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Science-Techno Tea PH-DT DT Science-Techno Tea Meeting – October 8 th 2009 - Problématiques de refroidissement pour les détecteurs à silicium du LHC et SLHC Paolo Petagna 1. Les enjeux 2. Quelques solutions adoptées sur LHC 3. Des lignes de R&D en PH/DT pour le futur (quelques mots) Problématiques de refroidissement pour les détecteurs à silicium du LHC et SLHC - Paolo Petagna 1/16
Science-Techno Tea PH-DT DT Science-Techno Tea Meeting – October 8 th 2009 1. Les enjeux (principaux) 1 Réduction de la détérioration du Silicium due à la radiation T < 0 ˚C (voir RD 49, puis RD 50) 2 ‘Transparence’ des éléments non sensibles dans un TK Minimisation de la matière 3 Stabilité des éléments sensibles dans un TK Contrôle du CTE et des effets ‘bimétal’ 4 Plusieurs milliers de capteurs Dizaines de k. W de puissance dissipée à évacuer 5 Températures < 0 ˚C Contrôle environnementale autres: longues lignes de transfert dans l’expérience; fiabilité; connections; recherche, analyse (et réparation? ) de fuites en zones non accessibles; manipulation/vidange des fluides activés… Problématiques de refroidissement pour les détecteurs à silicium du LHC et SLHC - Paolo Petagna 2/16
Science-Techno Tea PH-DT DT Science-Techno Tea Meeting – October 8 th 2009 1. Les enjeux (cont’d) 1. 1 Maintien d’une température < 0 ˚C sur le silicium La radiation crée des couples ‘trou-électron’ • les trous bougent vers l’électrode p+ • les électrons bougent vers l’électrode n. Effets principaux: • augmentation de la ‘leakage current’ • augmentation du ‘depletion voltage’ RD 49 ‘Geler’ la structure cristalline du silicium pour bloquer (ou ralentir) la détérioration TSi ≤ -5 ÷ -10 ˚C Problématiques de refroidissement pour les détecteurs à silicium du LHC et SLHC - Paolo Petagna 3/16
Science-Techno Tea PH-DT DT Science-Techno Tea Meeting – October 8 th 2009 1. Les enjeux (cont’d) 1. 2 Minimisation de la matière Longueur de radiation (X 0) : distance après la quelle un électron a haute énergie traversant la matière perd presque toute son énergie par ‘bremsstrahlung’. Propriété spécifique de chaque matériel et ‘mesure de la transparence’ du matériel: r = densité A = masse atomique Z = nombre atomique Matériel Cuivre Acier Titanium Aluminium et alliages Silicium Céramiques Epoxy / Fibre carbone Béryllium X 0 [cm] 1. 43 1. 76 3. 56 8. 9 9. 36 10 - 30 25 35. 3 Problématiques de refroidissement pour les détecteurs à silicium du LHC et SLHC - Paolo Petagna 4/16
Science-Techno Tea PH-DT DT Science-Techno Tea Meeting – October 8 th 2009 1. Les enjeux (cont’d) 1. 3 Contrôle du CTE et des effets ‘bimétal’ Support céramique pour l’ électronique CTE ~ 8 Cadre en fibre de carbone à très haute conductibilité thermique CTE ~ 0. 1 Point de contact avec les tubes de refroidissement Al: CTE ~ 25 – 22 Inox: CTE ~ 19 – 15 Ti: CTE ~ 11 – 8 Wire bonds entre hybride et silicium Silicium CTE ~ 5 Problématiques de refroidissement pour les détecteurs à silicium du LHC et SLHC - Paolo Petagna 5/16
Science-Techno Tea PH-DT DT Science-Techno Tea Meeting – October 8 th 2009 1. Les enjeux (cont’d) 1. 4 Dizaines de k. W de puissance dissipée à évacuer… ATLAS SCT & PIX ~ 60 k. W CMS SST & PIX ~ 60 k. W …et bien cachés au fond de l’expérience! Problématiques de refroidissement pour les détecteurs à silicium du LHC et SLHC - Paolo Petagna 6/16
Science-Techno Tea PH-DT DT Science-Techno Tea Meeting – October 8 th 2009 1. Les enjeux (cont’d) 1. 5 Contrôle environnementale Barrières thermiques (principe de neutralité) Volume froid et sec Entrée et sortie services Problématiques de refroidissement pour les détecteurs à silicium du LHC et SLHC - Paolo Petagna 7/16
Science-Techno Tea PH-DT DT Science-Techno Tea Meeting – October 8 th 2009 1. Les enjeux (cont’d) L’enjeu finale… Les nerfs des ingénieurs responsables ! PLUS FROID! PLUS STABLE! M M OIN AT S IE DE RE ! ! USENT L P CI FI EF PLUS SEC! Problématiques de refroidissement pour les détecteurs à silicium du LHC et SLHC - Paolo Petagna 8/16
Science-Techno Tea PH-DT DT Science-Techno Tea Meeting – October 8 th 2009 2. Exemples 2. 1 Solutions locales: refroidissement d’un module Tube en contact avec le cadre et l’hybride Cadre en CFRP à haute conductivité thermique Hybride: point principal de dissipation 0 Test Condition: • Fluid temperature – 25°C • Power: 1. 8 W + 0, 4 W stereo 1. 8 W + 0, 4 W RΦ • Flow: 0. 8 l/min • Fluid : PF 5060 -5 -10 °C -15 -20 Exemple de calcul FEA -25 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 aria Probe n° Problématiques de refroidissement pour les détecteurs à silicium du LHC et SLHC - Paolo Petagna 9/16
Science-Techno Tea PH-DT DT Science-Techno Tea Meeting – October 8 th 2009 2. Exemples (cont’d) 2. 2 Solutions locales: distribution locale du fluide caloporteur Les inserts qui supportent les modules sont aussi les puits de chaleur Support du module Fixation au tube de refroidissement glissante Les tubes de refroidissement (acier) courent le long de modules Les tubes de refroidissement (titanium) sont formés pour passer par chaque point principal de dissipation de chaleur et noyés dan la structure en CFRP Dessin des inserts optimisé pour masse et efficience thermique Problématiques de refroidissement pour les détecteurs à silicium du LHC et SLHC - Paolo Petagna 10/16
Science-Techno Tea PH-DT DT Science-Techno Tea Meeting – October 8 th 2009 2. Exemples (cont’d) 2. 3 Systèmes de refroidissement: possibilités Fluide caloporteur: bonnes propriétés adapté a T < 0 ˚C Pas d’eau (même additionnée) diélectrique Pas de fluides réfrigérants classiques pas ou peu agressif résistant à radiation Pas d’huiles siliconiques (Syltherm, etc…) pas de Cl ou de F+H facile a gérer si fuite Perfluorocarbures dans la série Cn. F 2 n+2: C 2 F 6 C 3 F 8 C 4 F 10 C 5 F 12 C 6 F 14 Evaporatif (ATLAS) Liquide (CMS) Il n’y a pas d’autres candidats ? Peut être que oui… Problématiques de refroidissement pour les détecteurs à silicium du LHC et SLHC - Paolo Petagna 11/16
Science-Techno Tea PH-DT DT Science-Techno Tea Meeting – October 8 th 2009 2. Exemples (cont’d) 2. 4 Systèmes de refroidissement: schéma système liquide CMS 3 circuits de refroidissement en cascade: primaire, transport (en origine ‘brine’, puis C 6 F 14) et final avec distribution au détecteur 7 unîtes de refroidissement en C 6 F 14 mono-phase Problématiques de refroidissement pour les détecteurs à silicium du LHC et SLHC - Paolo Petagna 12/16
Science-Techno Tea DT Science-Techno Tea Meeting – October PH-DT 8 th 2009 2. Exemples (cont’d) 2. 5 Systèmes de refroidissement: schéma système évaporait ATLAS safety valve liquid line to detector + PR condensation HEX sub-cooling pneumatic valve others capillary pressure drop manual valve liquid pneumatictank Sub-cooler valve thermal screen compression evaporation stave + HEX recuperation 4 liquid lines PR heater safety valve mixed water gas line from detector pipe + BPR + return pipe pixel 4 gas lines 6 X SCT manual valve dummy load 6 Haug condenser compressors BPR manual valve 408 Pneumatic lines vacuum mixed water vacuum pump air compressor Pneumatic e-p valve converter Schéma simplifie du système d’alimentation des éléments chauffants Problématiques de refroidissement pour les détecteurs à silicium du LHC et SLHC - Paolo Petagna 13/16
Science-Techno Tea DT Science-Techno Tea Meeting – October PH-DT 8 th 2009 2. Exemples (cont’d) 2. 6 Systèmes de refroidissement: l’innovation du Ve. Lo LHCb - 6 2 1 Pump 3 Heat exchanger Liquid overflow => no mass flow control Low vapor quality => good heat transfer No local evaporator control, evaporator is passive in detector Very stable evaporator temperature control with 2 -phase accumulator (P 4 -5 = P 7) P 4 -5 5 4 Heat in Condenser Long distance Diagramme p/h du CO 2 evaporator Restrictor Pressure 2 -Phase Accumulator Heat out P 7 Heat in Heat out 2 -PACL : 2 -Phase Accumulator-Controlled Loop P 7 Vapor Liquid 2 3 2 -phase 4 1 6 5 Enthalpy Problématiques de refroidissement pour les détecteurs à silicium du LHC et SLHC - Paolo Petagna 14/16
Science-Techno Tea PH-DT DT Science-Techno Tea Meeting – October 8 th 2009 2. Exemples (cont’d) 2. 7 Contrôle environnemental • Types d’ écrans (passifs / actifs) • Modalités d’ étanchéité Très problématique! • Elimination de l’humidité • Mesure du niveau d’humidité • Schémas d’interventions… TOUT UNE PRESENTATION A PART (pour une prochaine fois) Problématiques de refroidissement pour les détecteurs à silicium du LHC et SLHC - Paolo Petagna 15/16
Science-Techno Tea PH-DT DT Science-Techno Tea Meeting – October 8 th 2009 3. Des lignes de R&D en PH/DT pour le futur 3. 1 R&D 1 : CO 2 comme fluide caloporteur pour tous L’expérience du Ve. Lo LHCb peut être reproduite pour des autre détecteurs de taille plus grande? 3. 2 R&D 2 : Refroidissement local par micro-canaux Peut-on envisager des systèmes micro fluidiques pour le transfert direct de la chaleur intégré dans le chip et/ou le capteur? 3. 3 R&D 3 : Nouveaux matériaux pour transfert thermique Quels nouveaux (ou bien négligés) matériaux structurels, adhésifs, de contact pour un transfert thermique plus efficient? 3. 4 R&D 4 : Nouveaux capteurs d’humidité à fibre optique Une nouvelle technologie pour des capteurs multipoint, fiables à faible humidité, non encombrants et résistant a radiation? Problématiques de refroidissement pour les détecteurs à silicium du LHC et SLHC - Paolo Petagna 16/16
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