Section 01 Interactions, particules, noyaux, du laboratoire au cosmos

V. R&D accélérateurs et instrumentation

Les programmes scientifiques menés à l'IN2P3 en physique nucléaire, en physique des particules, en astroparticules et en cosmologie ainsi que dans des domaines émergents comme ceux liés à la santé, nécessitent des instruments spécifiques qui ne peuvent être développés qu'au sein même des laboratoires.

A. Détecteurs

Une effervescence d'activités de R&D autour des détecteurs a permis, ces dernières années, aux laboratoires français de jouer un rôle de leadership dans de nombreux projets internationaux. C'est notamment le cas en physique des particules avec le développement de détecteurs à pixels pour la jouvence de LHC au CERN et les développements de calorimètres ultra-granulaires pour les futurs collisionneurs linéaires. Il en est de même en cosmologie avec des détecteurs de plus en plus précis comme ceux développés pour la détection des ondes gravitationnelles dans Advanced Virgo et pour l'étude de l'énergie noire dans l'Univers avec LSST et EUCLID. Dans le domaine des astroparticules et du neutrino, des progrès importants ont été réalisés dans le développement et la construction des détecteurs de plus grande masse afin d'atteindre des sensibilités jamais obtenues auparavant comme en attestent les activités menées au sein d'Edelweiss, SuperNemo et LBNO. En physique nucléaire, les activités instrumentales, surtout autour des détecteurs gazeux et des détecteurs tels que AGATA et PARIS utilisant de nouveaux cristaux pour la détection des γ, ont connu un grand élan dans le cadre de la préparation du futur projet de SPIRAL2. Un autre secteur qui témoigne d'un dynamisme remarquable est celui des applications médicales liées aux détecteurs développés dans le cadre des thérapies du cancer en utilisant des faisceaux de protons et d'ions lourds.

Dans tous ces domaines, les performances attendues des détecteurs sont de plus en plus contraintes en termes de granularité, sensibilité, dynamique, résolution, vitesse, tolérance aux radiations, intégration et transparence. Pour faire face à tous ces défis, un nombre important de métiers et compétences sont mobilisés. L'hyperspécialisation des métiers et le contexte actuel des ressources ont conduit à rationaliser ces R&D en amont, en favorisant l'émergence de réseaux d'experts autour des principales familles de détecteurs et de techniques transverses associées. Huit réseaux instrumentaux ont été mis en place : photodétection, détecteurs semi-conducteurs, gazeux, cryogéniques ou radiofréquence, acquisition de données, microélectronique et mécanique. Cette organisation en réseau permet d'identifier les technologies émergentes et les compétences locales, et de les soutenir. Les échanges entre experts favorisent la mise en commun des meilleures pratiques et des outils, et ainsi la rationalisation des ressources.

B. Électronique

Un autre domaine de l'instrumentation qui a une place majeure au sein de l'IN2P3 est celui de l'électronique. Celle-ci suit l'évolution des techniques de détection et essaye d'anticiper les besoins des expériences futures. Le nombre de voies, les contraintes d'intégration, les vitesses d'acquisition, etc., nécessitent une réponse spécifique à chaque problématique et donc le maintien d'un niveau d'expertise, d'une veille technologique et d'une R&D au plus haut niveau. La structure de l'institut en 21 laboratoires facilite l'organisation d'écoles, de conférences ainsi que le travail en réseau, permettant ainsi le partage d'expertises entre différents sites.

Des tendances majeures sont à noter dans le panorama des développements en matière d'électronique :

– l'émergence des détecteurs silicium petits, bon marché, à relativement basse tension d'alimentation et avec une très faible consommation, qui conduit à de nombreux projets de collaborations technologiques, en particulier dans le secteur de la santé.

– l'électronique à proximité immédiate du détecteur intègre de plus en plus de numérique dans les circuits intégrés (ASICs) ce qui redessine le contour des pratiques et des approches tant au niveau des métiers que des architectures d'acquisition.

– l'évolution des technologies de ces ASICs avec la transition du 0,35 um vers le 0,18 et le 0,13, mais aussi l'émergence des technologies 3D et de la 65 nm dessinent un vrai saut dans les performances, mais aussi dans les difficultés liées à leur conception.

– une évolution spectaculaire des performances des FPGAs intégrant processeurs (ARMs, Cortex...), bus (Ethernet. PCI-e...), transceivers (Gigabits), DSP, avec comme corollaire un haut niveau de spécialisation des ingénieurs et la nécessité d'une formation spécifique aux outils de développements complexes.

C. Accélérateurs

À l'IN2P3, une dizaine de laboratoires ont une activité liée aux accélérateurs, et environ 15 % des personnels travaillent directement dans ce domaine que ce soit pour la R&D, la construction de machines, ou bien encore l'exploitation (environ 5 % des effectifs de l'institut). Les groupes les plus importants sont à l'IPN d'Orsay, au LAL et au LPSC de Grenoble. L'avenir du domaine fait l'objet de prospectives régulières au niveau national dans le cadre des journées CNRS-IN2P3/CEA-IRFU, ce qui permet d'identifier les domaines de compétences, et d'envisager l'avenir des activités avec une vision commune.

L'IN2P3 consacre des efforts importants à la construction d'accélérateurs avec une excellente visibilité dans le domaine des LINACs forts courants (SPIRAL2, FAIR, ESS, LINAC4), des coupleurs de puissance radiofréquence (XFEL), des sources compactes de rayons X et de γ (Thom-X, ELI-NP) ou encore pour la génération de neutrons pour les réacteurs nucléaires pilotés par accélérateurs (MYRRHA). Ces conceptions et réalisations témoignent du savoir-faire des équipes françaises, et de leur capacité à se fédérer pour concevoir et réaliser des accélérateurs complexes. Les constructions permettent de valoriser les activités de R&D menées par les laboratoires. Il est important de veiller à un bon équilibre entre ces deux types d'activités qui sont complémentaires, ceci doit permettre à l'IN2P3 de jouer un rôle important dans la construction des machines du futur.

Les domaines où l'apport des laboratoires de l'IN2P3 a un fort impact au niveau international sont la conception, la réalisation et la mise en œuvre des cavités RF supraconductrices, de leurs coupleurs et de la cryogénie associée ; de même, l'IN2P3 a un savoir-faire reconnu dans le développement des sources d'ions, d'électrons et de positrons, et dans les études de dynamique faisceau. La production de faisceaux radioactifs est une spécialité qui s'est développée autour des installations SPIRAL et ALTO ainsi que lors de la conception de SPIRAL2-phase 2. La production de neutrons pour les réacteurs nucléaires a conforté son développement lors de la réalisation et de l'exploitation de l'accélérateur de GUINEVERE par le LPSC.

Le domaine le plus prospectif, mais qui se développe rapidement concerne les nouvelles techniques d'accélération telle que l'accélération laser-plasma.

Au-delà des techniques d'accélération, les équipes ont de solides compétences dans les diagnostics de faisceaux qui sont essentiels, que ce soit dans le domaine des faisceaux d'ions stables ou d'électrons de haute intensité, dans le domaine des faisceaux de très faibles intensités tels que les ions radioactifs, ou encore pour les faisceaux nanométriques. Les laboratoires s'appuient, pour mener à bien la R&D sur un certain nombre de plate-formes, telles que SupraTech à l'IPNO pour les cavités supraconductrices et la cryogénie ; la station coupleurs XFEL au LAL, actuellement utilisée pour le conditionnement, et qui permettra par la suite de développer des coupleurs de nouvelle technologie. Les développements d'accélérateurs sont faits en étroite collaboration avec le monde industriel, et induisent une activité de valorisation, allant parfois jusqu'à la création de startups. On peut citer pour exemple PANTECHNIK ou, plus récemment, Polygon Physics, issues de la R&D sur les sources d'ions. Un certain nombre d'installations dans les laboratoires sont directement en prise avec le monde économique et social, elles permettent par exemple la caractérisation des matériaux, la production de radio-isotopes, l'étude de l'impact des rayonnements ionisants sur le vivant, la résistance des circuits électroniques en milieu hostile, mais aussi les études sur le traitement des tumeurs ainsi que le développement d'incinérateurs de déchets nucléaires.