Rosier Ph. – IPNO – R&D Détecteurs – 12/09/2011 1/41 Refroidissement EMC pour PANDA R&D thermique pour le calorimètre de PANDA Unité mixte de recherche.

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1 Rosier Ph. – IPNO – R&D Détecteurs – 12/09/2011 1/41 Refroidissement EMC pour PANDA R&D thermique pour le calorimètre de PANDA Unité mixte de recherche CNRS-IN2P3 Université Paris-Sud 11 91406 Orsay cedex Tél. : +33 1 69 15 73 40 Fax : +33 1 69 15 64 70 http://ipnweb.in2p3.fr

2 Rosier Ph. – IPNO – R&D Détecteurs – 12/09/2011 2/41 Refroidissement EMC pour PANDA Sommaire Le projet PANDA et le calorimètre Intérêt du refroidissement à -25°C et problèmes thermiques Version finale Intégration de l'électronique Définition du refroidissement général Etat d'avancement de l'étude mécano-thermique Présentation du prototype de 60 cristaux Définition des isolants et des écrans thermiques Température du circuit de refroidissement Panneau super-isolant Intégration de l'électronique Etude thermique des préamplificateurs Stabilité de température de l'APD Tests et mesures du prototype Défauts de conception Circuit de refroidissement et refroidisseur

3 Rosier Ph. – IPNO – R&D Détecteurs – 12/09/2011 3/41 Refroidissement EMC pour PANDA Lexpérience PANDA @ GSI GSI actuelHESR FAIR : Futur accélérateur à GSI Darmstadt, Allemagne HESR : Anneau de stockage antiproton PANDA : Détecteur à cible interne à 4π dangle solide Partie centrale Faisceau Partie avant Partie centrale (« Target Spectrometer ») Aimant solénoïde 2 Tesla Détecteur micro vertex « Straw » tubes (ou TPC) DIRC à effet Cerenkov Calorimètre électromagnétique

4 Rosier Ph. – IPNO – R&D Détecteurs – 12/09/2011 4/41 Refroidissement EMC pour PANDA Le calorimètre électromagnétique Détection des photons par photo-diode à avalanche (APD) Cristal scintillant Tungstanate de plomb (PbWO4) « Barrel » ou tonneau 11360 cristaux « Endcap » avant 3600 cristaux « Endcap » arrière 592 cristaux Faisceau Cible Simulation de linteraction dun électron avec un bloc de 25 cristaux

5 Rosier Ph. – IPNO – R&D Détecteurs – 12/09/2011 5/41 Refroidissement EMC pour PANDA Refroidissement à -25°C et stabilisation à ±0.1°C Energie faible => Amélioration de la réponse en lumière du PbWO4 en refroidissant le cristal à -25°C LY=92.2pe/MeV Grande dépendance (opposée) en température : Cristal dLY/dT = -2.9%/C @-25°C APD dGain/dT = 2.2%/°C Stabilisation obligatoire à +/-0.1°C dans le temps (calibration constante) Impact sur la mécanique (transferts thermiques) et sur lélectronique (basse consommation)

6 Rosier Ph. – IPNO – R&D Détecteurs – 12/09/2011 6/41 Refroidissement EMC pour PANDA Puissance ~150 W / 700 cristaux Bilan thermique – puissances et transferts Préamplificateurs 100mW/cristal Isolation des parois avec lextérieur Circuit de refroidissement -25°C +/- 0.1°C « Pont » thermique par les câbles et supports

7 Rosier Ph. – IPNO – R&D Détecteurs – 12/09/2011 7/41 Refroidissement EMC pour PANDA Sommaire Le projet PANDA et le calorimètre Intérêt du refroidissement à -25°C et problèmes thermiques Version finale Intégration de l'électronique Définition du refroidissement général Etat d'avancement de l'étude mécano-thermique Présentation du prototype de 60 cristaux Définition des isolants et des écrans thermiques Température du circuit de refroidissement Panneau super-isolant Intégration de l'électronique Etude thermique des préamplificateurs Stabilité de température de l'APD Tests et mesures du prototype Défauts de conception Circuit de refroidissement et refroidisseur

8 Rosier Ph. – IPNO – R&D Détecteurs – 12/09/2011 8/41 Refroidissement EMC pour PANDA Construction dun prototype de 60 cristaux 2006-2008 => Rédaction du Technical Design Report Construction dun prototype de 60 cristaux 2006-2008 => Rédaction du Technical Design Report Fabrication et montage Tests mécaniques, thermiques et physiques Mesures expérimentales Intégration de l'électronique CAO

9 Rosier Ph. – IPNO – R&D Détecteurs – 12/09/2011 9/41 Refroidissement EMC pour PANDA Matériau : Roofmat (polystyrène) Définition de lisolant – transfert thermique par la paroi Modélisation et facteurs de conduction Définition de lisolant – transfert thermique par la paroi Modélisation et facteurs de conduction Conduction λ = 0.035 W/m.°K R1 R2 Convection T ambiante T écran froid T paroi h = ? Epais. ? mm Epaisseur disolant ? Pour avoir une température paroi extérieure > point de rosée (12°C @60% Hr) Matériau λ (W/m.K) @20°C Cuivre390 Alliage daluminium180 Laiton100 Acier inox26 (10-50) PbWO43.22 FR4 (époxy fibre de verre)0.25 PVC0.17 Polystyrène0.035 Air0.027 RoofmatCapot cuivre ép.1 mm à -25°C Coté cristaux ConvectionConduction Coté Extérieur à 20°C Vitesse moyenne 0.5 m/s Coefficients de conduction (valables à -25°C)

10 Rosier Ph. – IPNO – R&D Détecteurs – 12/09/2011 10/41 Refroidissement EMC pour PANDA Coefficient de convection et température de paroi h = 4.35 W/m².K Conduction λ = 0.035 W/m².°K R1 R2 Convection T ambiante T écran froid T paroi Epais. 40 mm 12.47°C Coefficient déchange par convection h = 4.35 W/m².°K De Ref.1: Calcul du coefficient de convection le long dune paroi vertical de 30 cm de hauteur De Ref 2.: Calcul de la température de paroi et de l'épaisseur d'isolant nécessaire, transfert par conduction et convection pour épaisseur 40 mm

11 Rosier Ph. – IPNO – R&D Détecteurs – 12/09/2011 11/41 Refroidissement EMC pour PANDA Homogénéité des températures sur lécran Espacement entre tuyaux ? Homogénéité des températures sur lécran Espacement entre tuyaux ? Pour Ps précédente (Puissance/Surface), et écran cuivre 1 mm ΔT écran < 0.05°C si L<24mm Donc pour la conception, l'espacement entre tuyaux de refroidissement ne dépasse pas 50mm afin d'avoir une correcte efficacité des écrans. Tuyaux de refroidissement Le calcul de température d'un écran entre 2 tuyaux de refroidissement peut être modélisé par 2 ailettes symétriques L T m T e Puissance surfacique Ps Calcul dune « ailette », transfert par conduction (réf. 2)

12 Rosier Ph. – IPNO – R&D Détecteurs – 12/09/2011 12/41 Refroidissement EMC pour PANDA Température effective du tube / liquide refroidisseur Exemple écran thermique DVCS Température effective du tube / liquide refroidisseur Exemple écran thermique DVCS T liquide h T tube Transfert par convection à la paroi d'un tube (Réf. 1) Elévation de température dans un circuit (Réf. 1) R1 Convection T tube h = 3748 W/m².K ΔT échange=0.4°C 17.55°C T refroidisseur ΔT élévation=0.7°C 16.45°C17.15°C T début circuit T fin circuit Puissance

13 Rosier Ph. – IPNO – R&D Détecteurs – 12/09/2011 13/41 Refroidissement EMC pour PANDA Calcul dun champ de température Exemple écran thermique DVCS Calcul dun champ de température Exemple écran thermique DVCS Les températures dentrée et de sortie sont calculées analytiquement de sorte de tenir de tenir compte de lélévation de température dans le liquide de refroidissement. Calcul avec Samcef field en 2D Températures imposées "analytiques" Vérification de conception de l'écran Début tube de refroidissement à 16.85°C Sortie liquide refroidissement à 17.55°C Conditions limites adiabatiques Puissance 53 W Possibilité d'utiliser un logiciel thermo-fluidique en multi- domaines Cuivre 2 mm

14 Rosier Ph. – IPNO – R&D Détecteurs – 12/09/2011 14/41 Refroidissement EMC pour PANDA Ecran thermique avec super isolants Réduction de l'épaisseur d'isolant Ecran thermique avec super isolants Réduction de l'épaisseur d'isolant 20 mm Feuille de super insolant Rohacell Vide obtenu = 18.10 -3 torr Face extérieur 17°C +/-0.2°C Ambient 20°C -25°C Plaque aluminium 1mm Plaque carbone 1.6 mm Vide <0.1 mW/m.K Rohacell 29 mW/m.K Apparente conductivité / Pression (techniques de l'ingénieur) 18.10 -3 torr

15 Rosier Ph. – IPNO – R&D Détecteurs – 12/09/2011 15/41 Refroidissement EMC pour PANDA Sommaire Le projet PANDA et le calorimètre Intérêt du refroidissement à -25°C et problèmes thermiques Version finale Intégration de l'électronique Définition du refroidissement général Etat d'avancement de l'étude mécano-thermique Présentation du prototype de 60 cristaux Définition des isolants et des écrans thermiques Température du circuit de refroidissement Panneau super-isolant Intégration de l'électronique Etude thermique des préamplificateurs Stabilité de température de l'APD Tests et mesures du prototype Défauts de conception Circuit de refroidissement et refroidisseur

16 Rosier Ph. – IPNO – R&D Détecteurs – 12/09/2011 16/41 Refroidissement EMC pour PANDA Intégration des préamplificateurs dans le proto 60 Backplane-PCB 4 APD-Connector "Back plate" Insert Gap pad SILFOX Bergquist Conducteur thermique mais pas électrique (1000V) λ=1 W/m.K Mieux que remplissage par isolant air Préamplificateurs version quad 50 mW/voie

17 Rosier Ph. – IPNO – R&D Détecteurs – 12/09/2011 17/41 Refroidissement EMC pour PANDA BF862 AD8011 Point de fixation Connecteur APD Température d'un préamplificateur en version quad Simulation avec Flotherm Température d'un préamplificateur en version quad Simulation avec Flotherm BF862 Δ+4°C Connecteur APD Δ+2.5°C AD8011 Δ+3°C Simulation de température Version single Simulation du single (prochaine diapo)

18 Rosier Ph. – IPNO – R&D Détecteurs – 12/09/2011 18/41 Refroidissement EMC pour PANDA θ JA AD8011=155°C/W 10mW => Δ+ 1.55°C Mesure: Δ+3°C θ JS BF862 = 200°C/W 28mW => 5.6°C Mesure: Δ+ 4.3°C θ JA LM385 =283°C/W 12mW => 3.4°C Mesure: Δ+2°C 2 points de fixation sur la table Mesure Δ+1°C Point de connexion APD Δ+3°C Mesure de température sur un préamplificateur version single Mesures avec thermocouple Utilisation de limpédance thermique des composants (θJS) pour comparaison Mesures au thermocouple perturbantes pour lélectronique => utiliser une camera infra-rouge Retour à version quad …

19 Rosier Ph. – IPNO – R&D Détecteurs – 12/09/2011 19/41 Refroidissement EMC pour PANDA Cristal R1 T2 T1 Cold face APD R2 R3 Cable T4 T3 Connecteur APD : -22°C Température face avant cristal: -25°C Modele simplifié pour une formulation analytique Variation de température de l'APD Modélisation et résolution analytique Variation de température de l'APD Modélisation et résolution analytique Afin de garantir une stabilité de 0.1°C sur l'APD, le préampli ne doit pas varier de plus de 50/8=6.25 mW dans le temps. Contrainte pour les électroniciens Importance de garder de la distance entre préampli et APD Δ 0.8°C sur APD Cristal

20 Rosier Ph. – IPNO – R&D Détecteurs – 12/09/2011 20/41 Refroidissement EMC pour PANDA Simulation thermo-fluidique avec Flotherm Bloc Banc de mesure et simulation thermo-fluidique Bloc laiton autour du cristal Cristal PbWO4 + APD résistances Thermocouple et Pt100 Montage expérimental APD Bloc Résistances

21 Rosier Ph. – IPNO – R&D Détecteurs – 12/09/2011 21/41 Refroidissement EMC pour PANDA Affichage températures [-19;-25]°C Δ 0.2°C sur la longueur du cristal Zoom sur les préamplis Δ°APD=0.64°C / Δ° haut du cristal = 0.25°C Si un préampli voisin est OFF => Δ-0.1°C max pour l'APD encore en fonctionnement Quad droit OFFQuad gauche OFF Simulations de température centrées sur l'APD Modélisation avec Flotherm Simulations de température centrées sur l'APD Modélisation avec Flotherm Cristaux Isolation Support Support externe APDs Quad preamps Cristaux n°1+2 APDs Tube froid back plate Ecran thermique 50mm Isolation Cristaux n°5+6 Support externe Acier inox Pied support Affichage [+20;-25°]

22 Rosier Ph. – IPNO – R&D Détecteurs – 12/09/2011 22/41 Refroidissement EMC pour PANDA Sommaire Le projet PANDA et le calorimètre Intérêt du refroidissement à -25°C et problèmes thermiques Version finale Intégration de l'électronique Définition du refroidissement général Etat d'avancement de l'étude mécano-thermique Présentation du prototype de 60 cristaux Définition des isolants et des écrans thermiques Température du circuit de refroidissement Panneau super-isolant Intégration de l'électronique Etude thermique des préamplificateurs Stabilité de température de l'APD Tests et mesures du prototype Défauts de conception Circuit de refroidissement et refroidisseur

23 Rosier Ph. – IPNO – R&D Détecteurs – 12/09/2011 23/41 Refroidissement EMC pour PANDA Refroidisseur Rack d'acquisition Alimentation haute-tension Bouteille d'Azote (et enceinte étanche) Banc de test

24 Rosier Ph. – IPNO – R&D Détecteurs – 12/09/2011 24/41 Refroidissement EMC pour PANDA Acquisition de températures Centrale d'acquisition AGILENT 34970 A + module 34901A 13 capteurs: 11 thermocouples type TMesures relatives avec thermocouples.À calibrer à -25°C.(sinon +/-0.3°C de différence en absolu) 2 sondes Pt100 pour le liquide de refroidissement

25 Rosier Ph. – IPNO – R&D Détecteurs – 12/09/2011 25/41 Refroidissement EMC pour PANDA Air ambiant: +/-0.6°C (jour/nuit) Cristaux: +/-0.05°C refroidisseur +/-0.01°C Premières mesures en fonctionnement Mesure de la stabilité en température sur 24 heures La stabilité des cristaux dans le temps est correcte Pas d'influence de la température extérieure

26 Rosier Ph. – IPNO – R&D Détecteurs – 12/09/2011 26/41 Refroidissement EMC pour PANDA Evolution de la température Température à cœur Température périphérique La temperature de 18°C est atteinte après 26250s = 7.3 heures (1.6°C/h) Time (seconds) Temperature (°C) Température du bloc après 30000s La puissance de refroidissement nécessaire est: Température initial = 30°C Température des capots = 17°C pour accélérer la descente Cristaux λ=0.998 W/m.°K Support aluminium Ecran thermique cuivre Température de service = 18°C Analyse transitoire d'un bloc de PbWO4 Exemple calorimètre DVCS Analyse transitoire d'un bloc de PbWO4 Exemple calorimètre DVCS

27 Rosier Ph. – IPNO – R&D Détecteurs – 12/09/2011 27/41 Refroidissement EMC pour PANDA Le cœur commence seulement sa descente au bout de 30 mn Mesure d'une descente en température du proto 60 De 20 à 0°C Mesure d'une descente en température du proto 60 De 20 à 0°C Au bout de 12h le cœur "atteint" l'asymptoteLe refroidisseur descend rapidement L'inertie thermique des cristaux facilite la stabilité dans le temps

28 Rosier Ph. – IPNO – R&D Détecteurs – 12/09/2011 28/41 Refroidissement EMC pour PANDA Cristal droit -25,87°C Cristal haut -25.62°C Cristal gauche -25.48°C APD du cristal central -24.29°C À 1 cm de la face avant du cristal central -25.19°C À 1 cm de l'APD sur le cristal central -24.73°C Entrée liquide refroidissement -27.01°C Sortie liquide refroidissement -26.76°C Relevé de température à l'intérieur du proto 60 Ecran avant -26°C Face avant extérieure 15.5°C Faisceau Refroidisseur réglé à -27.5°C Débit = 3.2 litres/mn Liquide Huile silicone Syltherm XLT Proto 60 écran thermique Tube 1.5 m Insert Préampli -23°C env. CENTRE -25.12°C

29 Rosier Ph. – IPNO – R&D Détecteurs – 12/09/2011 29/41 Refroidissement EMC pour PANDA Bilan de puissance du proto 60 et du refroidisseur Puissance disponible = 400 W @ -25°C (- 30% max théorique pour le refroidisseur) Mesure = 60% pour le refroidisseur !? (qualité d'isolation, tête PID à l'air, prise d'humidité) Refroidisseur 240 W = 60 % Puissance Total Proto 60 = 20 W (calcul qmCpdT) =5 % Puissance (mesuré) 3 W préamplis (60x50mW) 10 W boite 7 W câbles et supports Ne pas hésiter à sur dimensionner par un facteur 2 la puissance de refroidissement Tuyaux 76 W = 19 % Puissance Tuyaux d'alimentation: Ne pas hésiter à les changer ou à les réisoler avec une barrière de vapeur

30 Rosier Ph. – IPNO – R&D Détecteurs – 12/09/2011 30/41 Refroidissement EMC pour PANDA Coté intérieur à -25°C condensation Attention au pont thermique par conduction Ici le cuivre est fortement présent dans le pcb pour réduire les problèmes électromagnétiques. Le froid s'est propagé à l'extérieur. 10°C et de la condensation sur les cartes électroniques. "Back PCB" (PCB multicouches) Quelques erreurs de conception "Les ponts thermiques sur les cartes électroniques" (1/2) Quelques erreurs de conception "Les ponts thermiques sur les cartes électroniques" (1/2) Ajout de barre en cuivre relié à une partie à température ambiante Le gradient est déplacé vers l'intérieur en zone sèche

31 Rosier Ph. – IPNO – R&D Détecteurs – 12/09/2011 31/41 Refroidissement EMC pour PANDA La fixation des lignes de refroidissement doit être rigide mais isolée thermiquement. Sinon cela entraine un risque de glace localement et une perte de puissance frigorifique. Support acier Liquide froid Raccord rapide Rondelle isolante en FR4 (Fibre de verre/époxy) Quelques erreurs de conception "Les ponts thermiques sur les tubes de refroidissement et glaces" (2/2) Quelques erreurs de conception "Les ponts thermiques sur les tubes de refroidissement et glaces" (2/2) Entre deux tubes frigorifiques, il peut y avoir présence de glace… Y penser à la conception Isolant -25°C Extérieur

32 Rosier Ph. – IPNO – R&D Détecteurs – 12/09/2011 32/41 Refroidissement EMC pour PANDA Sommaire Le projet PANDA et le calorimètre Intérêt du refroidissement à -25°C et problèmes thermiques Version finale Intégration de l'électronique Définition du refroidissement général Etat d'avancement de l'étude mécano-thermique Présentation du prototype de 60 cristaux Définition des isolants et des écrans thermiques Température du circuit de refroidissement Panneau super-isolant Intégration de l'électronique Etude thermique des préamplificateurs Stabilité de température de l'APD Tests et mesures du prototype Défauts de conception Circuit de refroidissement et refroidisseur

33 Rosier Ph. – IPNO – R&D Détecteurs – 12/09/2011 33/41 Refroidissement EMC pour PANDA 33 Conception du circuit de refroidissement Choisir dTCalculer le débit Calculer les pertes de charge du circuit Trouver le point de fonctionnement Déterminer la pression disponible du circulateur Bilan de puissance (isolants, équipements …) Point de fonctionnement pompe-réseau (réf. 3) Débit Pression Calculer les températures des écrans

34 Rosier Ph. – IPNO – R&D Détecteurs – 12/09/2011 34/41 Refroidissement EMC pour PANDA Caractéristique hydraulique du refroidisseur Détermination de la courbe pompe Débitmètre à ultrasons Multi circuits pour mesurer les pertes de charge Ø 10mm and 8 mm L.2m / 5m/ 10m Refroidisseur Banc de mesure de pression Il est nécessaire de caractériser soi-même son refroidisseur avec le liquide et à la température de service Capacité de la pompe avec de l'eau et à 20°C … Zone de mesure syltherm -25°C Zone de mesure eau 20°C Mise en équation et utilisation sous Excel Débit Pression

35 Rosier Ph. – IPNO – R&D Détecteurs – 12/09/2011 35/41 Refroidissement EMC pour PANDA Calcul des pertes de charge régulières et singulières, section par section (réf. 4) Calcul des pertes de charge Détermination de la courbe réseau Calcul des pertes de charge Détermination de la courbe réseau Détermination du point de fonctionnement par macro Excel "Courbe réseau" Courbe pompe Débit réseau Débit pompe

36 Rosier Ph. – IPNO – R&D Détecteurs – 12/09/2011 36/41 Refroidissement EMC pour PANDA Sommaire Le projet PANDA et le calorimètre Intérêt du refroidissement à -25°C et problèmes thermiques Version finale Intégration de l'électronique Définition du refroidissement général Etat d'avancement de l'étude mécano-thermique Présentation du prototype de 60 cristaux Définition des isolants et des écrans thermiques Température du circuit de refroidissement Panneau super-isolant Intégration de l'électronique Etude thermique des préamplificateurs Stabilité de température de l'APD Tests et mesures du prototype Défauts de conception Circuit de refroidissement et refroidisseur

37 Rosier Ph. – IPNO – R&D Détecteurs – 12/09/2011 37/41 Refroidissement EMC pour PANDA Préampli = ASIC (100 mW / cristal) Position verticale directement derrière l'APD (sans câble) Extraction de chaleur par boite aluminium et Silfox Thermalisation du cristal par contact direct avec l'insert et capsule en PEEK CF30 Dernière intégration choisie pour l'EMC de PANDA ASIC vertical – Juillet 2011 Dernière intégration choisie pour l'EMC de PANDA ASIC vertical – Juillet 2011

38 Rosier Ph. – IPNO – R&D Détecteurs – 12/09/2011 38/41 Refroidissement EMC pour PANDA Schéma de principe pour un circuit général En mode leakless suivant expérience du CERN Schéma de principe pour un circuit général En mode leakless suivant expérience du CERN

39 Rosier Ph. – IPNO – R&D Détecteurs – 12/09/2011 39/41 Refroidissement EMC pour PANDA Définition d'une tranche de calorimètre Prototype thermique équivalent à 480 cristaux Avancement de la conception et divers prototypes

40 Rosier Ph. – IPNO – R&D Détecteurs – 12/09/2011 40/41 Refroidissement EMC pour PANDA Conception des pieds support Acier Inox 20°C Mat de verre Epoxy Carbone Acier inox -25°C Conception mécano-thermique des pieds Réduction du transfert par conduction Prise en compte de la dilatation à -25°C Pied fixe Pied à 1 DDL

41 Rosier Ph. – IPNO – R&D Détecteurs – 12/09/2011 41/41 Refroidissement EMC pour PANDA Conclusion et bibliographie Historique R&D: 2005-2008 Avant-projet: 2009-2011 Etude détaillée: 2012-2014 Fabrication et montage: 2015-2017 Installation prévue en 2018... 1- Thermique théorique et pratique par B.Eyglunent - Edition Hermes 1994 2- Transferts thermiques par José Ouin – Edition Casteilla - 1998 3- Cours d'hydraulique des réseaux de chauffage – Chatellier et Abadie – Université de la Rochelle 4- Mémento des pertes de charges par I.E.Idel'cik - Eyrolles 5- Isolation frigorifique – Guide théorique et pratique par Ballot et Duminil – PYC Edition Bibliographie