Etude et modélisation du comportement du FPGA A54SX72A d'Actel en milieu radiatif et à températures controlées : application à l'environnement du LHC

par Stéphane Gabourin

Thèse de doctorat en Sciences

Sous la direction de Madjid Boutemeur et de Michelle Passard.

Soutenue en 2007

à Chambéry .


  • Résumé

    Le futur accélérateur de particules du CERN (LHC) produira des collisions de protons d'énergie 14 TeV dans le centre de masse. La trajectoire des faisceaux le long des 27 Km de l'anneau du LHC est assurée par des aimants dipôles et quadripôles supraconducteurs refroidis à une temperature de 1,9 K. Les cartes électroniques d'acquisition de températures seront placées sous certains dipôles à cause de courants d'excitation des capteurs n'excédant pas 1μA. Le composant numérique principal embarqué sur les cartes est un circuit integré (CI) FPGA A54SX72A de chez Actel, dont l'objectif est d'analyser et filtrer les signaux. En fonction de leur position le long des 27 Km de l'anneau de l'accélérateur, les cartes électronique fonctionneront dans des milieux plus ou mains irradiés et à différentes températures. Le principal objectif de ma thèse est de modéliser ce comportement, en mesurant le courant électrique de consommation des CI et le taux d'erreurs logiques TTL, en fonction de la température et de la quantité d'irradiations. Ces 2 paramètres font l'objet de mesures temps réel des tests. Le modèle proposé est empirique et est construit de manière à reproduire les mesures et leurs corrélations. Une première campagne de tests est effectuée à l'aide d'un faisceau de rayons X, qui permet d'étudier les effets de dose dans le dioxyde de silicium. La deuxième sérle de tests, réalisée avec un faisceau de protons, permet l'étude de la section efficace des événements singuliers dans le CI, en fonction de la dose et de la température. Le modèle est caractérisé par une équation qui décrit le temps de fonctionnement du circuit en fonction de la température et du debit de dose pour l'irradiation aux rayons X (donc uniquement pour l'effet de dose). L'équivalence avec les protons a été déterminée avec un faisceau de protons d'énergie 63 MeV. Le comportement des CI apparait similaire à celui observé avec les rayons X, cependant avec des doses equivalentes environ 8 fois plus faibles.

  • Titre traduit

    Study and modelling of the behaviour of the Actel FPGA A54SX72A in irradiated environment and at controlled temperatures : application for the LHC environment


  • Résumé

    The Large Hadrons Collider (LHC) at CERN (Geneva) will provide proton-proton collisions at center of mass energy of 14 TeV. The beam bending and trajectory in the 27 km ring is maintained by superconducting dipole magnets at 1. 9 K. The temperature and pressure readout electronic cards should be placed under the dipole magnets due to sensors fed with currents not exceeding 1μA. The main digital component, embedded in the cards, is an integrated circuit (IC) of type FPGA A54SX72A from Actel (CMOS technology) whose purpose is signal filtering and analysis. Depending of the location along the 27 km accelerator ring, the readout cards will be exposed to different amount of radiation, and at different functioning temperatures. The main goal of my thesis is to model the behavior of the IC, i. E. The electrical current consumption of the IC and the rate of TTL logic errors, taking into account simultaneously both temperature and amount of irradiation. These two parameters are monitored with accurate continuous measurements. The model is empirical and it is built such as to reproduce the measurements and their correlations. The first set of measurements, performed with X-ray radiations, allows the study of dose effects in the silicon dioxide. The second test campaign, performed with a proton beam, allows the study of the IC single events cross sections as a function of the dose and the temperature. The results of theses studies allows to build a model able to predict the behavior of any given readout card in the LHC tunnel. This allows designing a maintenance plan of the readout system in the tunnel. The model is characterized by an equation which describes the functioning time of the IC versus the temperature and the dose rate for X-ray irradiations, i. E. Only for the dose effect. The equivalence with protons has been determined by measurements with a proton beam at energy of 63 MeV. The protons appear to be 8 times harder than X-rays for the equivalent dose rate.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (167-35 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p. 137-140

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