largest and most powerful in the world, started in 2008 and is the last stage of CERN's accelerator complex. The LHC consists in a 27-kilometer ring of superconducting magnets allowing to accelerate two beams up to 7 TeV before colliding them at 14 TeV in one of the five experiments monitoring the result of the collision. The LHC allowed notably the discovery of the Higgs boson and other baryonic particles predicted by the standard model. The radiation environment of the LHC and its injection lines is composed of different particles over a large spectrum of energies, from GeV level down to meV level (e.g. thermal neutron). The electronic equipment operating in such a harsh radiation environment, mostly based on Commercial Off The Shelf (COTS) components, can experience failures induced by radiation effects. The criticality of the equipment can be very high, in the best case, the failure of a control system can lead to a beam dump, which can drastically the availability of the beam for science and in the worst case, the failure of a safety system can lead to the destruction of part of the machine. The new upgrade of the LHC planned for 2025, the High Luminosity LHC (HL-LHC) will achieve an annual luminosity five time higher than the current version of the LHC. Consequently, the levels of the radiation generated by the operation of the machine will also drastically increase. With such high radiation levels, a significant number of COTS-based systems will be exposed to radiation levels they cannot withstand. This will imply to either design more robust tolerant COTS-based systems and/or substitute preventively systems before their end of life. Thus, while in the previous years the Single Event Effects (SEEs) where the dominant cause of failure, in the future, cumulative radiation effect will as well become a major preoccupation. While a huge effort has been done in the past on the qualification process against SEE-induced failures, the qualification process for cumulative radiation effects, remained mostly unchanged. The aim of this work was, therefore, to investigate how the CERN’s Radiation Hardness Assurance (RHA) could be improved to respond to this new challenge and ensure that no system failures will impact the LHC operations. This involved several activities; (i) the study of the particularities of the LHC radiative environment and its impact on the components and systems exposed to it, (ii) the study of the suitability of current qualification methods and the development of approaches adapted to CERN’s needs and (iii) the study of reliable system lifetime estimation methods.


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