En 2011, P2IO a financé 9 projets R&D :
Détecteur d'ionisation pour le projet CaLIPSO
D. Yvon (Irfu/DPhP)
Le programme de recherche CaLIPSO s'est concentré sur la réalisation d'une preuve de concept d'une chambre d'ionisation liquide fortement pixellisée, utilisant le triméthyl bismuth (TMBi). Il s'agissait de réaliser la détection de charges libres par couplage capacitif dans un environnement ultra-propre (technologie de l'ultra-vide) exempt de contaminants électronégatifs. De plus, le milieu de détection est chimiquement agressif. Si les surfaces mises en œuvre étaient blanches (surface diffusant parfaitement la lumière), ce serait un plus. Nous avons exploré et optimisé la technologie de la céramique résistive et préparé de petits dispositifs de test afin de démontrer cette technologie. Nous avons proposé d'utiliser l'équipement à faisceau disponible au CSNSM pour implanter des métaux à la surface de céramiques d'alumine commerciales mais pures.
Description du travail réalisé :
Nous avons décidé de déposer une très fine couche de métal noble (Ir) <10 nm sur la surface de la céramique. La résistivité a été mesurée : quelques kOhm.carré. Un faisceau d'ions de faible intensité et de faible énergie a ensuite été utilisé pour insérer ce métal dans la surface de la céramique, et obtenir la résistivité souhaitée sans trop dégrader la surface de la céramique. Nous avons finalement préparé quelques échantillons avec une résistivité de quelques GOhm.carré, après nettoyage à l'eau déionisée, correspondant à notre besoin.
Nous avons conçu et développé les technologies nécessaires à l'assemblage d'un modèle de détecteur d'ionisation mono modèle de détecteur à pixel unique, compatible TMBi. Ensuite, nous avons travaillé sur l'ASIC IDeF-X, développé pour les expériences sur les vaisseaux spatiaux. Nous avons montré que, grâce à la flexibilité de la conception de l'ASIC, ce dispositif répond à nos besoins pour la lecture de signaux de charge CaLIPSO.
Nous avons recherché des sous-traitants et commandé un prototype de carte de détection appelé "sensor pads 0" selon notre ensemble de contraintes. Nous avons observé que :
Les progrès technologiques réalisés sur le prototype mono-pixel ont permis de relâcher les contraintes de notre spécification. Nous avons donc décidé de modifier l'implémentation matérielle des circuits de routage dans la carte.
Développement d'un petit prototype de télescope Compton avec rayons gamma
V. Tatischeff (CSNSM)
L'Astronomie dans le domaine des rayons gamma dans la gamme 0,1 - 10 MeV est riche de promesse pour ce qui est d'élucider de nombreuses questions fondamentales concernant, par exemple, la nucléosynthèse dans les explosions d'étoiles (novæ et supernovæ), l'origine des raies cosmiques et les lois de la physique aux abords des étoiles à neutron et des trous noirs.
Cependant, une fois que les instruments à bord de l'observatoire INTEGRAL de l'ESA auront été éteints dans quelques années, ce domaine d'énergie sera inaccessible pour les astronomes. L'un des concepts le plus prometteur pour la nouvelle génération d'instruments spatiaux du rayonnement gamma est le télescope Compton, constitué de deux parties principales : un détecteur de traces optimisé pour la diffusion Compton de rayons gamma cosmiques et un calorimètre pour absorber les photons diffusés.
Le projet P2IO a rendu possible la construction d'un petit prototype de ce genre d'instrument en utilisant les avancées récentes dans les technologies des détecteurs et de l'électronique de lecture intégré. Le prototype combine plusieurs fines couches de détecteurs silicium double face à pistes (DSSSD) avec un scintillateur au bromure de lanthane dopé au Cérium (LaBr3:Ce) couplé à un tube photomultiplicateur multi-anodes (MAPMT). Les résultats obtenus montrent que ce type de détecteur est très prometteur pour un futur télescope spatial du rayonnement gamma.
Astronomy of high angular precision and polarimetry over the threshold of pair creation, MeV-GeV
D. Bernard (IN2P3)
Le projet HARPO, "Hermetic Argon Polarimeter", a démontré pour la première fois la mesure de la polarisation de rayons gamma d'une énergie de la gamme du MeV. Ce type d'instrument pourrait permettre d'ouvrir deux nouvelles fenêtres sur l'Univers.
La seconde fenêtre est la polarimétrie. Mesurer la fraction de polarisation du rayonnement émis par une source permet en effet de comprendre la structure physique et les caractéristiques de celle-ci, informations qui sont difficiles ou parfois impossible à obtenir. Comme de nombreux objets astrophysiques émettent une grande puissance au MeV (sursauts gamma, blazars, pulsars...), un instrument avec la sensitivité et la capacité d'effectuer une polarimétrie dans cette gamme en énergie serait d'une aide précieuse.
La mesure de la fraction de polarisation et de son angle dans la plage d'énergie qui s'étend du MeV au GeV, pour laquelle la détection du photon a lieu par conversion en une paire électron-positron (e-e+) est maintenant possible grâce à une chambre à projection temporelle (TPC), développée par une équipe du LLR, pour mesurer le tout début du parcours de l'électron et du positron dans le détecteur, juste après la conversion du photon, permettant la mesure du vecteur polarisation du rayonnement avant que la diffusion multiple ne dilue l'information.
Vous pouvez retrouver sur ce lien la publication découlant de ce travail : https://inspirehep.net/literature/1606056
Développement et mise en œuvre de capteurs à semi-conducteurs pour mesurer le halo du faisceau ATF2 et détecter les électrons de recul Compton après le point d'interaction
P. Bambade (LAL)
Ce projet vise à développer des outils et une méthodologie appropriés pour évaluer et contrôler le halo de faisceau dans les accélérateurs pour la physique des particules. Cet aspect est très important pour l'exploitation des collisionneurs à haute énergie et haute luminosité, car les faisceaux doivent être focalisés dans des dimensions transversales extrêmement fines, ce qui a pour conséquence d'entraîner des particules de halo vers le tube du faisceau à des endroits proches du point d'interaction. La collimation du halo de faisceau est un aspect particulièrement délicat et critique de tous les collisionneurs actuels et futurs. Le savoir-faire développé dans le cadre de ce projet a donc une grande valeur ajoutée en termes de contribution à la création de conditions expérimentales acceptables pour les collisionneurs existants et futurs pour la physique des particule.
Le principal objectif technique de ce projet était de développer un moniteur de profil de halo de faisceau adapté au fonctionnement dans la chambre à vide de la ligne de faisceau ATF2 à KEK, capable notamment de résister à un environnement à fort rayonnement et de réaliser des mesures très rapides sur une très grande plage dynamique. C'est dans ce contexte que les capteurs en diamant ont été choisis. L'objectif scientifique directement lié était l'étude et la caractérisation des mécanismes de génération et de transport du halo de faisceau, à la fois par des calculs et des mesures à ATF2. Un objectif secondaire important, à orientation technologique, était également d'apprendre à connaître les capteurs en diamant de manière plus générale, afin de maîtriser à la fois la gestion interne de plusieurs aspects de la fabrication et l'utilisation dans une gamme de conditions diverses. Ce projet, financé par P2IO, a servi de tremplin efficace pour faire une proposition technique appropriée et obtenir un financement européen dans le cadre de H2020.
Ce projet a progressé de manière significative dans trois de ses principaux domaines :
Calcul en grille avec processeurs GPUs
D. Chamont (LLR)
L’industrie informatique poursuit sa course à la performance non plus en augmentant la fréquence des processeurs, mais en multipliant les coeurs de calcul, qui tendent à devenir plus légers et moins dotés individuellement en mémoire vive. Face à cette évolution du marché, le patrimoine logiciel de la physique des hautes énergies doit être totalement remanié, sous peine de devenir inutilisable sur les architectures matérielles de nouvelle génération.
Afin de préparer cette transition, les membres du projet GridCL étudient le portage des applications logicielles de P2IO vers ce qui préfigure le mieux la multiplication des coeurs, à savoir les accélérateurs de calcul, notamment ceux que proposent NVIDIA et INTEL. Conscients de l’hétérogénéité matérielle des grilles de calcul, les approches logicielles les plus portables sont privilégiées, en particulier le standard OpenCL.
SAMpler for PICosecond time pick-off : électronique 1 ps
E. Delagnes (Irfu/DEDIP)
Ce projet a pour but la réalisation d'un système électronique de mesure du temps absolu basé sur une nouvelle puce destinée à être utilisée dans les AFP dans un environnement à haute luminosité. La puce SAMPIC a été conçue par une collaboration incluant le CEA/IRFU/SEDI, Saclay et le CNRS/LAL/SERDI, Orsay.
Le principe de cette puce est le suivant : détection d'un événement d'intérêt, échantillonnage et estimation du temps, conversion analogique-numérique et lecture de la région d'intérêt, le tout basé sur un capteur CMOS.
Elle bénéficie à la fois de la rapidité de réponse d'un convertisseur temps-numérique et de la polyvalence d'un numériseur de forme d'onde pour effectuer des mesures temporelles précises. Grâce aux signaux échantillonnés, des algorithmes intelligents exploitant au mieux la forme de l'impulsion peuvent être utilisés pour améliorer la résolution temporelle. Un logiciel a été développé pour analyser les données de sortie du SAMPIC et extraire les informations temporelles en utilisant soit un discriminateur de fraction constante, soit un algorithme de corrélation croisée rapide. Les capacités temporelles de SAMPIC ainsi que le cadre logiciel ont été testés en utilisant des impulsions générées par un générateur de signaux ou par un détecteur de silicium illuminé par un laser infrarouge pulsé. Dans ces conditions expérimentales idéales, la puce SAMPIC s'est avérée capable de résolutions temporelles allant jusqu'à 4 ps avec des signaux synthétisés et 40 ps avec des signaux de détecteur au silicium.
Un nouveau concept de décélérateurs antiprotons
D. Lunney (CSNSM)
La question de l'existence bien réelle d'une forme d'antigravité est une interrogation à laquelle les physiciens ont tenté de répondre depuis des décennies. Devant les enjeux d'une découverte non seulement d'effet d'antigravité, mais aussi de différences entre la matière et l'antimatière qui pourraient expliquer pourquoi cette dernière est quasiment absente dans le cosmos observable, les physiciens ont décidé d'en avoir le cœur net. Des expériences menées au Cern, comme celle appelée "GBAR", doivent le vérifier.
L'objectif de ce projet R&D est la réalisation d'un nouveau concept de décélérateur pour la production d'antimatière, sous-tâche de l'expérience GBAR (Gravitational Behavior of Antimatter at Rest) du CERN.
Les ingrédients de l'antihydrogène sont nécessairement créés à haute énergie avec des accélérateurs de particules alors qu'une synthèse efficace nécessite de les ralentir. En appliquant des techniques de physique atomique qui ont été utilisées avec succès pour manipuler des espèces radioactives exotiques, les porteurs du projet ont proposé une installation de décélérateur électrostatique pour fournir des impulsions de faisceau d'antiprotons de faible énergie, inférieures à 1 keV.
Ce développement repose sur la commutation très rapide d'un tube de dérive de 100 keV à la masse, ainsi que sur des optiques de faisceau supplémentaires pour préparer le faisceau d'antiprotons. Les fonds accordés par P2IO ont été utilisés pour construire et tester un tel décélérateur. L'instrument construit a pour destination l’installation antiprotonique AD du CERN. Couplé à l'anneau de stockage ELENA, le décélérateur doit être utilisé pour aider à la mise en service d'ELENA. Bien que conçu spécifiquement pour l'expérience GBAR, le nouveau décélérateur profitera à toutes les expériences qui prévoient d'utiliser l'installation ELENA.
Le concept schématique du décélérateur d'antiprotons est illustré sur la figure ci-dessous.
L'impulsion du faisceau incident d'antiprotons de 100 keV est décélérée par des électrodes cylindriques, maintenues à des potentiels atteignant -99 kV. Lorsque l'impulsion pénètre dans l'électrode du tube de dérive, la tension est rapidement (100-200 ns) commutée de -99 kV à la masse. À l'intérieur du conducteur, les antiprotons ne ressentent aucun gradient de potentiel et restent à une énergie de 1 keV à la sortie du tube de dérive.
Au cours du projet, ont été effectué : des simulations, la conception, la construction et des tests expérimentaux. De nouvelles simulations ont été nécessaires à mi-parcours du projet, car les spécifications du faisceau d'antiprotons fourni par ELENA sont devenues dix fois plus sévères (0,1 %). Cela a conduit à la géométrie à deux étages, plus optimisée. Ce travail a été réalisé dans le cadre d'un projet de master de T. Ke (M1 - Energie nucléaire, Paristech) d'avril à août 2014. Les premiers dessins techniques ont été réalisés pour ce système et le matériel a été commandé. Toutes les électrodes ont été usinées et montées dans un système à vide basé sur le KF, construit à partir de composants modulaires de taille standard. Il fallait en effet valider la géométrie du décélérateur avant de l'installer dans un système CF (vide poussé), fabriqué en acier non magnétique 316LN.
Un programme de tests avec des énergies de faisceau de protons jusqu'à 10 keV a été réalisé et il a été possible de décélérer des impulsions de 10 keV à 1 keV en 200 ns. Il s'agit de résultats importants qui permettent de passer à l'échelle de 100 keV sans problème. Ces résultats ont été obtenus dans le cadre du projet de stage M2 ENSTA-Paristech de A. Pandey (d'avril à août 2013). Le transformateur d'isolement de 100 kV a été placé sous une plate-forme haute tension et les éléments de sécurité ont été assemblés. Ce travail, ainsi que d'autres tâches d'installation et de mesures, ont été réalisés pendant le stage de DUT-mesures physiques de Y. Zhang, (IUT d'Orsay) d'avril à juin 2014.
L'expérience GBAR aborde des questions de physique fondamentale, notamment la symétrie entre la matière et l'antimatière, qui est au cœur des deux infinités de P2IO. GBAR a été approuvé et un protocole d'accord a été signé par le CERN et les 17 instituts collaborateurs. P2IO a joué un rôle extrêmement important et catalyseur pour GBAR en fournissant les l'équipement nécessaire pour construire (et tester) le prototype du décélérateur.
En 2014, une nouvelle bourse (quatre ans) de l'ANR (appelée ANTION - coordonnée par l'IRFU-Saclay avec le CSNSM-Orsay et le LKB-Paris comme partenaires) a été reçue. L'ANR a fourni l'équipement et la main d'œuvre nécessaires à la poursuite de ce travail.
Publications découlants de ce projet:
Nouvelle génération de capteurs cryogéniques pour l'observation en astrophysique et cosmologie
D. Yvon (Irfu/DPhP)
L'objectif de ce projet est le développement d'un capteur cryogénique innovant avec des applications directes pour les observations astrophysiques et cosmologiques. Les réseaux de bolomètres basse température ont joué un rôle clé dans ce domaine (missions spatiales Planck et Herschel, observations au télescope du pôle Sud...) et ouvrent maintenant la voie à certains projets majeurs concernant la polarisation en mode B du CMB et les observations spatiales en rayons X. En outre, plusieurs projets de physique des particules, liés à la recherche d'événements rares, sont basés sur des détecteurs similaires. Le présent projet P2IO a permis le développement de films minces très sensibles à haute impédance. Cette solution combine la haute sensibilité d'un dispositif TES "classique" avec la possibilité d'utiliser une électronique de lecture à haute impédance, basée sur des transistors JFET ou HEMT. En outre, les TES en NbSi peuvent être facilement adaptés à une grande variété d'exigences expérimentales.
En pratique, l'énergie déposée dans le détecteur induit une augmentation de température qui est continuellement contrôlée par un film mince supraconducteur. Une petite variation de température donnera un changement substantiel de la résistance du TES. Le défi majeur de ce projet est lié au développement d'un processus de fabrication fiable et reproductible. Le procédé finalement approuvé consiste en trois étapes consécutives de décollage réalisées par photolithographie. Le projet P2IO a également contribué à la réalisation d'un amplificateur dédié à faible bruit basé sur des transistors frontaux HEMT.
Ce dispositif de détection à basse température très prometteur a des applications potentielles dans le domaine de l'imagerie radiologique. Plusieurs laboratoires P2IO soutiennent la future mission spatiale ATHENA+, qui nécessite un détecteur calorimétrique à rayons X pour la gamme d'énergie 100eV-15keV. Ce détecteur cryogénique NbSi TES combiné à un schéma de multiplexage basé sur un HEMT est une solution intéressante pour ce type de mission. Au-delà des calorimètres à rayons X, les TES à haute impédance sont également très intéressants pour la détection de la lumière visible à basse température et pour les bolomètres de recherche d'événements rares de grande masse. La désintégration double bêta sans neutrinos utilisant des bolomètres scintillants à basse température et la recherche directe de matière noire en sont des exemples typiques.
Couche mince supraconductrice multicouche pour la cavité d'accélération SRF
G. Martinet (IPN)
Les objectifs principaux de ce projet sont le développement de films Nb avec des propriétés correspondant au Nb massif ainsi qu’une évaluation du potentiel des structures multicouches nanométriques SIS pour des applications SRF.
Les modes de croissance en hétéroépitaxie et colonnaire fibreux ont été étudiés sous différentes conditions afin de déterminer les conditions optimales de dépôts pour des surfaces RF basées sur des films de Nb. L’influence de l’énergie des ions incidents et de la température du substrat sur la structure du film Nb a été étudiée. Des films Nb monocristallins ont été produits en épitaxie par déposition plasma ECR sur une variété de substrats cristallins, métalliques et isolants.
La croissance des films Nb ECR a aussi été étudiée sur des substrats polycristallins et amorphes. Cette étude révèle qu’en variant la température du substrat et l’énergie des ions Nb incidents, la structure du film varie. Les films ECR révèlent des concentrations d’impuretés légères telles que l’hydrogène plus faibles de plusieurs ordres de grandeur que pour les surfaces de Nb massif préparée en l’état de l’art. Il a été démontré que les valeurs de RRR pour les films de Nb peuvent variées de valeurs à un seul chiffre jusqu’à des valeurs sans précèdent et comparable au Nb massif. Les mesures du gap supraconducteur révèlent également des valeurs équivalentes au gap supraconducteur du Nb massif.
Le développement des structures de films multicouches SIS suivant le concept propose par Gurevich a été étudié avec le NbTiN et l’AlN respectivement pour les films à haute Tc et diélectrique. Des monocouches de NbTiN de bonne qualité ont été produites par pulvérisation magnétron DC à différentes épaisseurs. Une Tc équivalente au NbTiN massif est obtenue pour des films d’épaisseur > 1 um. Les premiers films de NbTiN produits par HiPIMS ont été produits avec une Tc de l’ordre de 16.6 K. Les mesures par magnétométrie SQUID pour des films très minces NbTiN/MgO révèlent une augmentation modeste du champ critique Hc1. Des structures multicouches NbTiN/AlN de bonne qualité ont été produites.
La caractérisation RF de ces structures SIS déposées sur du Nb massif et sur des films Nb/Cu révèlent que ce concept a le potentiel de retarder la pénétration des fluxons et d’améliorer les performances RF pour les cavités SRF au-delà du Nb massif.
