Etude du Convertisseur Temps-Numérique de très haute précision pour des applications en Physique des particules pour les mises à jour du détecteur CMS auprès du LHC

Study of very high precision Time-to-Digital Converter (TDC) for particle physics applications for updates of the CMS detector at the LHC

• Auteur / Autrice : Amina Annagrebah
• Direction : Imad Laktineh, Edouard Bechetoille, Hervé Chanal
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Microélectronique
• Date : Soutenance le 01/12/2021
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de Physique et Astrophysique de Lyon (Lyon ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Claude Bernard (Lyon ; 1971-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Physique Nucléaire de Lyon
• Jury : Président / Présidente : Guo Neng Lu
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Imad Laktineh, Hervé Chanal, Jérôme Baudot, Nathalie Seguin-Moreau, Emmanuel Bergeret

Mots clés

Mots clés contrôlés

Particules (physique)

Microélectronique

Innovation

Détecteurs

Grand collisionneur de hadrons

Mots clés libres

TDC

LSB

RPC

Oscillateur en anneau

Vernier

Résolution

CMOS

Jitter

TDC

LSB

RPC

Vernier

Resolution

Ring oscillator

CMOS

Jitter

Résumé

La mise en jouvence des expériences auprès du collisionneur LHC au CERN fera appel à des détecteurs de plus en plus performants afin de faire face au défi qu’est l’augmentation très importante du nombre de collisions. Cette augmentation conduira à plus de confusion des produits issus de différentes collisions. Parmi les solutions qui permettront de réduire cette confusion et améliorer la construction des processus physiques, l’étiquetage précis en temps est une voie envisagée. Une mesure précise en temps de la détection des particules produites lors des collisions permettra également d’atteindre une précision spatiale accrue de la détermination du point d’interaction. Une mesure de temps précise est possible grâce à l’utilisation des détecteurs de type Resistive Plate Chamber (RPC) développés par les physiciens de l’IP2I et proposés pour équiper le détecteur CMS du LHC. Pour y parvenir, l’´électronique de lecture doit pouvoir préserver la performance de ces détecteurs en atteignant une excellente résolution temporelle. Dans cette thèse, nous décrivons le développement et la démonstration d’architectures adaptées pour la mesure précise d’intervalles de temps courts. Notre objectif est d’évaluer et de démontrer des architectures pouvant être intégrées à une technologie CMOS standard 130nm. Plusieurs architectures ont été analysées, dont une, basé sur les oscillateurs en anneau de type Vernier, a été s´sélectionnée pour une analyse plus détaillée. Cela nous a conduits à la construction d’un circuit intégré de d´démonstration. De plus, une nouvelle architecture multiphase à haute résolution a été proposée et l’analyse réalisée a confirmé une bonne résolution temporelle.

The revival of the experiments at the LHC collider at CERN will call on increasingly efficient detectors in order to face the challenge of increase in the number of collisions. This increase will lead to more confusion of products from different collisions. Among the solutions that will reduce this confusion and improve the construction of physical processes, time-accurate labeling can being considered. Time-accurate measurement of the detection of particles produced in collisions will also achieve increased spatial precision in determining the point of interaction. Accurate time measurement is possible thanks to the use of Resistive Plate Chamber (RPC) type detectors developed by IP2I physicists and proposed to equip the CMS detector of the LHC. To achieve this, the reading electronics must be able to preserve the performance of these detectors by achieving excellent temporal resolution. In this thesis, we describe the development and demonstration of suitable architectures for the precise measurement of short time intervals. Our goal is to evaluate and demonstrate architectures that can be integrated with standard 130nm CMOS technology. Several architectures were analyzed, one of which, based on Vernier-type ring oscillators, was selected for a more detailed analysis. This led to the construction of a demonstration integrated circuit. In addition, a new high resolution multiphase architecture was proposed and the analysis performed confirmed good temporal resolution.