S ERVICE E LECTRONIQUE ET M ICROÉLECTRONIQUE

In document RAPPORT D ACTIVITÉ (Page 63-70)

Intensité faisceau (nA) Transmission (%) Emittance transverse (6·mm·mrad)

Dispersion en énergie lognitudinale (eV)

50 74,2 2,1 0,8

500 76,2 2,2 1,2

1000 76,4 2,2 1,3

Résultats des mesures d’émittance et de dispersion en énergie

Concernant le projet RFQ cooler de SPIRAL2 – Phase2, les travaux de conception du RFQ cooler adapté à l’architecture du bâtiment de production de faisceaux radioactifs ont permis de rédiger la première version dossier de définition. L’état d’avancement de la conception de l’instrument a été présenté lors d’une revue de définition organisée par l’équipe de direction du projet SPIRAL2.

Les PTFI (Profileurs Très Faible Intensité)

Un prototype d’amplificateur d’instrumentation à fort gain (46 dB), large bande (50 MHz) et faible bruit (3 mV rms) a été réalisé en 2013 afin de traiter les signaux différentiels faibles niveaux (qq 100 µV) issus d’un PTFI. Les tests de ce prototype avec un détecteur étant satisfaisants, la réalisation d’une carte au format µTCA incluant 5 voies amplificatrices a été lancée fin 2013 et devrait être testée début 2014.

Le contrôle projet SPIRAL2

Comme présenté dans ce rapport d’activité, le laboratoire est impliqué dans plusieurs tâches concernant SPIRAL2, future installation qui va étendre les capacités du GANIL en termes de faisceaux exotiques. Dans ce cadre, un ingénieur du service est contrôleur projet depuis 2006. Il est en charge du planning directeur du projet, de l’organigramme des tâches et de la gestion des risques projet. Il est membre de la direction de ce

projet. Carte µTCA amplificatrice 5 voies

Prototype de l’amplificateur

Maquette 3D du RFQ cooler au LPC CAEN

Activités pour SuperNEMO

L

e circuit intégré FEAST (Front-End ASIC for SuperNEMO Tracker) a été conçu pour répondre aux exigences du système de tracking de SuperNEMO. Ce circuit intègre une électronique permettant de traiter jusqu’à 54 voies. FEAST fournit une mesure de temps sur les signaux provenant des chambres à dérive avec un pas et une résolution inférieure à 15 ns.

Cet ASIC a été conçu, routé et fabriqué en 2011.

En 2012, 20 puces encapsulées ont été testées au LPC sur un banc de test générique qui nous a permis de valider les différentes caractéristiques comme par exemple : la résolution temporelle =3.62 ns rms, la linéarité différentielle=369 ps, la non-linéarité intégrale =806 ps. A la suite de ces bons résultats, des tests sur 18 prototypes de cellules fonctionnant en régime Geiger ont été réalisés à Manchester (Royaume-Uni). Seuls les signaux anodiques ont pu être traités, les signaux cathodiques n’étant pas câblés au niveau des détecteurs.

Ces tests nous ont permis de :

valider les fonctionnalités et les performances de FEAST monté sur des détecteurs Geiger avec des signaux anodiques, nous apercevoir que notre banc de test générique avait des problèmes de transmission de données.

Courant 2013, un banc de test spécifique a été développé pour remplacer le précédent sur la base d’une architecture plus simple. L’interface utilisée est une interface USB et les premiers tests réalisés nous montrent que les transmissions s’effectuent correctement quelque soit le flot de données.

Aux vues des bonnes performances de FEAST, une série de 150 ASICs a été produite dans le but d’équiper les cartes Front-End Board développées par nos collègues de Manchester et contribuant ainsi à la construction du prototype de SuperNEMO.

Ces 150 ASICs seront testés et validés par un banc de test automatique dont la conception a débuté fin 2013.

Activités liées aux projets Emilie et Piperade

Le projet PIPERADE (PIège de PEnning pour des ions RAdioactifs à DEsir) est piloté par le CENBG (Centre d’Etudes Nucléaires de Bordeaux Gradignan). Celui-ci inclut un RFQ cooler buncher pour lequel il nous a été demandé d’apporter notre expertise dans la conception du système de production des tensions Radio-Fréquences de l’instrument.

Le projet EMILIE (Enhanced Multi-Ionization of short-Lived Isotopes at Eurisol) consiste entre autres à concevoir et expérimenter un RFQ debuncher. Notre mission est de concevoir et construire d’une part le système de production des 2 tensions radiofréquences nécessaires à la production du champ de confinement du quadripôle et d’autre part développer le générateur des tensions impulsionnelles appliquées aux 23 segments. La solution retenue pour générer les tensions de segments est composée de 2 générateurs arbitraires multivoies dont les signaux sont adaptés en amplitudes par 8 amplificateurs modulaires, les 8 tensions produites sont distribuées sur les 23 segments. Ce dispositif permet de produire les cycles de piégeages et d’expulsion des ions stockés au centre du quadripôle. Le système de production des tensions RF est basé sur un circuit résonnant utilisant un condensateur variable haute tension et deux bobines à air, le couplage du circuit résonnant à l’amplificateur de puissance est assuré par une boucle d’induction.

Banc de test générique ASICs FEAST (boitier et puces nues)

Production de 150 ASICs pour construction prototype SNEMO

Banc de test spécifique USB

Banc de test RF du debuncher

Le choix des équipements nécessaires à la production des tensions de piégeages a été effectué, le circuit de distribution des tensions a été finalisé est pourra être implanté sur le RFQ debuncher. L’instrument et ses équipements électroniques seront implantés sur le banc de test du démonstrateur du RFQ cooler de SPIRAL2. Les premiers tests devraient être effectués en début d’année 2014.

Activités pour DOSION

L

a carte CARAMEL(CARte d’Acquisition Multivoies Electromètres) est une carte d’acquisition de faibles courants disposant de trois calibres : 3 pC, 6 pC et 12 pC. Elle peut intégrer des charges sur 12 bits à 10 µs ou 16 bits à 20 µs sur 16 voies simultanément.

La gamme d’entrée en acquisition de charge s’étend de -1.786 % de la valeur positive max de la plage de mesure (3, 6 ou 12 pC) à 3, 6 ou 12 pC selon le calibre.

Elle dispose:

de 32 entrées via un connecteur SAMTEC ERI8

d’un connecteur Vita 57 LPC. La carte électromètre est une carte fille qui se connecte sur une carte mère FASTER. La carte mère fournira les alimentations, les horloges à la carte CARAMEL. La carte fille retournera à la carte mère les signaux numérisés.

Vue de la carte CARAMEL

Son implication dans DOSION avec un système constitué de deux cartes CARAMEL permet de pouvoir localiser le faisceau en X sur 32 voies, en Y sur 32 voies et aussi de quantifier l’énergie collectée sur chaque voie X ou Y.

R&D et contributions à la R&D du laboratoire

R&D en préamplificateurs de charge intégrés

Après une période d'étude et de conception, un ASIC a été soumis à la fonderie en janvier 2011. Cet ASIC est composé de 7 PAC (PréAmplificateurs de Charge) différents. Ces sept configurations nous ont permis de comparer les différentes structures en matière de performance. Les différences entre ces 7 PAC sont la résistance de contre-réaction (active ou passive), la polarité (unipolaire ou bipolaire), le gain (fixe ou configurable), et la connexion de substrat (commune avec la masse ou indépendante). Les tests faits en 2012 sur cet ASIC ont donné lieu à un rapport détaillé permettant la comparaison entre les différentes architectures en matière de bruit, linéarité, dynamique, charge équivalent de bruit, etc…

Deux PAC ressortent de toutes ces comparaisons.

Le premier est un PAC dont la polarité peut être choisie (soit unipolaire, soit bipolaire) et ayant une capacité de contre-réaction de 1 pF. Ses principales caractéristiques : bruit large bande=265 µV (unipol.) et 545 µV (bipol.), linéarité de±1 % sur une dynamique de 1,8 pC, un CEB min=549 e-(unipol.) et 863 e -(bipol.).

Le deuxième est un PAC dont la polarité peut être choisie (soit unipolaire, soit bipolaire), et ayant des capacités de contre-réaction programmables de 0 à 15 pF par pas de 1 pF. Ses principales caractéristiques : bruit large bande=350 µV (unipol.) et 564 µV (bipol.), linéarité de ±0,7 % sur une dynamique de 1,7 pC (pour Cf=1 pF), un CEB min=841 e- (unipol.) et 1200 e -(bipol.).

Un test avec détecteur silicium a aussi été réalisé sur le premier PAC, ce qui nous a permis de mesurer sa résolution qui est de 24 keV LTMH avec une source tri-alpha et un shaping time de 0,5 µs.

Dans la continuité de ce travail de R&D et en collaboration avec un collègue microélectronicien du GANIL, nous avons développé en 2013 un ASIC préamplificateur de charge configurable nommé C2SA pour Configurable Charge Sensitive Amplifier.

Celui-ci a été conçu pour répondre aux besoins de la plupart des expériences de physique nucléaire. Les spécifications de ce PAC sont les suivantes :

Gamme en énergie jusqu’à 1,5 GeV, Taux de comptage < 250 kHz,

Polarité des signaux d’entrée unipolaire ou bipolaire, Temps de montée des signaux d’entrée >10 ns, Résolution de 10 keV Silicium à 5,5 MeV, Linéarité <1 %,

Capacité d’intégration sélectionnable de 1 pF à 42 pF,

Résistance de contre-réaction sélectionnable de 280 kΩ à 5 MΩ.

En plus de la fonction pré-amplification de charge, cet ASIC intègre : Un esclave I²C réalisé par l’IPN Lyon pour le slow control, Une interface de secours en doublon de l’esclave I²C,

Un générateur d’impulsions pour les tests/calibration (Amplitude réglable sur 10 bits), Un discriminateur à seuil sortant au standard LVDS (Seuil réglable sur 10 bits).

La caractérisation de cette ASIC sera réalisée début 2014.

Carte de test de l’ASIC C2SA

Layout de l’ASIC C2SA

R&D en préamplificateurs de charge discrets

Afin d’étendre l’offre sur l’électronique frontale discrète du SEM, une R&D sur des PAC avec sortie temps a été menée en 2013.

La particularité de ces PAC est d’offrir, en plus du signal de charge, un signal impulsionnel très rapide homothétique en amplitude et minimisé en « walk » sur la gamme de fonctionnement. Le « walk » étant le déplacement temporel en fonction de la variation d’amplitude du signal d’entrée, il doit donc être minimisé afin de ne pas dégrader la mesure de temps de vol.

Les principales caractéristiques de la version la plus performante sont :

Sortie Charge : Bipolaire ; Plage de sortie≈±2,6 V ; INL≈±0,6 % ; CEBmin≈570 e-pour Cf=2,6 pF et Rf=10 MΩ.

Sortie temps : Signal impulsionnel négatif ; Temps de montée

<2 ns ; Amplitude minimum≈-52 mV ; Walk≈140 ps pour une dynamique d’environ 30 ; Walk≈60 ps pour une dynamique d’environ 10. (Ces résultats sont donnés pour Cf=1 pF).

Afin de finaliser la caractérisation de ces PAC, des mesures avec un détecteur seront effectuées en 2014.

R&D sur la mesure de temps Bloc 50 ps :

L’équipe microélecronique du SEM, engagée dans la R&D sur la mesure du temps, a conçu fin 2009 un ASIC interpolateur de temps à 50 ps de pas quantification. Cet interpolateur met en œuvre une structure asservie innovante qui devrait permettre d’atteindre une résolution temporelle d’environ 30 ps.

A cause de projets plus prioritaires, la caractérisation de cet ASIC a dû être mise en attente. En 2013, un banc de test a été réalisé et les premiers résultats sont très encourageants (DNL<±16 ps ; INL<±85 ps et Résolution <25 ps rms). Les tests seront finalisés en 2014.

SCATS :

SCATS (Sixteen Channel Absolute Time Stamper) est un ASIC marqueur de temps haute résolution, grande dynamique et fort débit réalisé en collaboration avec le LAL d’Orsay pour l’expérience SuperB. Cet ASIC comporte 16 voies de mesures de temps indépendantes permettant la mesure du temps de vol des particules ainsi que le marquage en temps des événements à des taux de comptage élevés (qq MHz/voie).

Cet ASIC a été caractérisé en 2012 et les performances obtenues sont : DNL <±40 ps, INL <±110 ps et Résolution < 86 ps rms.

En prenant en compte la courbe d’INL, la résolution maximale a été diminuée à 65 ps rms.

Dans un premier temps, SCATS a été encapsulé sous un boitier CQFP 120 au pas de 0,8 mm et afin d’augmenter l’intégration, le boitier est a été remplacé par un CQFP 128 au pas de 0,4 mm.

Contribution à la R&D sur les détecteurs diamants En vue d’utiliser des détecteurs diamant segmentés double face pour la localisation spatiale de particules (diagnostic faisceau), le SEM a réalisé en 2013 une carte ETC (Eight Time Channels) au format VITAL57. Cette carte comporte 8 voies de mesure de temps/énergie réalisées à partir de deux ASICs : L’ASIC NINO qui est un amplificateur/discriminateur multivoies conçu au CERN et l’ASIC SCATS qui est un marqueur de temps haute résolution multivoies conçu par le LPC Caen et le LAL.

-25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25

0 20 40 60 80 100 120

DNL voie 2 en ps

DNL corrigée DNL DLL0 DNL DLL1

PAC avec sortie temps

Carte de test de l’ASIC Block_50 ps

DNL d’une voie en ps

Résolution temporelle

Layout de SCATS Carte de test et

boitiers de SCATS

Résolution temporelle entre 2 voies de mesure

Cette carte devra respecter les spécifications suivantes : Gamme des signaux d’entrée de 30 fC à 16 pC,

Signaux d’entrée impulsionnels très rapides (temps de montée ~1 ns, durée ~6 ns)

Taux de comptage total <1 MHz, Résolution temporelle <200 ps rms, Temps mort individuel d’une voie <100 ns.

La carte ETC sera connectée à la carte SYROCO du système FASTER développé par le service instrumentation du LPC Caen.

La caractérisation de la carte ETC sera faite en 2014.

Conception Assistée par Ordinateur

N

otre institut (IN2P3) est structuré de manière à avoir une personne en charge du suivi des outils CAO (Conception Assistée par Ordinateur) dans chaque laboratoire. Le correspondant CAO du LPC Caen est une personne du service.

Au laboratoire, nous utilisons différents outils de conception assistée par ordinateur pour répondre aux différents besoins du laboratoire et plus généralement de l'institut.

Nous disposons de plates-formes logicielles via l’IN2P3 : simulation, saisie schématique et routage (CADENCE) pour l’électronique et la microélectronique.

En ce qui concerne l'électronique numérique, nous avons accès à différents outils de synthèse logique (Synopsys, Quartus, Model Sim). Nous utilisons également des licences Altium Designer installées en interne pour nos développements commerciaux.

Ci-après quelques exemples de réalisations du laboratoire.

Carte ETC pour détecteur diamant

Synoptique de la carte ETC

IGBT 1 0,7H Bo bine

0,7H Bo bine Dio de HT

70 Volts GENE. U 50 nF/10 KV 70 00 Vo lts GENE. U HT

I

IGB T 2 Com mutateur HT2A / 10KV

à MOSFET

TVS

TVS 30 x 40 Volts C ircuit d'absorp tio n d e l'én erg ie sto ck ée d an s les bo bines 4 00 Volts

12 0 0 Vo lts=

Exemples de réalisations obtenues avec les logiciels de CAO du laboratoire

Formations et réseaux

P

lusieurs agents du service donnent des cours à nos collègues de l’IN2P3 et du CNRS, ainsi qu’aux étudiants.

Ainsi, nous sommes impliqués dans plusieurs écoles IN2P3 : techniques de base des détecteurs, microélectronique, conduite de projet.

Nous intervenons aussi dans deux mastères professionnels :

« SNEAM : Sustainable Nuclear Engineering – Applications and Management » à l’ENSICAEN et « Instrumentation Nucléaire » à l’Université Bordeaux 1.

De plus, nous sommes impliqués dans plusieurs réseaux métiers de l’IN2P3 : CAO (Conception Assistée par Ordinateur), formation, valorisation, qualité, réseau des responsables techniques de l’IN2P3.

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