Résumé
Au CERN, milliers d'instruments, tels que les convertisseurs de puissance, les dispositifs de surveillance des radiations et les systèmes cryogéniques, sont nécessaires pour garantir le fonctionnement fiable de l'ensemble du Large Hadron Collider (LHC). Actuellement, ces instruments sont surveillés et contrôlés via un système basé sur le réseau FieldBus, un réseau câblé qui permet un contrôle distribué en temps réel. Les FieldBus avaient pour objectif de relier les niveaux supérieurs d'une usine (interfaces utilisateur) aux niveaux inférieurs (capteurs et actionneurs). Depuis, plusieurs normes ont été développées pour répondre aux exigences de différentes applications. Au CERN, plusieurs FieldBus sont utilisés, le plus répandu étant le WorldFIP, qui connecte plus de 10 000 nœuds sur plus de 100 km de câbles. Cependant, l'installation de câbles dans le tunnel du LHC est une opération coûteuse et nécessite une planification minutieuse. Elle offre peu de flexibilité lorsqu'il faut déplacer des équipements. Plus récemment, de nouvelles installations se sont révélées encore plus complexes, les chemins de câbles ayant presque atteint leur capacité maximale. Par ailleurs, le projet de Future Circular Collider (FCC), prévoit un tunnel de 100 km de long. Considérant cette longueur et le probable accroissement du nombre d'instruments, les connexions filaires deviennent peu pratiques. En revanche, les solutions sans fil, en cours d’évaluation, pourraient offrir de nombreux avantages : des coûts d'installation réduits grâce à l'absence de câblage et une flexibilité accrue pour l'installation, les mises à niveau et les déplacements d'équipements. Toutefois, l'adoption de nouvelles technologies dans un environnement comme le CERN est loin d’être immédiate. Les équipements électroniques dans le LHC sont exposés aux effets des radiations, qui peuvent perturber leur fonctionnement ou entraîner des défaillances. Dans cette optique, l'objectif principal de cette thèse est d'explorer l'intégration des technologies sans fil dans les accélérateurs de particules actuels et futurs du CERN. L’infrastructure actuelle du CERN impose différentes contraintes sur les technologies sans fil qui pourraient être adoptées. Premièrement, compte tenu de la complexité de l’accélérateur et de la longévité des machines, une solution fixe a été écartée au profit d’une solution basée sur la Software-Defined Radio (SDR). Le concept de SDR consiste à implémenter la plupart des fonctionnalités sans fil dans la logique programmable, tout en minimisant le matériel fixe, comme la partie Radio Fréquence (RF) et la conversion analogique/numérique. Deuxièmement, les équipements des accélérateurs, qui sont exposés à des radiations, sont fabriqués sur mesure par différents groupes au CERN. Ainsi, redessiner ces systèmes pour les rendre compatibles avec une norme sans fil n’est pas une option, car cela serait trop coûteux et chronophage. Cette contrainte a nécessité le développement d’une solution ad hoc pouvant être ajoutée à l’infrastructure actuelle du Fieldbus. L’évaluation a mis en évidence certains inconvénients, qui pourraient être surmontés en développant une solution sans fil spécifiquement adaptée à l’application. Par conséquent, une solution sans fil personnalisée a été développée. Il s’agit d’un lien sans fil basé sur le SDR, construit à partir de composants COTS tolérants aux radiations, testés sous irradiation dans le cadre de cette thèse de doctorat. Le système développé implémente toutes les fonctionnalités de base pour transmettre et recevoir des données brutes entre deux systèmes de manière sans fil, avec une latence inférieure à la milliseconde. Son développement représente une étape importante vers l’utilisation des technologies sans fil pour les applications de contrôle dans les accélérateurs de particules.