Le Dapnia à la croisée des métiers

Depuis de nombreuses années, le neutrino est un des sujets de recherche des physiciens du Dapnia. Ces physiciens ont été co-fondateurs de la collaboration Antares. Ce groupe comprend une dizaine de chercheurs et accueille régulièrement des collaborateurs étrangers, des post-doctorants et des étudiants. Il est à l’origine de cinq thèses de doctorat depuis la création d’Antares en 1996. Parallèlement à ses responsabilités dans les études de physique et d’analyse des données, le groupe est fortement engagé dans la réalisation du détecteur. Il dispose pour cela d’une structure comprenant, au sein d’un laboratoire de recherche fondamentale, les compétences techniques et d’ingénierie nécessaires à la réalisation de projets de grande envergure scientifique et technologique. Ce texte est consacré aux réalisations instrumentales du Dapnia dans Antares.

La collaboration Antares prévoit de déployer un réseau d’un millier de modules optiques répartis sur 12 lignes verticales ancrées à 2500 mètres au fond de la Méditerranée. Ces modules optiques permettent d’observer la lumière produite par l’interaction des neutrinos cosmiques (Cf. encadré), témoins des phénomènes les plus violents de l’Univers. Ce projet mobilise plus de 30 techniciens, ingénieurs et physiciens au Dapnia.

Le Dapnia

Dès sa création, le Commissariat à l'Énergie Atomique a eu pour l'une de ses missions de base la recherche fondamentale, car c'est la connaissance qui alimente le progrès, et constitue le socle d'une expertise scientifique internationalement reconnue. En amont des applications, le Dapnia contribue au progrès des connaissances de la matière. " A " comme astres, " P " comme particules, " N " comme noyaux. Trois infinis étroitement imbriqués : le grand, le petit, le complexe que les physiciens étudient en s'appuyant sur les multiples compétences des équipes en charge de l'instrumentation associée (le " IA " du Dapnia). Tout en bénéficiant de l'expertise d'autres départements du CEA, la recherche au Dapnia se fait principalement au sein de collaborations nationales et internationales et avec les équipes de l'IN2P3 (Institut national de physique nucléaire et de physique des particules) et de l'Insu (Institut national des sciences de l'Univers).

Le Dapnia, département d’astrophysique, de physique des particules, de physique nucléaire et d’instrumentation associée, regroupe 600 techniciens, ingénieurs et physiciens.

Modules optiques : les yeux d’Antares

Les modules optiques (ci-contre, © CEA/Dapnia) comportent un photomultiplicateur, son alimentation haute tension, et une cage métallique pour se préserver du champ magnétique terrestre. L’ensemble est protégé des 250 bars de pression environnante par une sphère en verre. Le contact optique entre la sphère et le photo­multiplica­teur est réalisé par un gel polymère transparent. La réalisation des yeux d’Antares est un véritable projet dans le projet, pris en charge par le Dapnia. De nombreux tests de qualification de photomultiplicateurs et un important programme de recherche et développement (efficacité des cages, caractéristiques du gel, techniques d’assemblage) ont été nécessaires pour concevoir et construire cette pièce maîtresse du détecteur. L’intégration des modules optiques au Dapnia devrait durer un an.

Antares · Le télescope sous-marin Antares ouvre une nouvelle fenêtre d’observation sur l’Univers en détectant les neutrinos de haute énergie émis par les phénomènes les plus violents de l’Univers. Il pourrait apporter des réponses déterminantes sur l’origine du rayonnement cosmique ou la nature de la matière noire.

L’appareillage est composé de 12 lignes de 450 mètres de haut, immergées à 2500 mètres de fond et maintenues verticales par une bouée. Chaque ligne comporte 25 étages de 3 photomultiplicateurs. Les lignes sont reliées à une boîte de jonction elle-même reliée à la côte par un câble électro-optique de 40 kilomètres.

L’interaction des neutrinos à proximité du détecteur produit des muons qui émettent un sillage lumineux de rayonnement Tchérenkov en se propageant dans l’eau. La détection de cette lumière par les photomultiplicateurs permet de remonter aux caractéristiques du muon, et, de façon indirecte, à celles du neutrino incident.

Ci-dessus : Vue d’artiste du détecteur © F. Montanet pour Antares.

Un système d’acquisition embarqué
massivement parallèle

Le Dapnia a été fortement impliqué dans la conception et la réalisation de la chaîne de lecture des signaux des photomultiplicateurs. Il a en particulier réalisé un circuit de numérisation de ces signaux, une carte processeur et un concentrateur Ethernet.

Le circuit de numérisation devait satisfaire des contraintes d’encombrement, de basse consommation, de fiabilité et de coût. Le choix des ingénieurs s’est porté sur la création d’un circuit intégré spécifique (ASIC), un ARS (Analog Ring Sampler), de 68000 transistors. Celui-ci regroupe l’ensemble des fonctions électroniques, analogiques et numériques nécessaires à la récupération du signal et notamment une fonctionnalité d’oscilloscope numérique permettant de mesurer et séparer des signaux physiques à l’échelle de la nanoseconde.

La carte processeur, paramétrable depuis la côte, comporte un processeur à basse consommation et un circuit programmable (FPGA de 600000 portes). Elle reçoit les données de l’ARS et les paramètres de fonctionnement de l’ensemble des cartes et capteurs associés au module optique. Un logiciel permet le traitement et la mise en forme de ces données en temps réel avant de les transmettre à la côte via le concentrateur Ethernet.

Ci-dessus : La carte processeur réalisée au Dapnia (au fond) et L’ARS sur sa carte. Ci-contre : l’ARS
(© CEA/Dapnia)

Ci-dessus : connexion d’un câble électro-optique d’une ligne prototype à la boîte de jonction (au premier plan, le bras articulé du Nautile). © Ifremer. Ci-contre : un connecteur pour les interconnexions © CEA/Dapnia

Architecture en milieu hostile

Les câbles, ossature des lignes, et les liaisons d’interconnexion entre les lignes et la boîte de jonction subissent des contraintes extrêmes, tant au moment du mouillage que lors de leur long séjour au fond de la mer. En effet, le détecteur est soumis aux courants marins, à la corrosion de l'eau de mer et à de très hautes pressions.

Le défi à relever pour l’ossature des lignes consistait à combiner fonctions mécaniques (reprise d’effort et étanchéité) à qualité de la transmission optique des connecteurs. Pour les liaisons d’interconnexions, il fallait pouvoir réaliser les opérations à l’aide d’un sous-marin à 2500 mètres de fond, et assurer une connexion électro-optique fiable et durable.

La maîtrise de l’environnement marin

Initiée en 1996 par les techniciens, ingénieurs et physiciens du Dapnia, l’étude des propriétés de l’environnement abyssal, la transparence de l’eau, la bioluminescence et la bio-salissure, se poursuit encore aujourd’hui.

Trois lignes instrumentées ont été spécialement construites pour chacune de ces études, et exploitées au cours d’une trentaine de sorties en mer, en collaboration avec le CPPM (CNRS/Marseille). Les résultats obtenus ont permis de qualifier le site et de préciser le cahier des charges du détecteur final.

Les mesures ont montré que le site a les propriétés de transparence requises pour l’astronomie neutrino (résolution angulaire de 0,3°). Les différentes mesures de sédimentation ont confirmé que l’orientation des modules, à 45° vers le bas, les préservait de la bio-salissure (sédiments s’accrochant sur les sphères). Enfin, les mesures de bouffées de bioluminescence, lumière émise sporadiquement par les bactéries et animaux sous-marins, ont permis de définir les caractéristiques du système de transmission et de traitement des données.

Ligne de mesure de bioluminescence
© Antares

À la croisée des métiers

Le CEA a l’atome pour vocation, de la recherche à l’industrie. La recherche fondamentale y est le terreau naturel  de l’innovation technologique.

Le Dapnia hérite de la culture « grands projets » du CEA et dispose d’une structure unique au monde qui lui permet la réalisation d’expériences de recherche fondamentale parmi les plus déterminantes, de l’appareillage aux découvertes.

Le projet Antares au Dapnia est l’illustration de la multidisciplinarité des métiers, de la convergence des compétences, de la collaboration entre équipes techniques, ingénierie, bureaux d’études, responsables de projets et physiciens, dans des domaines aussi divers que l’optique, l’électronique, la mécanique, l’informatique temps réel ou les mesures physiques…

Ci-dessus  : Un des dispositifs de test des photomultiplicateurs (mesure du rayonnement Tchérenkov en laboratoire).

 

Author : Thierry Stolarczyk