24 juillet 2006R&D ATLAS Super-LHC Refroidissement par évaporation pour super-LHC Nouvelles idées pour le refroidissement du trajectographes en silicium.

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1 24 juillet 2006R&D ATLAS Super-LHC Refroidissement par évaporation pour super-LHC Nouvelles idées pour le refroidissement du trajectographes en silicium par l’évaporation de fluides fluorocarbones: G. Hallewell Centre de Physique des Particules de Marseille, France; ATLAS: Détecteur à pixels + SemiConducting Tracker (SCT): C 3 F 8   C 2 F 6 ?

2 24 juillet 2006R&D ATLAS Super-LHC Fluides fluorocarbones… pourquoi? Pourquoi l’évaporation? Développements pour le trajectographe ATLAS Développements éventuelles pour super- LHC(températures Si réduites) Refroidissent des trajectographes en silicium par l’évaporation de fluides fluorocarbones

3 24 juillet 2006R&D ATLAS Super-LHC Choix de fluide caloporteur  Chimiquement stable (T< 400°C, n’interagisse pas avec la couche d’ozone) ;  Résistant aux radiations ;  ininflammable ;  viscosité réduite par rapport des mélanges eau+antigels/alcools T < 0°C ;  non-conductrice ;  non-toxique ; –Large gamme de données de comptabilité des matériaux (utilisation comme radiateur Cherenkov de détecteurs RICH : OMEGA, SLD, DELPHI, COMPASS… LHCb) FF F F C F F C F F C F F C  Per-fluoro-alcanes: molécules saturés de type (C n F (2n+2   type ‘n’, (pas ‘cis’, ni ‘trans’), bonds C-F simples, très forts  stabilité Analogues: méthane (CH 4 ), éthane  C 2 H 6  … octane (C 8 H 18 ) 

4 24 juillet 2006R&D ATLAS Super-LHC 1. Irradiation par neutrons Echantillons (<10 cm 3 ) de perfluoro-n-hexane (C 6 F 14 ) liquide & Téflon irradiées  3.10 13 n.cm -2 pour simuler l’environnent LHC ; Production de 18 F (106 min: émetteur  511 KeV) ; Données de section d’efficace n-capture  niveau d’activité 10 5 Bq.g -1 pendant circulation (pour un taux instantané ~ 10 6 n.cm -2 s -1 ), considéré comme acceptable dans un circuit fermé 2. Modifications chimique liées aux irradiations ionisantes Echantillons (<10 cm 3 ) de perfluoro-n-hexane (C 6 F 14 ) irradiées avec 60 C  ’s; Apres 3 MRad, ~1% (masse) de liquide C 6 F 14 a été chimiquement modifiée; Evidence chimique pour la production de HF, due aux impuretés avec groupes C-H SEM + Spectroscopie Auger électron utilisés pour caractérisation des polymères déposés sur des échantillons d’aluminium et d’inox immergés en liquide pendant irradiation  6 MRad Après 6 MRad, surfaces couvertes par une couche polymérique d’épaisseur ~ 0.4mm; Dégradation + précipitation plus important dans une échantillon avec 3% (vol.) n-heptane (source d’hydrogène pour simuler impuretés qui contiennent hydrogène) Fluorocarbons “satures” de type (C n F (2n+2) ), synthétises des précurseurs alcanes (C n F (2n+2) ); Contrôles pour contamination résiduelle H possibles par FTIR (Fourier Transform Infra-Red) (Signature caractéristique FTIR des liens C-H). Techniques (catalyst) pour enlever contamination de type C n F (2n+2-x) H x déjà développées au CERN. Resistance contre radiations L   Tous ces etudes doivent etre refaites pour L>10 34

5 24 juillet 2006R&D ATLAS Super-LHC Mais pourquoi refroidissement par l’évaporation?  1/10  1/20 le débit massique d’un système liquide (enthalpie d’évaporation  1-2 gs -1 /100W chaleur à évacuer) c.f. 24 (12) gs -1 H 2 O pour  T eau =1(2)°C (C p =4184 Jkg -1 K -1 )  (S tuyauterie + masse de fluide circulante  %X 0 moins élevée)  Coefficient de transfert de chaleur plus important d’un système monophasé %X 0 comparaison pour détecteur à pixels ATLAS ; Refroidissement évap. C 4 F 10 c.f. système avec eau/antigel (voir ATLAS PIXEL-TDR) Recommandation de l’LHCC (7/97) aux détecteurs ATLAS-SCT& pixels: étude de refroidissement par évaporation réduction de matériel  à faible rayon

6 24 juillet 2006R&D ATLAS Super-LHC Et comment ça marche? Déverseur/ Back-pressure regulator pour chaque circuit (P evap individuelle) Comme la clim... Liquide l.p. Liquide h.p. Vapeur l.p. Vapeur h.p.

7 24 juillet 2006R&D ATLAS Super-LHC Système au CPPM pour qualification des échelles (“staves” ) ATLAS Pixels

8 24 juillet 2006R&D ATLAS Super-LHC GUI en PVSS II Machine a état finie pour envoyer fluide vers l’échelle séquencing des vannes pneumatiques

9 24 juillet 2006R&D ATLAS Super-LHC GUI en PVSS II Machine a état finie pour envoyer fluide vers l’échelle séquencing des vannes pneumatiques Partie d’un run de 1000 cycles de refroidissement/réchauffement : “Accelerated Thermal Stress Test” des liaisons thermiques d’une échelle

10 24 juillet 2006R&D ATLAS Super-LHC Contexte historique: GEM Silicon tracker (SSC): étude de refroidissement par l’évaporation de C 4 H 10 (!!!) Idée: refroidir les extrémités en z d’un tracker à micropistes en silicium ou se concentraient les puces de lecture (trajectographe 1 er génération comme ALEPH, CDF…) mais %X0 réduit dans les canalisations Section Maquette thermique Distribution de butane (!!) en état liquide par mèches poreuses avec évaporation dans l’enceinte du tracker (opération des zones du tracker a des températures différentes impossible) Expériences faites avec mèches de polystyrène, béryllium, graphite; Fuites de liquide, évaporation avant l’arrivée aux puces, ‘Bouchons’ de vapeur qui empêchaient l’arrivée du liquide en surface de dissipation des puces… Système pour LHC-upgrade?: injecteurs pour chaque module liquide livré par tube mince (1 par échelle)?... récupération de vapeur d’un de l’enceinte de trajectographe?

11 24 juillet 2006R&D ATLAS Super-LHC Contexte historique: GEM Silicon tracker (SSC): étude de refroidissement par l’évaporation de C 4 H 10 (!!!) Idée: refroidir les extrémités en z d’un tracker à micropistes en silicium ou se concentraient les puces de lecture (trajectographe 1 er génération comme ALEPH, CDF…) mais %X0 réduit dans les canalisations Section Maquette thermique Distribution de butane (!!) en état liquide par mèches poreuses avec évaporation dans l’enceinte du tracker (opération des zones du tracker a des températures différentes impossible) Expériences faites avec mèches de polystyrène, béryllium, graphite; Fuites de liquide, évaporation avant l’arrivée aux puces, ‘Bouchons’ de vapeur qui empêchaient l’arrivée du liquide en surface de dissipation des puces…

12 24 juillet 2006R&D ATLAS Super-LHC ATLAS SemiConductorTracker micropistes en silicium au tour du détecteur à pixels

13 24 juillet 2006R&D ATLAS Super-LHC Température d’opération des détecteurs en silicium Taux d’irradiation prés des faisceaux LHC ( Pixel-land: r< 25cm ): ~ 10 12 n cm -2 /an; + ~ 2 MRad/an radiations ionisantes Problèmes liées aux radiations:  Inversion de ‘type’ (irradiation par neutrons) n type silicium  p type  Courant de fuite élevée:  génération de chaleur supplémentaire dans le bulk du Si (faible conductibilité thermique faible: besoin de refroidissement ‘distribuée’) I fuite  effet de ‘feedback’ positif  ‘thermal runaway’ Besoins pour sécurité des modules Si:  Opération à T < 0°C (-6  C spec TDR pixel);  Détection rapide de ‘dé-lamination’ de chaque module de la structure de support + refroidissement (interlock thermique rapide avec thermisteur NTC  alim. module)

14 24 juillet 2006R&D ATLAS Super-LHC Structure ATLAS-Pixels

15 24 juillet 2006R&D ATLAS Super-LHC Structure ATLAS-Pixels Structure de support en carbone-carbone, Tube de refroidissement 200  m Al CPPM  : Système à évaporation de (C 4 F 10 /C 3 F 8 ) développé au CPPM Bi stave: Canal de refroidissement

16 24 juillet 2006R&D ATLAS Super-LHC Test thermique: echelle (“stave”) pixel : “Re-baselining qualification” (12/2000) Eric VIGEOLAS Pixel week December 2000 Moyenne en température -12.9°C sur les modules Si inclinés; & -7.3°C sue module au centre (C-C plus épais) Perte de charge longueur du ‘stave’: ~ 0.2 Bar (C 3 F 8 @ 1.45bar abs ) Module #

17 24 juillet 2006R&D ATLAS Super-LHC Les 2 paramètres indépendants d’un système évaporatif (1) Réglage de température d’évaporation ;  par ‘orifice télécommande’ (typiquement un déverseur piloté électriquement ou par air comprimé) Très (!) rapide - pas nécessaire de changer la température de fluide circulante comme dans un système monophasé (2) Réglage de la capacité frigorifique:  variation de débit massique de fluide frigorigène circulant (par pression a l’entrée de l’orifice ou capillaire jusqu’amont l’évaporateur) (typiquement un détendeur piloté électriquement ou par air comprimé)

18 24 juillet 2006R&D ATLAS Super-LHC Mais les 324 circuits ATLAS sont très distribués : > 25 m de tuyauterie d’entrée et de sortie par circuit passent en goulottes entre des autres sous-détecteurs dans l’aimant toroïdal… Risque de condensation si les températures des tuyaux de retour vapeur sont inferièures de celle de la point de rosée

19 24 juillet 2006R&D ATLAS Super-LHC Composants principaux Racks déverseurs (g), d  tendeurs (d) Compresseur & condenseur

20 24 juillet 2006R&D ATLAS Super-LHC Comment l’eviter? Livrer suffisante de fluide pour évacuer la chaleur des modules Silicium (variable ; fonction de N° de modules alimentés par échelle, I fuite etc…) mais pas trop (pour éviter l’évaporation dans les 25m de tuyauterie)! Une technique intelligente ; Feedback entre sondes thermiques et télécommandes des détendeurs; Risque de condensation si les températures des tuyaux de retour vapeur sont inferièures de celle de la point de rosée Fait par bloc firmware de réglage Proportionnel, Intégrale & Dérivative; Objet: maintien de température aval de l’évaporateur qqs °C au dessus de la température d’  vaporation définie par le déverseur au bout des 25m de tuyau de retour vapeur : Thermistor ou PT100 vers une entrée analogique du E-LMB ATLAS + sortie DAC vers détendeur (débit massique) de liquide frigorigène PID peut être facilement ajouté (suffisante de place mémoire dans le microcontrolleur du LMB) p(t) = K c [e(t) + (1/  I )   t e(t*)dt* +  D (de/dt)]

21 24 juillet 2006R&D ATLAS Super-LHC #include #include "mfc.h" uint8_t volatile dispch, map, input, ziff, flash, fon; int16_t volatile temp, disp[DISPLAYS], par[PARAMS], aktpar, aktsig n; int16_t last_error, acc_error, lastout; static int16_t dummy_attribute_((section (“.eeprom”))) = 0; static int16_t savepar[PARAMS] _attribute_((section (“.eeprom”)) ) = { PAR1, PAR2, PAR3, PAR4, PAR5, PAR6, PAR7 } ; void delay( uint8_t anz ) { uint8_t i; uint16_t j, k; for ( i = 0; i < anz; i++ ) for ( j = 0; j < 32768; j++ ) k += j; } int16_t round (float t ) { t *= 10; if ( fabs( t ) == t ) return (int16_t) ( t - 0.5 ) ; else return return (int16_t) ( t + 0.5 ) ; } void display( int16_t n) { uint8_t tmp; if ( n < 0) { n = -n ; sbi( PORTC, CMINUS ) ; } else cbi ( PORTC, CMINUS) ; if ( input && aktsign && ( ziff ! =4  fon ) ) sbi( PORTC, CMINUS ) ; if ( n > 999 ) n = 999; tmp = ( n / 100 ) ; if ( ziff == 1 ) FLASH ( SEG1, tmp ) ; else { if ( tmp == 0 && ! ziff ) SEG ( SEG1, SEGBLANK ) ; else SEG ( SEG 1, tmp ) ; } Algorithme PID enregistré dans microcontrolleur ATMEL GNU  microcode 

22 24 juillet 2006R&D ATLAS Super-LHC ATLAS DCS E-Local Monitor Board  Node CAN bus (  32 enchainés sur un bus)  Résistant jusqu’au 50KRad (10 ans/caverne ATLAS)  64 entrées sondes analogiques (PT100 etc.)  32 bits DI/O  2Mo programme espace dans  -controller Carte mere Entrée sondes CAN Connecteurs pour periperiques (comme carte DAC) Aucun Controlleur PID durci jusqu’au 50KRad existe sur la marche commecriale

23 24 juillet 2006R&D ATLAS Super-LHC

24 24 juillet 2006R&D ATLAS Super-LHC Pour réduire la température de fonctionnement (durée de vie dans un taux de radiation élevé au super-LHC) Fluides fluoro-carbones avec molécules plus légers que C 3 F 8

25 24 juillet 2006R&D ATLAS Super-LHC Perfluoro-méthane (CF 4 ) difficile à manipuler Livraison liquide + évaporation doivent être @  -50°C (problème de T critique )

26 24 juillet 2006R&D ATLAS Super-LHC Perfluoro-éthane (C 2 F 6 ) moins difficile à manipuler Livraison liquide doit être @  20°C (T critique ) Evaporation  une température plus élevée que celle de CF 4 Evaporation C 2 F 6  à -60°C à une pression de 2,5 bar  Candidat idéal?

27 24 juillet 2006R&D ATLAS Super-LHC Comparaison: fluide actuelle: Perfluoro-propane (C 3 F 8 ) pour référence Livraison liquide doit être @  60°C (T critique ) Mais évaporation C 3 F 8 à -60°C  pression de <<1 bar  (ingérable cote aspiration compresseur après qqs dizaines de mètres de tuyauterie)

28 24 juillet 2006R&D ATLAS Super-LHC Puits ATLAS (profondeur 92m) Bâtiments surface ATLAS USA15 Détendeurs Télécommandés (débit proportionnel) Compresseurs Condenseurs Trajetographe  h (liquide)   bar(C 3 F  )  h (vapeur)   mbar(C 3 F  ) Vers un circulateur simplifi  (stresse compresseurs réduite: MTBF améliorée)

29 24 juillet 2006R&D ATLAS Super-LHC Fluides fluorocarbones… résistance a > 10 34 ? Evaporation en canalisations ouvertes pour réduire %X0? Perfectionnement du system d’alimentation liquide comme fonction de charge thermique a évacuer? Développement de l’électronique PID plus résistant aux radiations que l’ELMB? Utilisation du C 2 F 6 ? Les Challenges de refroidissement a Super-LHC

30 24 juillet 2006R&D ATLAS Super-LHC Fin