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Upgrade

par Frederic Derue - 30 janvier 2014

Après les premières données du LHC, obtenues en 2010 et 2011 à une énergie dans le centre de masse de 7 TeV, le LHC a été exploité avec une énergie plus élevée (8 TeV) et une luminosité en augmentation progressive, atteignant quelques 1033cm-2s-1 dite « phase à basse luminosité ». Après une période intermédiaire de quelques années caractérisée par une luminosité de 1034cm-2s-1 (haute luminosité), il est prévu d’augmenter encore la luminosité du LHC par un facteur 5 (phase sLHC ou HL-LHC, 5x1034cm-2s-1).

Feuille de route du LHC

Le planning du LHC pour les deux prochaines décennies peut être découpé en 4 périodes distinctes :

  • les runs à 7 et 8 TeV ont accumulé une vingtaine de fb-1 avec une luminosité instantanée de quelques 1033cm-2s-1.
  • les premiers runs à 13/14 TeV qui intégreront plusieurs dizaines de fb-1 avec une luminosité instantanée proche du nominal, soit environ 1034cm-2s-1.
  • une campagne à l’énergie nominale, et à la luminosité nominale, voire avec un gain d’un facteur 2, pour récolter 200-300 fb-1.
  • la phase de haute luminosité du LHC, délivrant 200-300 fb-1 par an, avec une une luminosité instantanée de 5*1034cm-2s-1

Entre chacune de ces quatre périodes il y aura trois longs arrêts :

  • le premier, labellé Phase-0, verra la consolidation de la machine et un travail important sur l’accélérateur pour atteindre son énergie nominale. Cet arrêt est programmé pour 2013/2014
  • le second, appelé Phase-I, est attendu après trois années d’opérations, sans compter les arrêts hivernaux, et durera une année. Son but principal est de permettre d’effectuer des changements sur les détecteurs pour permettre de tourner à 2-3*1034cm-2s-1
  • le troisième, appelé Phase-II, s’effectuera après encore trois années d’opérations et sera une grande mise à niveau du complexe d’accélérateurs et des détecteurs pour permettre une prise de données à une luminosité instantanée de 2-3*1034cm-2s-1 et une luminosité intégrée de 3000 fb-1.

Implication du LPNHE : R et D sur les pixels du détecteur interne

Cette augmentation de la luminosité instantanée permettra à l’accélérateur de conserver un potentiel de découverte important (qui varie approximativement comme la racine carrée de la luminosité intégrée), associé à la capacité d’étude à haute statistique des éventuels phénomènes de physique nouvelle découverts auparavant. La très haute luminosité atteinte ainsi à l’horizon 2018 impose de prévoir des modifications substantielles sur l’ensemble des sous-détecteurs constituant ATLAS. Les modifications le seront d’autant plus que le sous-détecteur concerné est proche du point d’interaction.

Elles seront particulièrement importantes sur le détecteur interne, destiné au suivi des traces chargées. L’importante multiplicité des traces et le flux très élevé de rayonnements ionisants imposent une nouvelle conception du système de suivi des traces chargées. Les détecteurs silicium, qui constituent une des options les plus probables pour la construction de l’upgrade d’ATLAS, devront résister à une dose de plus de 40 Mrad sans dégradation de leurs caractéristiques. Ainsi, ils ne devront pas présenter d’augmentation excessive de leur courant de fuite, qui conduirait à un niveau de bruit inacceptable. Le niveau de radiation va nécessairement entrainer d’importantes modifications de la structure du substrat de silicium avec pour conséquences : augmentation de la tension inverse, évolution du point de fonctionnement des détecteurs et perte d’efficacité de collection de charge ; il faut que les détecteurs soient cependant capables de fonctionner avec une efficacité de détection acceptable sous ces conditions.

Les capteurs

Pour les senseurs, de nouvelles technologies, comme les pixels n sur des substrats de type p (capteurs n-in-p), ont commencé à être étudiées et le LPNHE est fortement impliqué dans cette recherche. L’avantage du substrat de type p est d’éviter l’inversion de type causée par l’irradiation permettant une résistance aux radiations plus importante. De plus, le procédé de fabrication sur une seule face le rend moins onéreux. Cependant, cette technologie n-in-p est moins standard et nécessite donc des développements technologiques pour la production. Une importante campagne de simulation a été menée au LPNHE, essentiellement à l’aide du logiciel Silvaco, les paramètres technologiques du procédé ayant été obtenus par les mesures SIMS (Secondary Ion Mass Spectroscopy). La simulation a ainsi permis d’optimiser le design du senseur, étape nécessaire du fait de l’absence de production antérieure de pixels n-in-p. Basées sur les résultats de la simulation, trois productions différentes de senseurs n-in-p ont été lancées en fonderie, deux avec CiS en Allemagne, une avec FBK en Italie. Les capteurs de la première production ont d’ores et déjà été caractérisés en salle propre et les propriétés électriques mesurées et comparées à la simulation. Les capteurs ont également été irradiés avec des protons et des neutrons sous une fluence équivalente à 1016 neutrons par cm2 pour estimer l’efficacité de collection des charges après irradiation. Certains capteurs ont été connectés à une puce de lecture et testés en faisceau au CERN et à DESY.

Capteurs à bords actifs

De surcroît, la production de FBK présente un concept original appelé « bords actifs » dont le dessin spécifique a été développé au LPNHE. Ce concept permet la réduction de la zone morte des anneaux de garde au bord des capteurs en la remplacant par une rainure profonde remplie de silicium dopé p, bloquant ainsi le courant de surface. Ces capteurs sont par conséquent actifs sur la quasi-totalité de leur surface géométrique.

Capteurs de faible épaisseur

Il importe par ailleurs de réduire l’épaisseur du détecteur, afin de minimiser autant que possible la quantité de matière traversée par les particules détectées. Dans ce cadre,un projet de développement de détecteurs amincis est en cours et des senseurs prototypes avec un dessin modifié ont été produits. Une des productions de CiS, dans laquelle le LPNHE est partie prenante, se caractérise par des senseurs d’épaisseurs réduites à 75 micron.

L’électronique de lecture

En parallèle, dans le cadre de la R&D sur les capteurs, l’électronique de lecture doit être elle aussi reconçue afin de prendre en compte l’accroissement du niveau de radiation, la segmentation plus fine du détecteur, et la vitesse de lecture plus élevée. Ceci conduit à une électronique de lecture nettement plus complexe que les systèmes réalisés par le passé. Pour la concevoir sont utilis&eacutes des procédés de fabrication profondément submicronique, ainsi que des technologies d’intégration verticale, en développement actuellement par les industriels. Le développement de l’électronique 3D devrait aboutir dans le domaine de l’intégration à très grande échelle, notamment à une plus grande densité dans le dessin et à une meilleure organisation de la circuiterie. Plusieurs problèmes pratiques peuvent ainsi être résolus directement grâce à la séparation des blocs, par exemple en séparant sur des substrats différents les parties analogiques et numériques pour minimiser le bruit et la diaphonie. L’étape suivante du procédé permettra une meilleure tenue aux radiations et une plus faible consommation électrique. Depuis plusieurs années, le LPNHE poursuit des développements, en partenariatavec d’autres laboratoires, afin de développer aussi bien des détecteurs CMOS submicroniques pour des applications en physique des hautes énergies, qu’un circuit de lecture en 3D, avec intégration verticale (projet Omegapix). Les circuits développés dans ce cadre (OmegaPix et OmegaPix2, avec la partie analogique MemDyn) seront utilisés à l’avenir comme système de lecture pour les prototypes de détecteurs pixels.

Infrastructure et gestion de la puissance dissipée

L’augmentation de la complexité de l’électronique, de la vitesse de lecture et du nombre de canaux entraine une forte augmentation de la puissance dissipée. En conséquence, toute l’infrastructure associée au détecteur doit être repensée. Le réseau de distribution électrique au sein du détecteur doit être conçu pour délivrer plus de puissance tout en maintenant sous contrôle la puissance dissipée, en évitant un accroissement inconsidéré de la quantité de matière nécessaire pour distribuer et évacuer cette puissance. L’augmentation de la puissance dissipée impose de réaliser rapidement des progrès sur le système de refroidissement, afin de parvenir à évacuer le surplus de chaleur. De nouveaux matériaux aux propriétés exceptionnelles de conduction thermique sont en test. De nouvelles technologies de micro-usinage ou de micro-percage des échelles supportant les détecteurs sont d’ores et déjà en cours d’étude et d’évaluation.

Salles et equipements de laboratoire

  • salles blanches (ou salles propres) : les différents équipements et instruments de la salle propre permettent de caractériser les capteurs et les structures de tests.
  • salle grise : un banc de test (hors salle propre) équipé d’un laser 1060 nm et adaptable pour une source radioactive montée sur une platine X-Y-Z permet de tester les modules assemblés. Un banc de tests thermiques a également été mis au point pour évaluer les propriétés de nouveaux matériaux comme des composites carbone-carbone, des mousses, des microstructures, permettant de les tester sur une maquette simulant la partie interne du trajectographe d’ATLAS.

Collaborations avec d’autres instituts au sein d’ATLAS

Ce travail de R&D s’inscrit dans le cadre d’une collaboration internationale, dont le centre de gravité est le CERN incluant plusieurs institutions et laboratoires (CERN, CPPM, LAL, LAPP, LBNL, LPNHE, ...) qui ont participé à la construction du détecteur ATLAS. Ils s’impliquent également dans l’étude des améliorations qui doivent lui être apportées dans le cadre de l’augmentation de luminosité du LHC.

Plusieurs collaborations internationales existent à l’heure actuelle pour étudier les divers aspects des améliorations à apporter au détecteur de traces chargées d’ATLAS, et le LPNHE est actif dans plusieurs d’entre elles. Le groupe de travail dont le but est d’améliorer la technologie des pixels planaires pour l’adapter au cahier des charges d’ATLAS a été validé par la collaboration ATLAS en tant que projet officiel et reconnu pour sa capacité à déboucher sur une solution viable. Ce projet regroupe au total 15 équipes en Allemagne, Italie, Japon, USA, Espagne, République Tchèque et en France (LPNHE et LAL). Le LPNHE est également présent dans le groupe de travail sur les aspects thermiques et mécaniques du détecteur, qui regroupe des institutions aux USA, en Hollande, en Allemagne, en Italie, et en France (CPPM, LAPP, LPNHE). Ces collaborations profitent largement des accords de coopération internationaux existant entre le LPNHE, SLAC et LBNL. Pour ce qui est des activités de recherche et développement en électronique 3D, le LPNHE a rejoint la collaboration coordonnée par Fermilab (Chicago, USA), ce qui permet de prendre part à des soumissions de circuits en multi-projet, étape très importante dans le développement de circuits électroniques 3D, étant donné le coût de la production. Enfin, Le LPNHE a une place importante dans le projet européen AIDA dans le cadre du FP7, pour le développement de systèmes électroniques et de détecteurs en physique des hautes énergies.

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