DT Science-Techno Tea Meeting – October 8 th 2009 Problématiques de refroidissement pour les détecteurs à silicium du LHC et SLHC - Paolo Petagna 1/16.

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1 DT Science-Techno Tea Meeting – October 8 th 2009 Problématiques de refroidissement pour les détecteurs à silicium du LHC et SLHC - Paolo Petagna 1/16 PH-DT Science-Techno Tea - 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)

2 DT Science-Techno Tea Meeting – October 8 th 2009 Problématiques de refroidissement pour les détecteurs à silicium du LHC et SLHC - Paolo Petagna 2/16 PH-DT Science-Techno Tea 1. Les enjeux (principaux) 1Réduction de la détérioration du Silicium due à la radiationT < 0 ˚C (voir RD49, puis RD50) 2‘Transparence’ des éléments non sensibles dans un TKMinimisation de la matière 3Stabilité des éléments sensibles dans un TK Contrôle du CTE et des effets ‘bimétal’ 4Plusieurs milliers de capteurs Dizaines de kW de puissance dissipée à évacuer 5Températures < 0 ˚CContrôle 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…

3 DT Science-Techno Tea Meeting – October 8 th 2009 Problématiques de refroidissement pour les détecteurs à silicium du LHC et SLHC - Paolo Petagna 3/16 PH-DT Science-Techno Tea 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’ ‘Geler’ la structure cristalline du silicium pour bloquer (ou ralentir) la détérioration RD 49 T Si ≤ -5 ÷ -10 ˚C

4 DT Science-Techno Tea Meeting – October 8 th 2009 Problématiques de refroidissement pour les détecteurs à silicium du LHC et SLHC - Paolo Petagna 4/16 PH-DT Science-Techno Tea 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:  = densité A = masse atomique Z = nombre atomique MatérielX 0 [cm] Cuivre1.43 Acier1.76 Titanium3.56 Aluminium et alliages8.9 Silicium9.36 Céramiques10 - 30 Epoxy / Fibre carbone25 Béryllium35.3

5 DT Science-Techno Tea Meeting – October 8 th 2009 Problématiques de refroidissement pour les détecteurs à silicium du LHC et SLHC - Paolo Petagna 5/16 PH-DT Science-Techno Tea 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 Silicium CTE ~ 5 Wire bonds entre hybride et silicium Point de contact avec les tubes de refroidissement Al: CTE ~ 25 – 22 Inox: CTE ~ 19 – 15 Ti: CTE ~ 11 – 8

6 DT Science-Techno Tea Meeting – October 8 th 2009 Problématiques de refroidissement pour les détecteurs à silicium du LHC et SLHC - Paolo Petagna 6/16 PH-DT Science-Techno Tea 1. Les enjeux (cont’d) 1.4 Dizaines de kW de puissance dissipée à évacuer… …et bien cachés au fond de l’expérience! ATLAS SCT & PIX ~ 60 kW CMS SST & PIX ~ 60 kW

7 DT Science-Techno Tea Meeting – October 8 th 2009 Problématiques de refroidissement pour les détecteurs à silicium du LHC et SLHC - Paolo Petagna 7/16 PH-DT Science-Techno Tea 1. Les enjeux (cont’d) 1.5 Contrôle environnementale Volume froid et sec Entrée et sortie services Barrières thermiques (principe de neutralité)

8 DT Science-Techno Tea Meeting – October 8 th 2009 Problématiques de refroidissement pour les détecteurs à silicium du LHC et SLHC - Paolo Petagna 8/16 PH-DT Science-Techno Tea 1. Les enjeux (cont’d) L’enjeu finale… Les nerfs des ingénieurs responsables ! PLUS FROID! MOINS DE MATIERE! PLUS STABLE! PLUS EFFICIENT! PLUS SEC!

9 DT Science-Techno Tea Meeting – October 8 th 2009 Problématiques de refroidissement pour les détecteurs à silicium du LHC et SLHC - Paolo Petagna 9/16 PH-DT Science-Techno Tea 2. Exemples 2.1 Solutions locales: refroidissement d’un module 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 : PF5060 -25 -20 -15 -10 -5 0 12345678910aria Probe n° °C Exemple de calcul FEA Tube en contact avec le cadre et l’hybride Cadre en CFRP à haute conductivité thermique Hybride: point principal de dissipation

10 DT Science-Techno Tea Meeting – October 8 th 2009 Problématiques de refroidissement pour les détecteurs à silicium du LHC et SLHC - Paolo Petagna 10/16 PH-DT Science-Techno Tea 2. Exemples (cont’d) 2.2 Solutions locales: distribution locale du fluide caloporteur Fixation au tube de refroidissement glissante Les tubes de refroidissement (acier) courent le long de modules Les inserts qui supportent les modules sont aussi les puits de chaleur Support du module 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

11 DT Science-Techno Tea Meeting – October 8 th 2009 Problématiques de refroidissement pour les détecteurs à silicium du LHC et SLHC - Paolo Petagna 11/16 PH-DT Science-Techno Tea 2. Exemples (cont’d) 2.3 Systèmes de refroidissement: possibilités Fluide caloporteur:bonnes propriétés adapté a T < 0 ˚C diélectrique pas ou peu agressif résistant à radiation pas de Cl ou de F+H facile a gérer si fuite Pas d’eau (même additionnée) Pas de fluides réfrigérants classiques Pas d’huiles siliconiques (Syltherm, etc…) Perfluorocarbures dans la série C n F 2n+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…

12 DT Science-Techno Tea Meeting – October 8 th 2009 Problématiques de refroidissement pour les détecteurs à silicium du LHC et SLHC - Paolo Petagna 12/16 PH-DT Science-Techno Tea 2. Exemples (cont’d) 2.4 Systèmes de refroidissement: schéma système liquide CMS 12 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

13 DT Science-Techno Tea Meeting – October 8 th 2009 Problématiques de refroidissement pour les détecteurs à silicium du LHC et SLHC - Paolo Petagna 13/16 PH-DT Science-Techno Tea 2. Exemples (cont’d) 2.5 Systèmes de refroidissement: schéma système évaporait ATLAS evaporation stave + HEX recuperation condensation HEX sub-cooling capillary pressure drop compression liquid line to detector + PR gas line from detector detector pipe + BPR + return pipe heater Schéma simplifie du système d’alimentation des éléments chauffants

14 DT Science-Techno Tea Meeting – October 8 th 2009 Problématiques de refroidissement pour les détecteurs à silicium du LHC et SLHC - Paolo Petagna 14/16 PH-DT Science-Techno Tea 2. Exemples (cont’d) 2.6 Systèmes de refroidissement: l’innovation du VeLo LHCb Liquid Vapor 2-phase Enthalpy Pressure 1 23 4 5 6 P7P7 2-PACL : 2-Phase Accumulator-Controlled Loop Diagramme p/h du CO 2 -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 )

15 DT Science-Techno Tea Meeting – October 8 th 2009 Problématiques de refroidissement pour les détecteurs à silicium du LHC et SLHC - Paolo Petagna 15/16 PH-DT Science-Techno Tea 2. Exemples (cont’d) 2.7 Contrôle environnemental Types d’ écrans (passifs / actifs) Modalités d’ étanchéité Elimination de l’humidité Mesure du niveau d’humidité Schémas d’interventions… TOUT UNE PRESENTATION A PART (pour une prochaine fois) Très problématique!

16 DT Science-Techno Tea Meeting – October 8 th 2009 Problématiques de refroidissement pour les détecteurs à silicium du LHC et SLHC - Paolo Petagna 16/16 PH-DT Science-Techno Tea 3. Des lignes de R&D en PH/DT pour le futur 3.1R&D 1 : CO 2 comme fluide caloporteur pour tous L’expérience du VeLo LHCb peut être reproduite pour des autre détecteurs de taille plus grande? 3.2R&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? 3.3R&D 3 : Nouveaux matériaux pour transfert thermique Quels nouveaux (ou bien négligés) matériaux structurels, adhésifs, de contact pour un transfert thermique plus efficient? 3.4R&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?