Experimental and simulation study of neutron-induced single event effects in accelerator environment and implications on qualification approach - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2021

Experimental and simulation study of neutron-induced single event effects in accelerator environment and implications on qualification approach

Étude expérimentale et simulation des événements singuliers induits par des neutrons issus d’accélérateurs et impacts sur la qualification

Résumé

Electronic components and systems operating in the Large Hadron Collider (LHC) accelerator at CERN are subjected to a particle radiation environment, mainly composed of neutrons with energies ranging from thermal up to a few GeV.This thesis aims at determining the impact of thermal and intermediate energy neutrons (0.2-20 MeV) with respect to highly energetic particles on the Single Event Upset (SEU) and Latch-up (SEL) rates induced in advanced Commercial-Off-The-Shelf (COTS) components, typically used in accelerator systems.The radiation environments of several locations in the accelerator are described, characterized and compared to the ground level and atmospheric spectra at varying altitude.Inelastic and elastic nuclear processes through which neutrons of different energies induce Single Event Effects (SEEs) are extensively studied through Monte Carlo simulations, in terms of produced secondaries and their properties.Electronic components are experimentally characterized in monoenergetic and spallation facilities, and the SEE cross sections benchmarked with Monte Carlo simulations, where the energy deposition is associated with the SEE probability.From these studies, the SEE rate is estimated for accelerator and atmospheric applications and put in the context of the qualification approaches at component and system level used in these environments. The qualification implications are derived from the combined simulation and experimental study, in order to determine the approach for quantifying the thermal and intermediate energy neutron contributions. Several solutions are proposed aiming towards a radiation hardness assurance (RHA) methodology based on mixed-field and monoenergetic experimental results, besides the consolidated knowledge of the operational environments and the associated effects.
Les composants et systèmes électroniques qui fonctionnent dans l'accélérateur Grand collisionneur de hadrons (LHC) au CERN sont soumis à un environnement radiatif à champ mixte, composé principalement de neutrons ayant des énergies allant des énergies thermiques jusqu'à quelques GeV. Cette thèse vise à déterminer l'impact des neutrons thermiques et d'énergie intermédiaire (0.2-20 MeV) par rapport aux particules hautement énergétiques sur les taux de Single Event Upset (SEU) et de Latch-up (SEL) induits dans des composants COTS (Commercial-Off-The-Shelf), généralement utilisés dans les systèmes d'accélérateurs.Les environnements radiatifs dans l'accélérateur sont décrits en différents endroits. Ils sont caractérisés et comparés aux spectres au niveau du sol et de l'atmosphère à différentes altitudes. Les processus nucléaires inélastiques et élastiques par lesquels des neutrons de différentes énergies induisent des événements singuliers (SEE) sont largement étudiés par le biais de simulations Monte Carlo, en termes de particules secondaires produites et de leurs propriétés. Les composants électroniques sont caractérisés expérimentalement dans des installations mono-énergétiques et de spallation, et les sections efficaces aux SEE sont comparées avec les simulations Monte Carlo, pour lesquelles le dépôt d'énergie est associé à la probabilité de SEE.À partir de ces études, le taux des SEE est estimé pour des applications d'accélérateur et atmosphérique et mis dans le contexte des approches de qualification au niveau des composants et des systèmes utilisés dans ces environnements. Les implications de qualification sont dérivées de la simulation et de l'étude expérimentale combinées. Cela permet de déterminer l'approche pour quantifier les contributions des neutrons thermiques et d'énergie intermédiaire. Au final, la méthodologie permet tenue des composants aux radiations (RHA) en se basant sur des résultats expérimentaux à champ mixte et mono-énergétiques et des connaissances consolidées de l'environnement opérationnel et des effets associés.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-03391539 , version 1 (21-10-2021)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03391539 , version 1

Citer

Matteo Cecchetto. Experimental and simulation study of neutron-induced single event effects in accelerator environment and implications on qualification approach. Electronics. Université Montpellier, 2021. English. ⟨NNT : 2021MONTS025⟩. ⟨tel-03391539⟩
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