Les sujets de thèses

6 sujets IRFU/DEDIP

Dernière mise à jour : 25-04-2019


• Astrophysique

• Mathématiques - Analyse numérique - Simulation

• Physique des particules

• Physique nucléaire

 

Intégration de capteurs à transition supraconductrice (TES) haute impédance pour la réalisation de spectro-imageurs X pour l’astrophysique spatiale, et développement d’une micro-électronique cryogénique de multiplexage associée

SL-DRF-19-0555

Domaine de recherche : Astrophysique
Laboratoire d'accueil :

Département d'Electronique, des Détecteurs et d'Informatique pour la physique (DEDIP)

Laboratoire d’Intégration des Systèmes Electroniques de Traitement et d’Acquisition (LISETA)

Saclay

Contact :

Xavier de la BROÏSE

Jean-Luc SAUVAGEOT

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-10-2019

Contact :

Xavier de la BROÏSE

CEA - DSM/IRFU/SEDI/STREAM

0169084093

Directeur de thèse :

Jean-Luc SAUVAGEOT

CEA - DRF/IRFU/DAP/LSIS

0169088052

Labo : irfu.cea.fr

La recherche en astrophysique requiert le développement de caméras de très hautes performances embarquées dans des observatoires spatiaux. L’observation de l’univers dans la gamme des rayons X (spectro-imagerie X) nécessite des détecteurs formés de matrices de microcalorimètres fonctionnant à très basse température (50 mK). L’absorption par le détecteur d’un photon X provenant de l’objet céleste observé provoque une micro-élévation de température du détecteur. La mesure de cette élévation de température, qui permet de déterminer l’énergie du photon, requiert des micro-thermomètres ultra-sensibles, et une électronique cryogénique à très bas bruit capable de les lire.

Deux technologies de thermomètres ont été utilisées jusqu’ici : les thermomètres à transition métal-isolant (MIS) en silicium dopé, de haute impédance, et les thermomètres à transition supraconductrice (TES), de très basse impédance. Chacune nécessite une électronique très spécifique, soit à base de transistors HEMT pour s’adapter aux hautes impédances, soit à base de SQUID pour s’adapter aux très basses impédances. Les hautes impédances ont l’avantage d’une dissipation thermique sur l’étage de détection extrêmement réduite, ce qui autorise un grand nombre de pixels, tandis que les TES très basse impédance, plus sensibles que les MIS, facilitent l’obtention d’excellentes résolutions spectrales.

Il y a quelques années, un nouveau type de thermomètres a été mis au point par le CNRS/CSNSM : il s’agit de TES haute impédance, permettant potentiellement de concilier les avantages de l’un et l’autre types de détecteurs. Une première thèse a été réalisée dans notre laboratoire (2016 – 2019), avec pour objectif d’évaluer cette nouvelle voie en la mettant en œuvre pour la première fois, et en l’associant à une architecture électronique de lecture novatrice réalisant une contre-réaction électrothermique active. Cette thèse a mis en évidence le caractère extrêmement prometteur du dispositif par l’obtention de premières mesures expérimentales très intéressantes.

L’objectif de la nouvelle thèse proposée ici est de poursuivre ce travail exploratoire en lui faisant franchir une nouvelle étape majeure : valider la faisabilité d’une matrice de plusieurs milliers de pixels à partir de cette nouvelle technologie. Pour cela le travail s’orientera selon deux axes parallèles : d’une part mener à bien un travail complet d’amélioration et d’optimisation destiné à tirer du dispositif ses meilleures performances, et d’autre part concevoir et tester le système électronique intégré (ASIC) de multiplexage indispensable à la réalisation de futures grandes matrices.

La difficulté principale tient dans les conditions de mise en œuvre du système : le détecteur doit être placé dans un cryo-générateur pour être refroidi à très basse température (50 mK), et doté d’une électronique cryogénique, à concevoir, fonctionnant à 4 K. Celle-ci devra assurer non seulement le multiplexage et l’amplification du signal mais également, en dépit de ce multiplexage, le maintien d’une contre-réaction électrothermique active des détecteurs, et ceci tout en satisfaisant aux contraintes de bruit et de dissipation thermique extrêmement sévères qu’exige la cryogénie spatiale.

Séparation de composantes à partir de donnée multi-fréquences en radio-interférométrie, application à l'estimation du signal EoR

SL-DRF-19-0119

Domaine de recherche : Mathématiques - Analyse numérique - Simulation
Laboratoire d'accueil :

Département d'Electronique, des Détecteurs et d'Informatique pour la physique (DEDIP)

Laboratoire de cosmologie et statistiques (LCS)

Saclay

Contact :

Jérôme Bobin

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-10-2019

Contact :

Jérôme Bobin

CEA - DRF/IRFU/SEDI/LCS

0169084463

Directeur de thèse :

Jérôme Bobin

CEA - DRF/IRFU/SEDI/LCS

0169084463

Page perso : http://jbobin.cosmostat.org

Labo : http://www.cosmostat.org

Avec le développement des radio-télescopes de taille continentale, l'analyse de données radio-interférométriques multi-fréquences devient un enjeu majeur tant en traitement du signal qu'en astrophysique. A ce titre, l'un des objets d'intérêt astrophysique est le signal cosmologique à l'époque de la réionisation de l'Univers dont l'extraction repose sur l'utilisation de méthodes de séparation de composantes. De telles méthodes permettent de décomposer des données multi-fréquences en composantes physiques élémentaires. Cependant, les méthodes actuelles sont limitées à plus d'un titre: i) les données sont constituées de mesures incomplètes dans le domaine de Fourier et ii) le signal recherché est bien plus faible que le niveau des sources d'origine galactique ou le bruit instrumental. En conséquence, l'extraction du signal EoR requiert le développement de méthodes de séparation de composantes dédiées permettant de résoudre à la fois un problème de séparation et d'échantillonnage compressé (compressed sensing) pour la prise en compte de l'incomplétude des données. Par ailleurs, le niveau de précision nécessaire conduira à la prise en compte de modèles physiques paramétriques et généralement non-linéaires au sein même de l'algorithme de séparation. Ces développements pourront faire appel à des outils de Machine Learning pour l'apprentissage de modèles complexes. Enfin, l'astrophysique entrant dans l'ère

du Big Data, une attention particulière sera portée sur la mise en oeuvre d'algorithmes efficaces d'un point de vue computationnel.

Amélioration du spectromètre a muons et physique du boson Z dans ATLAS

SL-DRF-19-0671

Domaine de recherche : Physique des particules
Laboratoire d'accueil :

Département d'Electronique, des Détecteurs et d'Informatique pour la physique (DEDIP)

DÉtecteurs: PHYsique et Simulation (DEPHYS)

Saclay

Contact :

Fabrice Balli

Esther FERRER RIBAS

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-10-2019

Contact :

Fabrice Balli

CEA - DRF/IRFU/SPP/Atlas

+33169081715

Directeur de thèse :

Esther FERRER RIBAS

CEA - DRF/IRFU/DEDIP/DEPHYS

0169083852

Labo : http://irfu.cea.fr/en/Phocea/Vie_des_labos/Ast/ast_technique.php?id_ast=2225&id_unit=537

Voir aussi : http://irfu.cea.fr/Pisp/esther.ferrer-ribas/

ATLAS, une expérience majeure du LHC, commence sa préparation en vue de l’augmentation de la luminosité prévue pour le Run3 et le HL-LHC. Le travail consistera dans un premier temps à réaliser l’analyse de données de qualification des nouveaux détecteurs à muons qui intégreront l’expérience dès 2020. La thèse se poursuivra par une mesure dans le domaine de la physique de précision du boson Z avec les données d’ATLAS.



La première année, l’étudiant se focalisera sur l’analyse des données cosmiques du banc de test pour un futur détecteur d’ATLAS au LHC, la nouvelle petite roue (NSW). Ce détecteur est de type Micromégas et devrait être installé à partir de 2020. Ces nouveaux modules sont nécessaires pour suivre l’amélioration des performances de l’accélérateur LHC attendue à l’horizon 2020, en termes de luminosité et de flux de particules produites. Les détecteurs Micromegas, pour MICRO MEsh GAseous Structure, sont des détecteurs de particules gazeux, issus du développement des chambres à fils, mais permettant un fonctionnement à haut flux et une construction simplifiée utilisant des procédés issus de la technologie des circuits imprimés. Inventés en 1992 par Georges Charpak et Ioannis Giomataris, les détecteurs Micromegas sont utilisés principalement en physique expérimentale (physique des particules, physique nucléaire, astrophysique, etc.) mais également pour des projets d’imagerie de grandes structures ou des objets denses avec des rayons cosmiques. Le travail consistera à valider les modules par l’analyse des données sur le banc cosmique de Saclay et à la participation des faisceaux tests au CERN.

Pour les deux autres années de thèse, le sujet est centré autour de la physique de précision électrofaible dans ATLAS. Le but est de mesurer avec la meilleure précision possible l’angle de mélange électrofaible, ainsi que la masse du boson Z, en exploitant les données du Run2 (et éventuellement du Run3). Le canal exploré est celui du boson Z se désintégrant en une paire de leptons muon-antimuon. L’étudiant devra travailler sur la calibration des muons en utilisant le J/Psi comme référence, et devra aussi, par des ajustements astucieux, réduire les incertitudes liées aux fonctions de structure du proton (PDFs). Ces mesures devraient amener à une amélioration sensible du fit électrofaible et ainsi contraindre le Modèle Standard, ainsi que la physique au-delà du Modèle Standard, de façon significative.



Développement d’un nouvel instrument de tomographie muonique pour les applications sociétales

SL-DRF-19-0246

Domaine de recherche : Physique des particules
Laboratoire d'accueil :

Département d'Electronique, des Détecteurs et d'Informatique pour la physique (DEDIP)

DÉtecteurs: PHYsique et Simulation (DEPHYS)

Saclay

Contact :

David ATTIÉ

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-10-2018

Contact :

David ATTIÉ

CEA - DRF/IRFU/DEDIP/DEPHYS

(+33)(0)1 69 08 11 14

Directeur de thèse :

David ATTIÉ

CEA - DRF/IRFU/DEDIP/DEPHYS

(+33)(0)1 69 08 11 14

Voir aussi : https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0168900217308495

La tomographie muonique, ou muographie, consiste à utiliser les muons cosmiques pour imager des objets en profondeur. Ces muons très énergétiques, produits dans les gerbes de particules issues de l'interaction entre le rayonnement cosmique et l'atmosphère, sont en effet capables de traverser plusieurs centaines de mètres de roche avant d’être absorbés. Les progrès considérables réalisés ces dernières années sur les détecteurs de particules (résolution spatiale, robustesse, électronique associée, etc.) ont récemment suscité un vif intérêt pour la muographie dans de très nombreuses disciplines.



Un premier prototype de télescope à muons a été réalisé et testé en 2015 en utilisant des détecteurs gazeux à micro-pistes (Micromegas) et un système breveté de multiplexage. L'année suivante, trois télescopes à muons ont été déployés autour de la Pyramide de Khéops en Egypte, démontrant leur robustesse dans des conditions extrêmes (température, poussière, etc.). Leur détection du "ScanPyramids Big Void" en combinaison des instruments Japonais situés dans la pyramide constitue une première mondiale pour des télescopes à l'extérieur.



De ces développements successifs sont apparus de forts intérêts de la part d'industriels et de scientifiques pour cette technologie. Mais à l’instar des télescopes optiques, les instruments développés actuellement sont assez directionnels et relativement peu compacts. Une alternative élégante consiste à utiliser une chambre à projection temporelle (TPC) qui permet de reconstruire les trajectoires de manière plus précise et presque isotrope.



L’objectif de cette thèse est donc de concevoir, réaliser, et tester en conditions réelles un tel instrument. L’un des enjeux majeurs concerne l’autonomie de la TPC, en particulier sa consommation en gaz, mais aussi sa stabilité de fonctionnement en extérieur. Une TPC scellée ou semi-scellée avec un système de purification du gaz, transportable, et résistante aux variations environnementales constituerait une avancée majeure à la fois en muographie mais plus généralement pour les détecteurs gazeux.



L’étudiant(e) sera ainsi amené(e) à couvrir un large spectre d’activités (conception, intégration, caractérisation de détecteurs, électronique, analyse de données, simulation, etc.) lui permettant d’acquérir des compétences dans de multiples domaines de la physique expérimentale. La taille réduite de l’équipe (environ 6 personnes) assurera également à l’étudiant(e) une grande visibilité dans son travail.

Vers un detecteur pixel à haute resolution spatiale pour l'identification de particules: contribution de nouveaux détecteurs à la physique

SL-DRF-19-0266

Domaine de recherche : Physique des particules
Laboratoire d'accueil :

Département d'Electronique, des Détecteurs et d'Informatique pour la physique (DEDIP)

DÉtecteurs: PHYsique et Simulation (DEPHYS)

Saclay

Contact :

Nicolas FOURCHES

Paul COLAS

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-09-2019

Contact :

Nicolas FOURCHES

CEA - DRF/IRFU/SEDI/DEPHYS

Directeur de thèse :

Paul COLAS

CEA - DSM/IRFU/SPP/ILC

0169086155

Voir aussi : https://doi.org/10.1109/TED.2017.2670681

Les expériences de physique des particules sur les futurs collisionneurs linéaires à e-e+ nécessitent des progrès dans la résolution spatiale des détecteurs de vertex (jusqu’au micron), ceci afin de déterminer précisément les vertex primaires et secondaires pour des particules de grande impulsion transverse. Ce type de détecteur est placé près du point d’interaction. Ceci permettra de faire des mesures de précision en particulier pour des particules chargées de faible durée de vie. Nous devons par conséquent développer des matrices comprenant des pixels de dimension inférieure au micron-carré. Les technologies adéquates (DOTPIX, Pixel à Puit/Point quantique) devraient permettre une avance significative en reconstruction de trace et de vertex. Bien que le principe de ces nouveaux dispositifs ait été étudié à l’IRFU (voir référence), ce travail de doctorat devrait se focaliser sur l’étude de dispositifs réels qui devraient alors être fabriqués garce aux nanotechnologies en collaboration avec d’autres Instituts. Cela requiert l’utilisation de codes de simulation et la fabrication de structures de test. Les applications en dehors de la physique se trouvent pour l’essentiel dans l’imagerie X et les cameras holographiques dans le visible.

Conception et optimisation de trajectographe gazeux à micromotif pour un futur collisionneur Electron-Ion.

SL-DRF-19-0952

Domaine de recherche : Physique nucléaire
Laboratoire d'accueil :

Département d'Electronique, des Détecteurs et d'Informatique pour la physique (DEDIP)

DÉtecteurs: PHYsique et Simulation (DEPHYS)

Saclay

Contact :

Maxence Vandenbroucke

Franck SABATIE

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-09-2019

Contact :

Maxence Vandenbroucke

CEA - DRF/IRFU/DEDIP

?+33 1 69 08 22 83

Directeur de thèse :

Franck SABATIE

CEA - DRF/IRFU/SPhN

01 69 08 32 06

L’avenir de la physique hadronique passe par le futur collisionneur ions-électrons (EIC) aux Etats-Unis. Un demi-siècle de recherche a prouvé que les nucléons, protons et neutrons, sont eux-mêmes composés de constituants plus basiques appelés quarks. Ces quarks sont liés ensemble par l'échange de gluons, et leur étude a conduit au développement de la théorie fondamentale de l'interaction forte connu sous le nom de Chromo-Dynamique Quantique (QCD). L’EIC a pour mission d’approfondir la connaissance de ces interactions fondamentales ainsi que de l’émergence des nucléons et noyaux à partir de ses constituants.



Dans le cadre de l’EIC, les travaux de recherche sur les détecteurs ont déjà commencé notamment avec partenariat entre l’IRFU et le Laboratoire Nationale de Brookhaven (BNL) financé par le Département à l’énergie (DOE). En particulier ce programme de recherche porte sur le design et l’amélioration des trajectographes gazeux à micro-motif (MPGD). Alors que l’utilisation de cette technologie se généralise dans le milieu de la physique fondamentale comme auprès des grandes expériences du LHC, il est encore possible de significativement améliorer les performances de ces détecteurs. Grace à notre expertise sur les MPGDs au CEA Saclay, en combinaison avec l’idée d’une forme innovante de segmentation (dites en « Zigzag ») venant de nos partenaires américains, et l’utilisation originale de la découpe laser pour obtenir une précision de gravure exceptionnelle ; nous avons déjà obtenue une amélioration de la résolution spatiale de ces détecteurs d’un facteur deux.



Dans la cadre de la thèse proposée, le candidat retenu devra : (a) participer aux tests en faisceau de proton au Fermilab des prototypes actuels (b) conduire l’analyse des données récoltées et étudier des performances de ces détecteurs (c) en partant des conclusions de ces premiers, participer au design de la deuxième génération de détecteur 1D puis 2D qui seront à leur tour tester en faisceau (d) Simuler, dessiner, assembler, tester, un prototype 2D taille réel et son installation éventuelle dans l’expérience sPHENIX du RHIC. (e) Étudier les performances du détecteur en condition de prise de données réelle.



Ce sujet de thèse en instrumentation couvre toutes les étapes de la vie d’un système de détection moderne : de la conception à l’installation dans une expérience de physique.

 

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