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Les Journées Thématiques AFF-CCS au CERN Cryogénie et Supraconductivité pour le LHC et ses détecteurs Organisées par lAssociation Française du Froid Commission.

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1 Les Journées Thématiques AFF-CCS au CERN Cryogénie et Supraconductivité pour le LHC et ses détecteurs Organisées par lAssociation Française du Froid Commission de Cryogénie et de Supraconductivité LA CRYOGENIE DES DETECTEURS DU LHC Giorgio Passardi 10 avril 2008

2 G.Passardi, 10 avril 2008Les Journées Thématiques AFF-CCS, CERN, Genève, Suisse 2 Large Hadron Collider

3 G.Passardi, 10 avril 2008Les Journées Thématiques AFF-CCS, CERN, Genève, Suisse 3 CMS

4 G.Passardi, 10 avril 2008Les Journées Thématiques AFF-CCS, CERN, Genève, Suisse 4 ATLAS

5 G.Passardi, 10 avril 2008Les Journées Thématiques AFF-CCS, CERN, Genève, Suisse 5 COLLABORATION INTERNATIONALE LAL, BNL, CEA, LPSC et NTNU CEA-SACLAY,INFN,KEK et RAL CERN COLLEGUES Cryogénie hélium Cryogénie argon

6 G.Passardi, 10 avril 2008Les Journées Thématiques AFF-CCS, CERN, Genève, Suisse 6 CMS Solenoid

7 G.Passardi, 10 avril 2008Les Journées Thématiques AFF-CCS, CERN, Genève, Suisse 7 ATLAS Barrel Toroid

8 G.Passardi, 10 avril 2008Les Journées Thématiques AFF-CCS, CERN, Genève, Suisse 8 ATLAS End-Cap Toroid

9 G.Passardi, 10 avril 2008Les Journées Thématiques AFF-CCS, CERN, Genève, Suisse 9 ATLAS Central Solenoid

10 G.Passardi, 10 avril 2008Les Journées Thématiques AFF-CCS, CERN, Genève, Suisse 10 Données aimants ATLAS Trois grands toroides (Barrel, 2 End-Caps) Masse froide à 4.5 K: 680 tonnes Courant 20.5 kA, énergie stockée 1.6 GJ Solénoïde Centrale Courant 7.6 kA, 2 T, énergie stockée 39 MJ Masse froide à 4.5 K: 5.5 tonnes CMS Grand solénoïde: masse froide à 4.5 K: 220 tonnes Courant 19.5 kA, 4 T, énergie stockée 2.6 GJ Températures après décharge rapide < 80 K

11 G.Passardi, 10 avril 2008Les Journées Thématiques AFF-CCS, CERN, Genève, Suisse 11 Principes conceptuels et spécifications du système cryogénique pour les aimants(1) Cryogénie interne Refroidissement indirecte par tubes en contact thermique avec la masse froide Circuits en parallèle: 2x4/bobine x 8 =64 pour toroides ATLAS avec orifices entrée circuit, 86 pour CMS, 2 pour CS ATLAS, Ecoulement hélium diphasique à 4.5 K Débit forcé par pompe (toroides) ou thermosiphon (solénoïdes) Débit spécifique pour toroides >4 g/s. cm 2 Concentration massique gaz sortie circuits << 10% Ecrans à 60 K par circulation forcé (réfrigérateurs) de gaz He

12 G.Passardi, 10 avril 2008Les Journées Thématiques AFF-CCS, CERN, Genève, Suisse 12 Principes conceptuels et spécifications du système cryogénique pour les aimants (2) Charges thermiques statiques dynamiques à 4.5 K Barrel toroide: 8x82 W 350 W (2 hr) End-Cap toroide: 2x200 W 2x100 W (2 hr) ATLAS solénoïde: 50 W 20 W (20 min) CMS solénoïde: 160 W 360 W (4 hr) Cryogénie externe Mise en froid aimants entre 300 K à 100 K en utilisant LN2, de 100 K à 4.5 K en utilisant les turbines Temps de mise en froid<1 mois, écart max. températures<30 K Temps de récupération décharge rapide <3 jours Pression maximum pendant décharge rapide <20 bar Un réfrigérateur pour CMS de K Deux réfrigérateur pour ATLAS de: K et 20 60K

13 G.Passardi, 10 avril 2008Les Journées Thématiques AFF-CCS, CERN, Genève, Suisse 13 Flow scheme of CMS He refrigerator

14 G.Passardi, 10 avril 2008Les Journées Thématiques AFF-CCS, CERN, Genève, Suisse 14 Flow scheme of ATLAS He refrigerators

15 G.Passardi, 10 avril 2008Les Journées Thématiques AFF-CCS, CERN, Genève, Suisse 15 PCS of ATLAS Toroids

16 G.Passardi, 10 avril 2008Les Journées Thématiques AFF-CCS, CERN, Genève, Suisse 16 PCS of ATLAS Central Solenoid

17 G.Passardi, 10 avril 2008Les Journées Thématiques AFF-CCS, CERN, Genève, Suisse 17 CMS thermosyphon flow

18 G.Passardi, 10 avril 2008Les Journées Thématiques AFF-CCS, CERN, Genève, Suisse 18 LHe centrifugal pump performance

19 G.Passardi, 10 avril 2008Les Journées Thématiques AFF-CCS, CERN, Genève, Suisse 19 Static heat load of CMS Solenoid Flow AdI 2 x 0,4 g/s Dlev(A-B) = 6,75% en 10= 277 l/h Ev. rate = 254 l/h = 178 W A B From Ph. Bredy, CEA Saclay LHe level in Phase Separator

20 G.Passardi, 10 avril 2008Les Journées Thématiques AFF-CCS, CERN, Genève, Suisse 20 Natural warm-up of CMS Solenoid 2 K/ 21 ½ min = 154 W on Cold mass alone (SdP heat loads to be added 20 W ) Total = 174 W Cold mass bilan : NbTi4.9 t Cu8.6 t Al pur73.9 t Al renf t G109.9 t Al cyl t From Ph. Bredy, CEA Saclay 10 K 5 K CDS synchronization !

21 G.Passardi, 10 avril 2008Les Journées Thématiques AFF-CCS, CERN, Genève, Suisse 21 Static heat load Barrel Toroid Values measured in test station TOTAL MEASURED IN TEST STATION 571 WTOTAL IN UX15 IS 586 W

22 G.Passardi, 10 avril 2008Les Journées Thématiques AFF-CCS, CERN, Genève, Suisse 22 Natural warm-up of Barrel Toroid Tin-Tout on the pipes Tmax, Tmin on coils Pt1000 Carbon resistors

23 G.Passardi, 10 avril 2008Les Journées Thématiques AFF-CCS, CERN, Genève, Suisse 23 Static heat load of Central Solenoid ATLAS: CS Measurement of total loss was done during thermosyphon operation mode with disconnected refrigerator and looking at the level/time change in the control dewar Results: - 17 Watts for the solenoid and the chimney; - below 10 Watts for the dewar.

24 G.Passed, 10 avril 2008Les Journées Thématiques AFF-CCS, CERN, Genève, Suisse 24 Dynamic heat load of CMS Solenoid Fast discharge at 5000 A Slow discharge Temperature increase ~ 0.28 K

25 G.Passardi, 10 avril 2008Les Journées Thématiques AFF-CCS, CERN, Genève, Suisse 25 Dynamic heat load of Barrel Toroid LHe vapor mass flow on the phase separator is increased due to the higher heat load ~380 W

26 G.Passardi, 10 avril 2008Les Journées Thématiques AFF-CCS, CERN, Genève, Suisse 26 Dynamic heat load of Barrel Toroid Level of LHe is reduced due to the higher vaporization during slow discharge

27 G.Passardi, 10 avril 2008Les Journées Thématiques AFF-CCS, CERN, Genève, Suisse 27 Charge dynamique du Solénoïde Centrale Charge thermique par courants induites : environ 25 W Méthodes de mesure: Pendant charge à 6 A/s baisse du chauffage dans le séparateur de phase a niveau constant (refroidissement en circuit forcé par réfrigérateur) Mesure de débit à température ambiante

28 G.Passardi, 10 avril 2008Les Journées Thématiques AFF-CCS, CERN, Genève, Suisse 28 Bilan de la réfrigération du solénoïde de CMS Charges thermiques à 4.5 K: 180 W (statique) + 50 W (interfaces) +360 W (dynamique) = 590 W (réfrigérateur 920 W mesuré, 800 W spécifié) Charge en liquéfaction: 2.6 g/s (réfrigérateur 4 g/s mesuré, 4 g/s spécifié) Charge thermique des écrans à 60 K: 1100 W* (réfrigérateur 4400 W mesuré,4500 spécifié) * mesure préliminaire

29 G.Passardi, 10 avril 2008Les Journées Thématiques AFF-CCS, CERN, Genève, Suisse 29 Bilan des charges thermiques statiques ATLAS Charges thermiques à linterface de la PCS ( BT seul): 1400 W = 590 W (BT) W (pompe) W (anneau cryogénique+cryostats emmenées de courant + systèmes de sécurité+ lignes de transfert + boite à vannes) Puissance du réfrigérateur à linterface avec la PCS: 3000 W + 13 g/s de liquéfaction Puissance nécessaire: 1400 W + 30 W+ 300 W**x2 (End-Caps) = 2030 W + 11 g/s ** mesure préliminaire

30 G.Passardi, 10 avril 2008Les Journées Thématiques AFF-CCS, CERN, Genève, Suisse 30 Charges thermiques des écrans ATLAS et CMS ATLAS Barrel toroide Pour chacun des cryostats dans la zone de test en surface, moyenne 800 W x 8 = 6400 W (6600 estimés) Le total de la charge thermique des écrans BT a aussi été mesuré dans la caverne = 5900 W End-Cap toroide Mesuré dans la caverne = 2x1300 W* (2x2200 W estimés) Solénoïde centrale Pas de mesure (500 W estimés) Total: 6400 W+2600 W+500 W+1900 W (estimation interfaces) = W (20 kW de réfrigération) CMS solénoïde 1100 W* (3000 W estimés) * mesures préliminaires

31 G.Passardi, 10 avril 2008Les Journées Thématiques AFF-CCS, CERN, Genève, Suisse 31 Cooldown of CMS Solenoid 10 days DT< 22K K refrigerator used Cooling Time ca. 22 days

32 G.Passardi, 10 avril 2008Les Journées Thématiques AFF-CCS, CERN, Genève, Suisse 32 Cooldown of ATLAS Barrel Toroid Shield Refrigerator (SR) & Main Refrigerator (MR) used SR: cold mass and shield in parallel SR for the shields MR for Cold mass Start of the 1.2 kg/s LHe pump 10 days

33 G.Passardi, 10 avril 2008Les Journées Thématiques AFF-CCS, CERN, Genève, Suisse 33 Cooldown of ATLAS End-Cap Toroid

34 G.Passardi, 10 avril 2008Les Journées Thématiques AFF-CCS, CERN, Genève, Suisse 34 Cooldown of ATLAS Central Solenoid 4 days SR: Cold Mass and shield in series SR for shield MR for CM 75 K Shield Refrigerator (SR) & Main Refrigerator (MR) used

35 G.Passardi, 10 avril 2008Les Journées Thématiques AFF-CCS, CERN, Genève, Suisse 35 Fast energy discharge of CMS Solenoid Temperature rise up to 70 K Pressure rise in PS 1 hour

36 G.Passardi, 10 avril 2008Les Journées Thématiques AFF-CCS, CERN, Genève, Suisse 36 Temperature rise during fast discharge of BT EM Energy at Current [A] BT Enthalpy 57 K

37 G.Passardi, 10 avril 2008Les Journées Thématiques AFF-CCS, CERN, Genève, Suisse 37 Temperature recovery after fast discharge of BT One day 58 K

38 G.Passardi, 10 avril 2008Les Journées Thématiques AFF-CCS, CERN, Genève, Suisse 38 Pressure rise during fast discharge of BT Pressure in Phase Separator Pressure on the return to the Shield Refrigerator 15 min

39 G.Passardi, 10 avril 2008Les Journées Thématiques AFF-CCS, CERN, Genève, Suisse 39 Temperature rise during fast discharge of CS 1 min

40 G.Passardi, 10 avril 2008Les Journées Thématiques AFF-CCS, CERN, Genève, Suisse 40 Pressure rise during fast discharge of CS Coil return: max 7.11 bar Coil inlet: max 4.32 bar Current: 7800 A

41 G.Passardi, 10 avril 2008Les Journées Thématiques AFF-CCS, CERN, Genève, Suisse 41 Liquid argon Barrel Calorimeter Electromagnetic barrel half-wheel D: 4.3 m; L:6.5 m Weight: 120 t Argon volume: 40 m 3

42 G.Passardi, 10 avril 2008Les Journées Thématiques AFF-CCS, CERN, Genève, Suisse 42 Calorimeters are highly complicated composite structures made of copper, lead, stainless- steel and glass-epoxy… placed in aluminium cryostats D: 4.3 m; L: 3 m Weight: 219 t Ar volume: 19 m 3 Liquid argon End-Cap calorimeter

43 G.Passardi, 10 avril 2008Les Journées Thématiques AFF-CCS, CERN, Genève, Suisse 43 Liquid argon ATLAS calorimeters Barrel Calorimeter in operation in its final position encircled by BT Magnets, Tile Calorimeter and Muon Chambers (July 2006) End-Cap A Calorimeter, cold, in extended position equipped with cryogenic services (Feb. 2007)

44 G.Passardi, 10 avril 2008Les Journées Thématiques AFF-CCS, CERN, Genève, Suisse 44 Principes conceptuels et spécifications du système cryogénique pour les calorimètres (1) Cryogénie interne Pas de formation de gaz. Liquide sous-refroidi par pression hydrostatique et échangeurs. T à 88K Gradient de température à travers le bain < 0.7 K Pureté argon liquide < 2ppm O2 équivalent Refroidissement par échangeurs parallèles immergés: 6 (Barrel)+2x2 (End-Caps)+3 (vases dexpansion)=13 échangeurs Ecoulement azote diphasique. Débit forcé par pompe 200 g/s Ecart maximum de température entre limites strictes pendant mise en froid (<10…40 K): 7 critères pour Barrel, 11 critères pour End-Caps

45 G.Passardi, 10 avril 2008Les Journées Thématiques AFF-CCS, CERN, Genève, Suisse 45 Principes conceptuels et spécifications du système cryogénique pour les calorimètres (2) Cryogénie externe Calorimètres à < 100 K pendant 10 ans sans interruption Temps de mise en froid pas critique Système cryogénique et services redondants Possibilité de déplacer longitudinalement les cryostats End-Cap de 12 mètres avec cryogénie opérationnelle

46 G.Passardi, 10 avril 2008Les Journées Thématiques AFF-CCS, CERN, Genève, Suisse 46 LAr calorimeter principle cooling scheme End-cap LAr Tanks LN 2 tanks LN 2 pump Expansion vessel 1.25 bar 5.3 bar Barrel End-Caps LN 2 PSD Refri- gerator 2x 50 m 3 15 m 3

47 G.Passardi, 10 avril 2008Les Journées Thématiques AFF-CCS, CERN, Genève, Suisse 47 Cooldown of Barrel calorimeter Barrel mean temperature and T variation during cool-down Between 140K and 100K: LN 2 cooling From 100K to 90K: Argon condensing Sub-cooling Cryostat filling & heat load to the cryostat:1.9 kW 6.9 GJ - heat extracted during cool-down: From 295K to 140K : GN 2 cooling Average cooling rate 0.22 K/h

48 G.Passardi, 10 avril 2008Les Journées Thématiques AFF-CCS, CERN, Genève, Suisse 48 Cooldown of End-Cap calorimeter End-cap A mean temperature and T variation during cool-down 15.7 GJ 2.5 kW 88.3 Average cooling rate 0.13 K/h - heat extracted during cool-down: - heat load to the cryostat: Between 125K and 100K: LN 2 cooling Between 100K and 90K: Argon condensing Purges Cryostat filling & Sub-cooling From 295K to 125K : GN 2 cooling

49 G.Passardi, 10 avril 2008Les Journées Thématiques AFF-CCS, CERN, Genève, Suisse 49 Bilan des charges thermiques Cryostats : BarrelEnd-Cap 2 kW 2.1 kW X 2 estimé 1.9 kW 2.5 kW x 2 mesuré en surface * 50% feedthroughs 25% electronique Total : 12.0 kW estimé installation finale 11.5 kW mesuré *Avec corrections pour charges externes

50 G.Passardi, 10 avril 2008Les Journées Thématiques AFF-CCS, CERN, Genève, Suisse 50 Steady state conditions Barrel calorimeter Liquid argon bath subcooled by 3.5 K to 7.0 K Temperature uniformity over detector volume: 70 mK RMS Temperature stability: 10 mK Argon purity: between 0.1 and 0.3 ppm of O2-equivalent

51 G.Passardi, 10 avril 2008Les Journées Thématiques AFF-CCS, CERN, Genève, Suisse 51 Uninterrupted functioning for 10 years (1) End-cap LAr Tanks LN 2 tanks LN 2 pump Expansion vessel 1.25 bar 5.3 bar Barrel End-Caps LN 2 PSD Refri- gerator 2x 50 m 3 15 m 3 Redundancies : LN 2 pumps (x3) refrigerator + LN 2 supply tanks (x2) all essential devices on backed-up electrical power system: -EDF/EOS network -diesel generators -UPS compressed air and cooling water backed up

52 G.Passardi, 10 avril 2008Les Journées Thématiques AFF-CCS, CERN, Genève, Suisse 52 Uninterrupted functioning over 10 years (2) 12 meter longitudinal movement of the end-cap cryostats : Cryogenic lines between expansion vessel and cryostat Transfer-line supplying LN 2 to the heat exchangers Signal cables and compressed air pipes designed to follow this movement LAr expansion vessels LN2 heat exchangers regulation valve boxes End-cap A End-cap C 12 m displacement (picture P.Petit) LAr flexible line between expansion vessel and cryostat and associated dislacement system Inner diameter: DN150 Outer diameter: DN300 Length: 35 m Bending radius: 1.5 m

53 G.Passardi, 10 avril 2008Les Journées Thématiques AFF-CCS, CERN, Genève, Suisse 53 Système de guidage des TLs des aimants End-Cap

54 G.Passardi, 10 avril 2008Les Journées Thématiques AFF-CCS, CERN, Genève, Suisse 54 Uninterrupted functioning over 10 years (3) First displacements of end-cap A to its extreme opening position with all services connected: cold & empty on filled with LAr on © Copyright CERN

55 G.Passardi, 10 avril 2008Les Journées Thématiques AFF-CCS, CERN, Genève, Suisse 55 CONCLUSION La cryogénie de CMS et ATLAS est dans sa phase finale Les résultats obtenus sont conformes aux attentes La cryogénie des trois calorimètres en parallèle a fonctionnée pendant plusieurs mois Laimant de CMS est refroidi de nouveau à 4.5 K après son transfert avec le système cryogénique dans la caverne Les aimants dATLAS (trois toroides actuellement à 50 K + solénoïde) ont été testé séparément dans la caverne et leur test dans la configuration finale est imminent


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