Upgrades of the RadMON V6 and its Integration on a Nanosatellite for theAnalysis and the Comparative Study of the CHARM and Low Earth Orbit Environments

par Raffaello Secondo

Thèse de doctorat en Électronique

Sous la direction de Laurent Dusseau.

Soutenue le 24-04-2017

à Montpellier , dans le cadre de I2S - Information, Structures, Systèmes , en partenariat avec Institut d’Electronique et des Systèmes / IES (laboratoire) .

  • Titre traduit

    Améliorations du RadMON V6 et son intégration dans un nanosatellite pour l’analyse et l’étude comparative des environnements CHARM et LEO


  • Résumé

    Les champs radiatifs dans le complexe d’accélérateurs du CERN sont caractérisés par des particules mixtes avec un large spectre d’énergie. Le système de surveillance des radiations, le RadMon, a été développé pour la mesure distribuée, et en temps réel, des radiations et ses effets sur l’électronique installée dans les tunnels et les zones expérimentales. Pendant la première phase d’opération du RADMON, un problème critique a été identifié sur les mémoires SRAM utilisées comme capteurs de fluence des hadrons de hautes énergies. Un large nombre de MCU (Multiple Cell Upsets), générés par des microlatchups, ont commencé à apparaître sur les RADMONs, affectant ainsi la précision de mesure de la fluence. Une étude de la cause de cet effet a été réalisée et une solution utilisant un algorithme de détection et de correction en ligne, embarqué sur un FPGA, a été évaluée et mise en place sur les RADMONs installés dans les zones du SPS, PSB, NA62, HiRadMat, ALICE et CHARM.Par ailleurs, dans le cadre du projet CELESTA, une étude de faisabilité a été réalisée pour valider l’adaptation du RadMon à une charge utile pour des applications CubeSat de dimension 1U. Le travail de recherche a été soutenu par le service de transfert de connaissance du CERN en collaboration avec l’Université de Montpellier, le Centre Spatial Universitaire.Les tests expérimentaux ont été effectués dans le nouveau moyen de test CHARM. CHARM offre la possibilité de reproduire les champs radiatifs mixtes présents dans les installations du CERN ainsi que les basses orbites terrestres (LEO).Un module autonome de charge utile pour Cubesat a été développé et équipé avec des capteurs permettant de mesurer dose ionisante ainsi que la fluence des hadrons de haute énergie. Par ailleurs une expérience permettant de détecter des latchups a été ajoutée au module. Les résultats des tests ont permis la définition d’une nouvelle procédure pour la qualification des nano satellites au niveau des radiations sur le système. Ce travail de thèse détaille l’approche suivie pour le choix et la caractérisation des composants utilisés sur la charge utile.La charge utile de CELESTA est le premier projet du CERN sur le sujet de la science des "small satellites". Il représente la première étape d’un intérêt croissant de l’utilisation du moyen de test CHARM pour des missions en environnement spatial.


  • Résumé

    Radiation fields in the CERN accelerator complex are characterized by mixed particles with broad energy ranges. A Radiation Monitoring System, called "RadMon", was developed for the distributed, on-line measurement of the complex radiation fields and their effect on the electronics installed in areas with a harsh radiation environment. The most recent version of the RadMon revealed a critical issue soon after deployment in the tunnel and the experimental areas. Multiple Cell Upsets (MCUs) arising from microlatchup events started showing up on the SRAM-based particle flux sensors equipped by the system, ultimately affecting the measurement and resulting in corrupted data and accuracy losses. A study of the generation of this effect was performed, and a solution using an on-line detection and correction algorithm embedded on an FPGA, was evaluated and implemented on the RadMon device.Furthermore, in the framework of the project CELESTA, a feasibility study was carried out to validate the adaptation of the RadMon to a 1U CubeSat payload. The research was supported by the CERN Knowledge Transfer as a collaboration between the University of Montpellier, the Centre Spatial Universitaire and CERN. Experimental tests were performed at the new CHARM facility, which allows the characterization of small components, as well as large systems, in a mixed-field representative of the Low Earth Orbit.A stand-alone payload module for 1U CubeSats was developed and equipped withsensors of ionizing dose and high energy hadron fluence. In addition a Latchup Experiment was added on the module as part of the scientific goals of the mission. Results of experimental tests led to the definition of a new procedure for the radiation qualification of small satellites at system level. Details of the characterization and the choice of components are presented together with the approach followed.The payload is the first small satellite module ever designed at CERN. It representsthe first step of an increasing interest towards radiation qualification at CHARM of electronics for low orbit space missions.


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