Électronique

La mission principale du service électronique est d’étudier, de concevoir et de réaliser des systèmes de contrôle, d’acquisition et de traitement de données. Ces réalisations sont dédiées aux expériences de physique des particules, d’astroparticules et de cosmologie observationnelle.
Elles peuvent aussi faire l’objet d’une utilisation nouvelle dans un cadre interdisciplinaire ou de valorisation auprès de partenaires externes.

Le service fonctionne en gérant ou participant à des projets technologiques liés à ses compétences. Nous interagissons avec les physiciens de toutes les disciplines représentées au laboratoire et nous prenons en charge la phase d’étude de faisabilité du projet jusqu’à sa réalisation.

Le service peut aussi mettre à disposition des experts auprès de partenaires ou de sociétés afin de faire une étude sur vos projets.

Nous avons aussi pour vocation la transmission de nos connaissances. Nous intervenons auprès des différentes écoles de la région et nous accueillons régulièrement des étudiants (DUT, BTS, Master I et II, PhD).

Nos travaux sont régulièrement présentés lors de conférences internationales et publiés dans des revues scientifiques. Certaines de nos idées sont protégées par brevet.

Prise de vue artistique d’une carte électronique © C.Moirenc
Prototypes pour le projet RD53 © C.Moirenc
Carte PCIe40 : carte de lecture des détecteurs au format PCI Express pour l'expérience LHCb (bandes passantes : 500 Gbits/s pour le contrôle et l’acquisition des données, 100 Gbits/s pour la connexion cpu) © JP.Cachemiche
Microcapteur pixelisé intracérébral pour la mesure de radiotraceurs β+ chez le rongeur éveillé et libre de ses mouvements. Projet MAPSSIC © F.Gensolen
Caractérisation d’une transmission de données haute vitesse (Gbits/s) © C.Moirenc
Calibration d'une ligne de détection neutrino KM3NeT ORCA © C.Moirenc
Traversée électro-optique étanche © S. Theraube
Principaux équipements du contrôle/commande de la boîte de jonction n°1 de l'expérience KM3NeT / MEUST / NUMeREnv. © S. Theraube

Toutes les réalisations du service électronique, notamment pour les expériences auprès des accélérateurs de particules, et aussi celles auprès des expériences sous-marines et spatiales, ont permis de développer un esprit Qualité indispensable pour répondre aux exigences de fiabilité requises.

Nous pouvons classer nos compétences

  • Dans la conception et le test de circuits-intégrés ASICs, analogiques, bas-bruit, basse-consommation et tolérants aux radiations ionisantes pour les détecteurs de physique. Avec une particularité, les détecteurs à pixels hybrides que le CPPM a largement contribué à inventer et qui sont maintenant très répandus aussi bien dans le domaine de la physique des particules que dans celui de l’imagerie à rayons X.
  • Dans le développement de cartes d’acquisition numériques à très haut débit. Travail reconnu au niveau international et qui nous positionne comme leader dans les domaines des développements sur FPGA de dernières générations
  • Dans le développement de solutions de distribution d’énergies électriques. Plus particulière pour le développement d’activités sous-marines à fortes contraintes (distance, haut profonde, puissance à distribuer)
  • Dans la réalisation de bancs de test et de systèmes contrôles-commande, de systèmes embarqués indispensables pour valider les systèmes développés. Ainsi que dans la mise en en œuvre de solutions automatisées (pilotage d’interfaces).

Nous avons aussi un savoir-faire très pointus dans le câblage, le micro-câblage et la réalisation de cartes électroniques de haute technologie (norme IPC).

Enfin, les outils de CAO jouent un très grand rôle à tous les niveaux dans la conception, la mise au point, l’intégration et la maintenance de nos réalisations. L’expertise correspondante fait partie intégrante du savoir-faire du service.

Réalisations auprès des accélérateurs de particules

Ces développements s’articulent autour des différents détecteurs de particules installés au LHC du CERN

  • Développement pour le détecteur ATLAS

  • Développement pour le détecteur LHCb

Nous sommes en charge de l'électronique d'acquisition pour la future version de l'expérience LHCb. Cette électronique va lire en temps réel toutes les données de l'expérience soit 32 Terabits/s. Elle distribuera également les informations de contrôle et les informations temporelles à l'ensemble des sous-détecteurs et relira leurs états.

Au cœur de ce système se trouve une carte électronique complexe développée au CPPM. Elle est dotée du FPGA (circuit programmable) le plus puissant de la famille ARRIA10 qui s'interface à 50 liaisons optiques bidirectionnelles à 10 Gbits/s chacune, ce qui représente une bande passante consolidée de près de 500 Gbits/s dans chaque sens. La carte est au format PCI Express (vient s'insérer dans un serveur) et permet un couplage très étroit entre le FPGA et l'unité centrale du serveur avec une bande passante de 112 Gbits/s.

Près de 700 cartes sont en cours de fabrication pour les besoins de la mise à jour du détecteur LHCb, prévue en 2019.

Cette électronique est suffisamment flexible pour satisfaire les besoins dans d'autres domaines comme, l'expérience ALICE ou l’expérience µ3e.

Nous pouvons envisager d’autres utilisations comme pour des expériences d’astroparticules ou alors dédiées à l’imagerie médicale.

Réalisations auprès des expériences d’astroparticule

  • Conception et réalisation du système d’alimentation et de distribution de puissance des expériences ANTARES et MEUST

Réalisations auprès des expériences de cosmologique observationnelle

  • R&D autour d’une partie de l’échangeur de filtre du télescope LSST

  • Qualification des détecteurs Infra-Rouge (IR) pour le satellite Euclid

Réalisations interdisciplinaires

  • Développement autour de l’imagerie bio-medicale

Nous sommes acteur du projet MAPSSIC depuis 2016, collaboration entre le laboratoire IMNC qui en est l’initiateur, l’IPHC, le CRNL et NeuroPSI. Il s’agit de concevoir un dispositif d'imagerie intracérébrale de type TEP pour rongeurs libres de leurs mouvements, afin d’aider à étudier et développer des médicaments pour des maladies de dépendance, ou de troubles de la mémoire (Parkinson, Alzheimer par exemple).

  • Développement autour du démantèlement nucléaire

  • Développement pour le diagnostic du plasma dans le futur réacteur ITER

  • Développement autour de l’hadron-thérapie (carte d’acquisition)

  • Développement autour de développements grand-public

Informatique

Le service informatique du laboratoire se structure autour de quatre activités :

  • l’informatique générale dont les missions sont l’installation et le suivi des matériels et des logiciels utilisés par tous (220 PC, 230 serveurs, 300 portables) . Nos gérons également le DEC, cluster de calcul HPC de 1560 coeurs et de 15 TO de mémoire.
  • La mise en place d’un noeud de calcul relié aux grilles de calcul.
  • l’informatique appliquée pour la mise en œuvre des systèmes spécifiques aux expériences de physique. Cela concerne l’installation de progiciels utilisés dans la simulation, la reconstruction et l’analyse des données.
  • l’informatique instrumentale pour les programmes d’étude et de réalisation des systèmes de contrôle et d’acquisition :
    • Contrôle et commande de systèmes répartis traitant en temps réel de gros flux de données
    • Acquisition, filtrage, formatage et assemblage de données fugitives
    • Communications inter-machine et inter-process
Vue du noeud de grille de la salle informatique du CPPM © CPPM
Vue du noeud de grille de la salle informatique du CPPM © CPPM
  • Installation et la maintenance des OS Microsoft - clients (de Windows 7 à 10) - serveurs ( de Windows 2008 à 2016)
  • Antivirus centalisé et maintenance applicative des postes de travail sous Windows.
  • Gestion de serveurs d'applications sous Windows serveur ou Citrix.
  • Installation et la mainteance des systèmes sous Linux

  • Grille de Calcul, Cloud, Virtualisation

    • Systèmes et stockage de données distribués
    • Surveillance des infrastructures et des équipements
  • Temps réel

    • Extraction rapide de grandes quantités de données fugitives.
    • Transfert rapide et sécurisé de données depuis des réseaux distant
    • Contrôle lent des infrastructures et capteurs
  • Développements reliés à la physique

    • Simulation des détecteurs et capteurs
    • Développements logiciels dans différents langages de programmation
  • Gestion de projets informatiques

2019 :

  • Cloud : Mise en pré-production d'un noeud de cloud M3AMU (400 coeurs, 200 TB)

2018 :

  • Atlas : Intégration d'un commutateur nouvelle génération (FELIX) dans la chaine d'acquisition calorimètrique
  • CTA : Premières lumières du télescope avec le système d'acquisition développé au CPPM
  • Euclid : Intégration des outils de production de simulation
  • LHCb : Développements d'outils de test et contrôle de la carte PCIe40 pour l'upgrade
  • Grille : Mise en place de Arc/CE sur Centos7 dans l'insfratructure de grille, en remplacement de Torque/Maui sur SL6
  • Exploitation : Passage des services Windows dans W2016.

Instrumentation

Un détecteur de physique des particules est un instrument de mesure complexe regroupant un grand nombre de technologies en électronique, informatique et mécanique. L’ingénieur.e en instrumentation intervient à différentes phases du projet :

  • définition des sous-ensembles de détection et des interfaces
  • réalisation de bancs de tests
  • réalisation des tests d’intégration
  • analyse des mesures et calibration
  • contrôle et suivi qualité

Les ingénieur.e.s du service instrumentation ont développé des compétences dans les domaines suivants :

  • Projet :
    • Gestion de projets ou de sous-projets
    • Rédaction de spécifications et de rapports d'essais
  • Hardware :
    • Développement et conception de détecteurs
    • Mise en oeuvre et caractérisation de photodétecteurs (PMT, SiPM, ...)
    • Réalisation de banc de tests spécifiques
    • Calibration et intégration de sous-systèmes
    • Qualification de sous-ensembles
  • Software :
    • Simulation, reconstruction, monitorage
    • Traitement du signal, analyse de données
    • Développements spécifiques en physique de haute énergie
  • Micro-électronique :
    • Test et intégration de micro-circuits
    • Analyse des effets des radiations sur les micro-circuits
    • Caractérisation de détecteurs spécifiques
  • Refroidissement et analyse de gaz :
    • Mesure du débit par système sonar
    • Analyse de mélanges de gaz
    • Récupération de gaz rare
  • Systèmes d’imagerie bio-médicale :
    • Détecteurs spécifiques
    • Traitement d’images
  • Environnement hostile :
    • Marin : déploiement et connexion des lignes de détection, acoustique sous-marine
    • Spatial : salle blanche, cryostat
  • Qualité projet :
    • Mise en oeuvre d’une démarche qualité sur projet
    • Auditeur qualité (référentiel ISO 9001 et 17025)

Les ingénieur.e.s du service instrumentation ont des responsabilités dans les expériences suivantes :

  • ATLAS

    • Responsable de tous les logiciels d’exploitation des pixels (et de l’IBL) :
      • Simulation, reconstruction, monitorage, bases de données (calibration, conditions…), performances
      • Contribution à la simulation des compteurs CMOS en vue du prochain trajectographe d’ATLAS, l’ITK (installation prévue en 2024-2025)
      • Analyse des effets des radiations sur les micro-circuits
    • Instrumentation pour débitmétrie et analyse de mélanges de gaz du système de refroidissement (valorisation):
      • Système sonar : mesure du débit
      • Thermosiphon : test réel en avril/mai
    • Test des micro-circuits et intégration des échelles de détection
  • KM3NeT

    • Infrastructure à la Seyne et au large
    • Lignes de détection :
      • Qualification des lignes de détection et de la ligne ORCA
      • Pied de ligne (ancre et conteneur)
      • Intégration des conteneurs pied de ligne
      • Calibration des lignes de détections et intégration sur l’outil de déploiement
      • Déploiement et connexion des lignes de détection sur Toulon
    • Instrumentation :
      • Ligne instrumentée
      • Système positionnement acoustique
      • Système anti-salissure des modules optiques
    • Laboratoire d’accueil KM3NeT-France
    • Interface avec le MECMA: maintenance câble
  • Euclid NISP (Near Infrared Spectro-Photometer)

    • Responsabilités « détecteurs » :
      • Assurer la caractérisation des détecteurs de vol Euclid
      • Salle blanche, cryostats, banc d’acquisition
    • Responsabilités « systèmes » :
      • Assurer leur intégration sur le plan focal et leur métrologie
      • Participer à la construction et aux tests (électriques, thermiques, vibrations)
      • Rédiger les spécifications et les rapports d'essais
      • Gérer les interfaces
      • Prendre en charge l'assurance qualité du produit NI-DS
  • imXgam

    • Système PiXscan : tomographie spectrale
      • Acquisition des données: reconstruction / traitement des données (écriture du code de reconstruction)
      • Développement Python/C
      • Programmation μC (arm)
    • ANR Temporal : Imageur spectrométrique temporel pour le démantèlement des équipements nucléaires
      • simulation Monte Carlo
      • acquisition de données

Mécanique

Le service mécanique, composé de 16 à 18 personnes, relève les défis lancés par nos projets. Il est impliqué dans l’élaboration d’ensembles mécaniques complexes installés dans des environnements aussi variés que les fonds marins, les accélérateurs de particules, les hautes montagnes, l’espace, ... Nous intervenons de la conception au démantèlement, en passant par la fabrication, l’installation et la maintenance.

Ainsi, à partir du besoin de nos clients, nous concevons nos produits grâce à des progiciels d’aide à la conception (CAO). Cette définition est validée, si nécessaire, par calculs par éléments finis.

Pour la réalisation, nous avons recours soit à la sous-traitance soit à la fabrication en interne sur nos machines (commande numériques et conventionnelles). Dans tous les cas, la qualité des produits est contrôlée selon des procédures définies.

Enfin, nous sommes amenés à intervenir sur site pour installer ou maintenir nos réalisations dans des environnements souvent extrêmes.

Assemblage par collage de détecteur à pixels hybrides pour le projet Atlas Pixels
Mise au point l’échangeur de filtre du télescope LSST
Intégration des détecteurs infra-rouges du plan focal du satellite Euclid
Mise à l'eau du premier noeud du détecteur KM3NeT
Mise au point l’échangeur de filtre du télescope LSST
Intégration des détecteurs infra-rouges du plan focal du satellite Euclid

Le service mécanique est impliqué dans l’élaboration d’ensembles mécaniques complexes installés dans des environnements aussi variés que les fonds marins, les accélérateurs de particules, les hautes montagnes ou l’espace. Nous intervenons tout au long du cycle de vie du produit, de la conception au démantèlement, en passant par la fabrication, l’installation et la maintenance. Pour répondre aux nombreux défis lancés par nos projets, une équipe de 8 à 9 ingénieurs, 6 à 7 assistants-ingénieurs et 2 techniciens maîtrise des connaissances et des compétences dans des domaines extrêmement variés comme la cryogénie, les matériaux, les techniques spatiales, les contraintes sous-marines, la radiation, les structures, la chimie, la mécatronique, l’automatique, la sous-traitance, la gestion projet. Notre organisation est articulée autour de deux pôles d’activités : l’ingénierie avec le bureau d’étude, la gestion de projet et la qualité d’une part, et la construction comprenant les méthodes, la fabrication, la gestion de fabrication, le contrôle, l’intégration, le montage, les tests et la maintenance d’autre part. En phase d’ingénierie, l’élaboration d’un cahier des charges permet de spécifier en détail les besoins de nos clients. Suit alors la délicate tâche de mise en place du projet et de sa gestion quotidienne, qui permet de synchroniser les différentes tâches de conception. Pour les systèmes mécaniques complexes, nous utilisons le progiciel d’aide à la conception Catia et la gestion documentaire associée. A ce stade, un prototype « en plastique » peut être réalisé par prototypage rapide afin de valider les concepts retenus. Cette définition est validée, si nécessaire, par calculs par éléments finis (sollicitations thermiques et mécaniques, comportements linéaires ou non) sur les logiciels Catia, Ansys ou Flotherm. En phase de réalisation, la conception est reprise en Fabrication Assistée par Ordinateur sur le logiciel Topsolid, puis fabriquée dans notre atelier. Nous disposons pour cela d’un parc machine composé de machines à commandes numériques (un centre d’usinage, une fraiseuse et un tour), de machines-outils conventionnelles et d’un atelier de soudage. Nous avons recours à la sous-traitance lorsque nos capacités de fabrication sont insuffisantes ou lorsque le nombre de pièces à réaliser est important. Dans tous les cas, la qualité des produits est contrôlée selon des procédures qualité définies. Pour le contrôle dimensionnel, nous disposons de deux machines à mesures tridimensionnelles (MMT) et un bras de mesure portable.

Assemblage par collage de détecteur à pixels hybrides pour le projet Atlas Pixels
Mise au point l’échangeur de filtre du télescope LSST
Intégration des détecteurs infra-rouges du plan focal du satellite Euclid

Le Service Mécanique du CPPM répond aux besoins des groupes de physique du laboratoire concernant les études, l’ingénierie mécanique, la fabrication, le montage sur site et la maintenance des réalisations effectuées. Quelques exemples de réalisations dans divers environnements sont présentés.

Les fonds marins avec MEUST/KM3NeT Nous nous sommes engagés dans le développement du télescope sous-marin KM3NeT qui instrumente plus d’un milliard de mètres cube d’eau à plus de 2000 mètres de profondeur. Nous avons pris en charge la conception et l’installation du réseau sous-marin permettant de raccorder des détecteurs (lignes de plus de 200m de hauteur). Cette infrastructure comporte des câbles sous-marins pour relier le télescope à la côte (40km), des moyens de raccordement (connecteurs, boîte de jonction, …) ainsi que des pieds de lignes (interfaces entre le réseau et les détecteurs). Les défis étaient colossaux car concevoir une structure permettant de raccorder plus de 160 lignes, fiable sur plus de 15 ans, modulable en fonction du nombre de lignes installées et maintenable avec des robots sous-marins est peu commun même dans les milieux off-shore profonds. Une première partie du réseau a été déployée en 2016 et nous travaillons actuellement à son extension. Nous avons aussi défini les procédures d’installation et de mise à l’eau des lignes de détection en étant toujours très attentifs à la sécurité de l’équipage. Plusieurs lignes ont déjà été installées avec succès.

Les accélérateurs de particules avec le détecteur ATLAS Grâce à l’expérience acquise par le service sur les détecteurs de trace à base de pixels auprès de l’expérience ATLAS située dans l’accélérateur LHC au CERN, nous avons été en charge de la coordination mécanique du projet IBL (Insertion d’une quatrième couche de détection à l’intérieur du détecteur afin de compenser son vieillissement). L’installation a été réalisée avec succès en 2015. Depuis, un projet plus ambitieux, ITK, comportant cinq fois plus de pixels que le précédent détecteur, a été lancé. Notre service joue un rôle majeur dans les mesures de caractérisation géométrique (métrologue, précisions inférieures à 0.2 mm/m) et thermoélastique (déformations thermiques < 1µm/°C) des structures en carbone du détecteur. Notre expérience dans ce type de détecteur nous positionne comme acteur incontournable dans l’assemblage des modules de détection. Nous contribuons très activement (par des prototypes et des tests par exemple) à la définition des procédures et nous sommes en charge de la coordination de l’assemblage du détecteur qui devra être terminé en 2021.

Les hautes montagnes avec LSST

LSST est un télescope de 8 mètres de diamètre dédié à l’étude de l’énergie noire. Six filtres (de 26 à 44 kg et de 80 cm de diamètre) permettent de sélectionner la couleur des objets observés. Le CPPM est en charge du système de positionnement de ces filtres devant la caméra du télescope. Ainsi, pour respecter leur intégrité, le maintien s’effectue par des mécanismes isostatiques de grande précision. La contamination est limitée grâce au choix adapté du lubrifiant et des traitements de surface. L’analyse de sûreté de fonctionnement a permis de définir une architecture de commande dans laquelle un automate de supervision s’assure de la cohérence des informations entre les capteurs et les actionneurs. Depuis 2015, un intense travail de mise au point d’un démonstrateur à l’échelle 1, mais aussi des interfaces avec le télescope, a permis de valider la conception. Nous sommes actuellement en cours de construction du système final qui devra s’intégrer au système global de gestion des filtres dont le CPPM assure la coordination de la construction.

L’espace avec la mission Euclid

Euclid est un télescope spatial qui comporte un imageur constitué de 16 détecteurs infrarouge (IR). Le CPPM a en charge la qualification des détecteurs IR ainsi que leur intégration dans le plan focal. Pour ce faire, nous avons été amenés à construire deux cryostats. Une instrumentation complexe a été développée pour piloter le refroidissement afin de ne pas détériorer les détecteurs. Tout est conçu pour garantir un alignement parfait à froid et exclure toute contrainte thermomécanique. L’intégration de l’imageur a été délicate car les détecteurs sont parmi les éléments les plus sensibles de l’instrument. Ce montage, assisté par de la métrologie sans contact, a nécessité de nombreux outillages complexes. Nous avons livré l’imageur au CNES fin 2018.

Mise à l'eau du premier noeud du détecteur KM3NeT
Mise au point l’échangeur de filtre du télescope LSST
Intégration des détecteurs infra-rouges du plan focal du satellite Euclid