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1 Janvier 2014 Buhour / Guilloux Résumé: -Vue générale du MFT dans ALICE; - Descriptif du MFT. - Descriptif dun plan du MFT. - Environnement du MFT. -

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Présentation au sujet: "1 Janvier 2014 Buhour / Guilloux Résumé: -Vue générale du MFT dans ALICE; - Descriptif du MFT. - Descriptif dun plan du MFT. - Environnement du MFT. -"— Transcription de la présentation:

1 1 Janvier 2014 Buhour / Guilloux Résumé: -Vue générale du MFT dans ALICE; - Descriptif du MFT. - Descriptif dun plan du MFT. - Environnement du MFT. - Outillage dinstallation. - Procédure dinstallation. - Refroidissement. - Etudes de mécanique des fluides et de thermique du MFT. - Etude préliminaire de limpact du refroidissement sur le MFT barrel. MFT mécanique et refroidissement

2 2 Janvier 2014 Buhour / Guilloux Place du MFT dans ALICE Vue en coupe datant du début du projet (11/2011) MFT ITS absorbeur Beam pipe IP TPC V0, T0, FIT ? Coté C Coté A faisceaux

3 3 FIT Cage MFT/MFT barrel Cage fixe Tube faisceau Support du tube faisceau Zone de service Vue générale du MFT dans ALICE Esquisse MFT-ITS-FIT Proposition SUBATECH – 11/2013 Version TDR 6 ITS Janvier 2014 Buhour / Guilloux MFT AbsorbeurITS

4 4 Janvier 2014 Buhour / Guilloux Descriptif du MFT. -6 plans de détection -2 demi cônes étanches, quasi symétriques cône Plan de détection Goulotte BP* BP : Beam Pipe Goulotte support BP* Disque avant Disque arrière Feuille de kapton Zone de passage des « ailes » du support BP

5 5 Janvier 2014 Buhour / Guilloux Descriptif dun plan de détection du MFT. Plan type 04 Passage tube faisceau Face recevant les échelles Buse de diffusion de lair de refroidissement Entrée airSortie air Fibres optiques

6 6 Janvier 2014 Buhour / Guilloux Descriptif dun plan de détection du MFT. Capteurs, électronique FE et puissance dissipée W pour les sensors W pour les GBT - 52 W pour les transceiver optiques W pour les DC-DC converters Soit 840 W pour un demi MFT C. Renard et S. Bouvier, 19/02/2014

7 7 Janvier 2014 Buhour / Guilloux Descriptif dun plan de détection du MFT. Eclaté plan 04 Différents éléments constituants un plan Zone de détection avant Zone de détection arrière Plan de pose des échelles pcb Connecteurs optiques Répartiteur air de refroidissement Zone de collage Be/pcb

8 8 Janvier 2014 Buhour / Guilloux Descriptif dun plan de détection du MFT. Détail dune échelle. sensors flex Connecteur sur pcb Connecteur sur face inférieure du flex Marquage de léchelle raidisseur Exemple dun échelle type 3 sensors

9 9 Janvier 2014 Buhour / Guilloux Environnement du MFT, sans MFT. 9 Beam Pipe Support BP Cage fixe Support BP côté C « Ailes » de maintien du support La cage fixe est mise en place (TPC position garage) elle sert de référence pour la mise en place des autres détecteurs ainsi que du BP Rails de mise en place amovibles

10 10 Janvier 2014 Buhour / Guilloux -Outillage dinstallation, « MFT inférieur ». Après lassemblage du MFT: Montage MFT dans la cage MFT (travail en labo) 10 Cage MFT/MFT barrel Coulissant dans cage fixe Le 1/2 cône mft complet est positionné dans sa cage de mise en place. Mise en place des fibres optiques en fond de cage. et de toutes les connexions électriques et servitudes du refroidissement (cas où toute la connectique sort du côté A) Côté A Côté C Logement Fibres optiques Zone de fixation FIT

11 11 Janvier 2014 Buhour / Guilloux -Outillage dinstallation, « MFT barrel inférieur ». Réalisé en labo Logement des fibres optiques Et des câbles électriques Passage des alimentations électriques Passage air cooling In et out Entrée et sortie air de refroidissement Esquisse de la cage MFT Zone de fixation FIT

12 12 Janvier 2014 Buhour / Guilloux -Outillage dinstallation. Exemple dassemblage MFT et cage MFT et sa connectique Assemblage Finitions et ajout FIT

13 13 Janvier 2014 Buhour / Guilloux -Procédure dinstallation, MFT et MFT barrel inférieur. 13 Insertion cage MFT (et FIT) La cage MFT est translatée selon Z et mis en place autour du BP le long de glissières dans la cage fixe. La procédure est a répéter avec la partie Supérieure du MFT et de sa cage. Selon Z Selon X

14 14 Janvier 2014 Buhour / Guilloux -Procédure dinstallation. Insertion ITS Enveloppe mini des « outer layers »

15 15 Janvier 2014 Buhour / Guilloux -Procédure dinstallation. Insertion pixel Pixel detector Outillage de mise en place

16 16 Janvier 2014 Buhour / Guilloux -Procédure dinstallation. Insertion TPC Cage interne de la TPC Extraction des rails

17 17 Janvier 2014 Buhour / Guilloux -Conclusion et discussion. Enveloppe mini des « middle et outer layers » Attache outer layers Attache middle layers Proposition de modification du cône X X Zone à étudier rapidement Détail de linterface MFT-ITS

18 18 Janvier 2014 Buhour / Guilloux - Des points importants à régler en 2014 (au début de !) Définition des interfaces, MFT vs ITS, BP, FIT, TPC, ? Définition du partage des tâches (exemple du MFT barrel). Choix des personnes en charge pour les sous ensembles du MFT. Des avancées prévues début Réunion MFT – ALICE (Beam Pipe) prévue 22 janvier MFT barrel à la charge de la collaboration MFT. -Diamètre du BP, 18=>19.6=>19? -Dimensions des middle layer (3 et 4) encore fluctuantes (ITS TDR6 => ITS TDR7) Réunion daujourdhui => partage des tâche, mise en place de la collaboration. X X

19 19 Janvier 2014 Buhour / Guilloux -Refroidissement. Résumé: -Vue générale du MFT dans ALICE; - Descriptif du MFT. - Descriptif dun plan du MFT. - Environnement du MFT. - Outillage dinstallation. - Procédure dinstallation. - Refroidissement. - Etudes de mécanique des fluides et de thermique du MFT. - Etude préliminaire de limpact du refroidissement sur le MFT barrel.

20 Le modèle évalué est conforme à celui présenté dans la LoI (puissance, géométrie), la puissance issue de lélectronique de « front end » nest pas comptée, le changement de la géométrie des plans due au possible « ailes » de support du tube faisceau nest pas pris en compte. Plusieurs modèles évalués, avec différents matériaux supports (TPG, Béryllium, composites), avec différents modes de refroidissements (conductif et convectif). Conclusion, première esquisse Utilisation dun flux dair à température ambiante pour refroidir le plans, en surface et à lintérieur des plans. - simplifie la conception, simplifie les servitudes. - permet de limiter la quantité de matière utilisée (faible X0). Proposition de lutilisation de Béryllium pour les plans supports, bon rapport rigidité, X0, conductivité thermique. Janvier 2014 J-M Buhour Résumé des pré-études de thermique sur les plans de détection du MFT 1,4 mm 2 mm Plan de détection complet extérieur intérieur 3 flux dair distincts Sortie dair entrée dair

21 Air 1Air 2 Air 3 Air 4Air 5 Air 6 Tube faisceau Particules Zones de détection Exemple de simulation des écoulements dair dans et sur les plans du MFT Les vitesses débitantes obtenues dans le MFT sont inférieures à 10m/s Les coefficients déchange moyens sont: 50 W/m².K à lextérieur des plans 30 W/m²K à lintérieur des plans Janvier 2014 J-M Buhour AIR5 AIR56 AIR6 Zoom INLET

22 Première modélisation dun groupe de deux ASIC pour un calcul de thermique. Géométrie simple permettant dévaluer lapport des différentes sources de refroidissement. ASIC isolant flex support ASIC: 0,18µm Longueur 30 mm, largeur 8 mm (5 mm active, 3 mm passive) Épaisseur 50µm Puissance déposée : 515 mW/capteur (340 mW/cm² sur partie active) Flex: 2 x 57 µm daluminium Isolant: 3 x 50µm de Kapton Support: 0,2 mm, Béryllium convection refroidissement Dépôt de puissance Janvier 2014 J-M Buhour convection Exemple de simulation de thermique sur un groupe dASIC

23 Janvier 2014 J-M Buhour Descriptif pour un quart de plan : 13 échelles 1 échelle à 1 capteur 1 échelle à 2 capteurs 6 échelles à 3 capteurs 5 échelles à 4 capteurs Soit 41 capteurs pour le quart de plan modélisé et donc environ 328 pour le disque zéro complet (2 plans, le recto et le verso). Le dépôt de puissance sur les capteurs est de 515 mW. Soit environ 169 W pour le disque zéro complet. La vitesse maximale de lair est toujours de 10m/s. Le coefficient déchange au dessus des capteurs est de 40 W/m².K Le coefficient déchange à lintérieur du plan est de 25W/m².K La température de lair est 22°C La température maximale des ASIC calculée dans cette simulation est denviron 30°C Exemple de simulation de thermique sur le disque 0 du MFT

24 Janvier 2014 J-M Buhour Lutilisation de lair à température ambiante avec une vitesse débitante inférieure à 10 m/s sur des plans de détection dont le matériau support est du Béryllium permet dobtenir des températures de fonctionnement des ASIC inférieures à 30 °C, Toutefois, au vue des premiers devis (170 k…) concernant la fabrication de disques support en Béryllium, lusage de composites Carbone-Epoxy pourrait être privilégié. LAlliage AlBeMet pourrait être un candidat intéressant (46 k). Ces études devront être plus poursuivies dans le prochain trimestre. Toutefois, assurer le refroidissement de lintégralité du MFT avec uniquement de lair nest pas une solution unique, définitive ou arrêtée; le bilan final des puissances totales dissipées dans les plans ainsi que dautres considérations (de géométrie, de conception mécanique) feront que nous pourrons être amené à compléter le refroidissement par air par un refroidissement liquide, dans les parties situées en dehors de la zone de détection notamment. Conclusion et prochaines simulations

25 Janvier 2014 J-M Buhour La suite des études mécaniques et des simulations de thermique pourra être réalisée lorsque les paramètres suivant seront fixés et estimés: -Géométrie du MFT, cest-à-dire la taille, la forme et la localisation de nouveaux éléments qui vont modifier les plans de détections (cône central, aile support du tube faisceau, position des plans par rapport à lIP). -Les puissances dissipées, dans les ASIC, dans lélectronique de front end, leur localisation, la taille des composants et de la connectique. -La mise à jour du budget matière des différents plans, afin dajuster et de confirmer le genre et lépaisseur du support de plan. -Le nombre de plans, la largeur des capteurs sont aussi des informations dont nous aurons besoin pour continuer à travailler. - Les forces disponibles (en mécanique) dans les laboratoires associés au projet MFT. prochaines études, objectifs « Layout » complet (le plus possible) des plans de détections et de lélectronique proche. => Plans densembles Reprise des simulations de mécanique des fluides et de thermique. => Liquide en plus ou pas? Réalisation dune maquette déchelle, voire de disque, « thermiquement » utilisable et représentative. => Validation du modèle et des solutions technique. Révision du cône support pour intégrer les disques et leurs servitudes. => positon, nombre et dimension des arrivées de fluides de refroidissement. Etudes mécanique détaillées des plans et échelles constituants les disques. => Solution technique et maquette

26 Rapide estimation de la quantité de refroidissement par eau à faire passer dans le « MFT Barrel ». P = dm*Cp*DT hypothèses: P = puissance = 1 kW/2 = 500 W = 0.5J/s dm = débit massique (kg/s) Cp = capacité calorifique = 4.2 kJ/kW*K DT = différence de température = 2 °K 0.5 = dm*4.2*2 dm = 0.06 kg/s ou aussi en gros 0.06litres/s ou aussi 0, m3 si je prends comme autre hypothèse que je ne veux pas dépasser une vitesse de circulation de 1m/s de l'eau dans ma canalisation (pour limiter les pertes de charges). 0, /1 = 0, m² soit 60 mm², soit la surface d'un tuyau d'un diamètre de 8.74 mm, que j'arrondis à 9mm. donc nous avons un tuyau d'arrivée d'eau de 9 mm de diamètre et aussi un tuyau pour le retour de l'eau pour un demi MFT, soit 2 tuyaux de 9 mm par MFT barrel. Si nous souhaitons avoir des tuyaux de moindres diamètres nous pourrons multiplier le nombre de tuyaux (attention aux pertes de charges linéiques). Ainsi avec des tuyaux de 3 mm nous devrions avoir 18 tuyaux (9 allés et 9 retours). Etc… Il serait intéressant davoir 1 circuit par plan de détection (12 tuyaux, de 3.7 mm de diamètre environ). Le matériau des tuyaux nest pas encore choisit (on peut envisager 50µm dacier inox par parois). Rappel! Dans ces calculs toute la puissance est évacuée par leau, en réalité une grande partie sera évacuée par lair., donc moins de tuyaux deau à faire passer (2 à 3 fois moins). Il faudra considérer le système « leakless » (apportera des limites sur la qualité de l écoulement). Il est préférable de limiter le refroidissement à leau en dehors de la zone de détection (zone PCB). Si cela est possible il faudra prévoir de la redondance dans le nombre de tuyaux. Et, bien sur, tous ceci nécessitera dautres simulations plus détaillées, aux niveaux local et global. Tuyaux allés Tuyaux retours Janvier 2014 J-M Buhour

27 27 Janvier 2014 Buhour MFT - Working groups - PBS WG 7:


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