Le projet ILC-CALICE au LPSC-Grenoble

Présentation au sujet: "Le projet ILC-CALICE au LPSC-Grenoble"— Transcription de la présentation:

1 Le projet ILC-CALICE au LPSC-Grenoble
Conseil Scientifique 16 et 17 mai 2013 J-Y. Hostachy, LPSC-Grenoble

2 J-Y. Hostachy, LPSC-Grenoble
Rappels ILC (« International Linear Collider ») (Futur collisionneur linéaire e+ e- au Japon) ILD (« International Large Detector ») (« Calorimeter for Linear Collider Experiment ») ~340 Physiciens et ingénieurs de 57 Institus provenant de 17 pays des 4 Continents : Afrique, Amérique, Asie et Europe J-Y. Hostachy, LPSC-Grenoble

3 Introduction Projet de R&D : -> calorimètrie EM Si/W Équipe
Physiciens : J-Y. Hostachy Ingénieurs & techniciens : Micro-électronique : D. Dzahini, L. Gallin-Martel, F-E. Rarbi 2. Mécanique : Yves Carcagno, Dominique Fombaron, Guilhem Frèche, Calogero Geraci, Julien Giraud, Denis Grondin, Jean-Claude Malacour, Johann Men, Samuel Roni, Sébastien Roudier Deux axes : I. R&D Micro-électronique Plus de budget pour une contributions en micro-électronique depuis 2011 II. R&D Mécanique EVOLUTION du budget IN2P3 J-Y. Hostachy, LPSC-Grenoble

4 J-Y. Hostachy, LPSC-Grenoble
I. R&D Micro-électronique I.1 ADC 12 Bits : Conception de l’électronique de lecture et de codage du calorimètre EM (Si/W) : ADC « pipe line » 12 bits, rapide et de très faible consommation 12 bits, ADC “pipeline”, 25 MHz, 2Vpp INL: < 4 LSB Mode pulsé => < 200nW/canal, soit 0.8% de la limite (25µW/canal) Utilisation de ce circuit dans le projet NECTAR (New Electronics for the Cerenkov Telescop Array); premier circuit de ce genre en HEP. J-Y. Hostachy, LPSC-Grenoble

5 J-Y. Hostachy, LPSC-Grenoble
R&D Micro-électronique (suite) I.2 DAC 14 bits (15 MHZ) Circuit à capacités commutées, adapté à l’étalonnage du calo. EM Très bonnes performances Performance unique, en attente de budget pour être inséré dans le circuit SKIROK Devrait être mis à profit pour le développement de la nouvelle carte « calib LAr » pour la phase II d’ATLAS J-Y. Hostachy, LPSC-Grenoble

6 J-Y. Hostachy, LPSC-Grenoble
II. R&D Mécanique Architecture générale des bouchons EM (conception: Structure Alvéolaire W-Carbon HR, simulations,...) Définition du système de refroidissement (thermalisation, tonneau et bouchons) Assemblage et positionnement du calorimètre EM (Système de guidage /accrochage, tonneau et bouchons) Contribution à la réalisation de prototypes (démonstrateur, module EUDET) J-Y. Hostachy, LPSC-Grenoble

7 Module EUDET équipé de composants LPSC
II.1 Conception des bouchons EM Structure Modulaire 2 Bouchons Total de 2x12 modules = 2 x [4 quarts] Géométrie, matériaux: - Conception et fabrication de moules et noyaux pour alvéoles et couches longues - Conception et prototypes de plaques composites épaisses avec inserts - Simulations E.F. / comportement mécanique global des bouchons EM Validation de process spécifique Optimisation de l’épaisseur de paroi des alvéoles Aspect industrialisation des processes / modules longs (~ 540 cellules jusqu’à 2,50m) - Etude de moules et composants pour le développement des modules longs Simulations E.F. / sismique, contraintes dynamiques (déplacements, mise en œuvre) - Processus de fabrication d’éléments ~ 540 cellules similaires à celles du tonneau mais avec des longueurs différentes (jusqu’à 2,50m) Rails: 185 mm Un des 3 modules « standard » 1 quart ~ 6,5 T chacun 3 modules dans chaque quarter ~1,6 T ~2,2 T ~2,6 T Longueur Max. 2.5 m 1 EC ~25,5 T Equipé avec slabs, rails et tuyauterie Structure Alvéolaire W-Carbon HR avec Accrochage (rails) et système de refroidissement Plaque épaisse 2,5m x 15 mm en autoclave Bouchons ECAL: conception et composants Plaque fine 2mm Plaque épaisse 15 mm avec inserts Module EUDET équipé de composants LPSC

8 II.1 structures alvéolaires
Poursuite de dévelop- -pements Moulage grandes alvéoles 2,5 m Plaques épaisses /accrochage 1 / Plaque Carbone HR 15 mm Ep., avec inserts métalliques et rails simples Plaques LPSC sur Démonstrateur et EUDET La 1ère alvéole longue (186,8 x 6,5 mm) moulée avec 1 noyau aluminium Extraction ~ 420 N : ok End-Cap: 1,5 cm ! 2 / Plaque Carbone HR 13 mm Ep. avec inserts métalliques simples et double rangée Plaques LPSC pour tests chargement module EC n°3 Conception d’outillage de manutention des modules via leurs rails Rails Carbone HR La 1ère couche longue de 3 alvéoles démoulée (186,8 x 6,5 mm x 2,5m – 0,5 mm Ep.) Moulage 1 layer End-Cap à 3 alvéoles de 2,50 m (alvéoles 182.3x7.3 identiques au Barrel ≠ LOI) Validation des solutions technologiques (déformation) Aspect industrialisation des process Conception d’outillage de manutention des quarters J-Y. Hostachy, LPSC-Grenoble

9 II.1 Conception des bouchons EM
Structure échantillon et tests de cisaillement: nov. 2012 Objectif: adapter les paramètres E.F. afin de simuler toute la structure Carbone w g Problème de contrainte en flexion des parois alvéolaires / Influence de la modification de l’épaisseur des plis extérieurs Eprouvette de 3 alvéoles (182,3*7.3*50) Eprouvette enveloppée avec 2 plaques épaisses dans 4 plis extérieurs inverse reserve factor IRF<<1 Tsaï wu criteria Cell 2 kN Eprouvette Clamp Force Optimisation des valeurs de déformation Ces résultats initiaux semblent valider le modèle théorique des structures collées Contrainte cisaillement acceptable ≤ 6,6 MPa

10 II.2 Système de thermalisation
2 : Connexion module / cooling Flux thermique / couche Température Test sur démonstrateur 1 : Transfert thermique dans le module résistance thermique de contact Total < 30 kW 3 : Cooling global / intégration circuit Réseau de distribution Modelisation 3D

11 Puissances / objectif ILD
II.2 Thermalisation Locale Simulations et tests réalisés Etudes validées 1/ Transfert thermique dans le module 2/ Connexion module / cooling Integration: tuyaux & cables (DAQ + HV + GND ) Géométrie, matériaux, outillages, prototypes - Fluide : Eau- Système Leak less traversant tout l’ILD - Température de l’ Electronique sera maintenue entre 20°C et 40° C - Design des échangeur thermiques à eau auprès du détecteur - Design et test d’échangeurs spécifiques (jusqu’à 100W pour 15 slabs) - Process représentatif pour: contrôle/ électronique / capteurs - Premier design: sécurité hydraulique, composants durcis... - Prototypes: distribution/raccordement hydraulique d’une colonne, avec charges thermiques Test échangeurs Analyse thermique (simulation) FPGA full amplitude : 44 °c ship amplitude : 20 °c Puissances / objectif ILD Puissance globale : 4565 W 15 W / colonne à dissiper Bouchons ECAL intrados avec lignes de refroidissement - Contrôle par module Test contact Caloduc Echangeur thermique EUDET Connexion sur une boucle leakless vraie grandeur Circuit complet de connexion 1/40ème dy tonneau (5 colonnes) Fabrication de l’échangeur pour EUDET Prototype distribution/raccordement hydraulique 5 colonnes Prototype échangeur complet pour face avant d'un module

12 II.2 ILD-ECAL intégration de la thermalisation
Thermalisation globale prévue - Intégration réseau – conception station de refroidiss. Premier design: réseau et supervision de la thermalisation Boucle test leakless de 12m – validation du concept - Espace libre pour connections / tuyaux & câbles: sur et hors détecteurs Tests d’une boucle leakless grandeur réelle Skid (cooling station)assemblage et test Premiers tests avec 3 boucles (<1 atm) => automne 2013 - Déterminer la zone maximum leak less en fonction du diamètre de tuyau. Etude de connexions fiables entre tuyauteries et échangeurs thermiques à eau Hard automate programmable et modules E/S pour contrôle refroidissement ECAL Intégration Générale du Système de Refroidissement Mur de séparation (protection / champ magnétique et radiation) Espace pour pipes en dehors du détecteur limité mais doit être consolidé / autres détecteurs Station de refroidiss. L ≤ 30m 3 m x 2 m x 2 m Circuit de refroidissement pour boucons et tonneau ECAL Développements / système Leakless cooling station 13m High Line 9 m Low Line 10 m Medium Line 2,5 m 5,1 m 4,5 m Cooling Station

13 II.3 Accrochage du calorimètre EM
Pour bouchons + tonneau Simulations & tests Conception Design 3D et tests de différents systèmes d’accrochage => Epaisseur30 mm & rail double face Rigidité de la structure support & transparence / φ et au-delà Tests & optimisation / simulations de la meilleure localisation sur les modules -Validation des solutions technologiques (flexion des modules) - Moule Hte Pression pour rail composite - Rails aluminium Double face Aspect industrialisation des process Caractérisation, tests & optimisation: éléments , rails de faible section (Ep.) Couplage des modules > 15 mm HCAL ETD ECAL Case 12 : Vertical / 2 double rails 90° configuration a=0,02 mm E.F. pour déterminer la rigidité des rails EUDET 15 mm plaque carbone épaisse avec inserts métalliques + rails aluminium Objectif des simulations: Influence de la position / nbr de systèmes d’accrochage sur le comportement mécanique (déplacements / stress) … Prototypes de rails en aluminium Rails: Carbone HR

14 Test sur démonstrateur 3 couches
II.4 Prototypes (Démonstrateur, Module EUDET…) Test sur démonstrateur 3 couches Module EUDET

15 J-Y. Hostachy, LPSC-Grenoble
Thèses, publications, etc… 2 thèses : F-E Rarbi : Conception d’un convertisseur analogique numérique pipeline de grandes dynamique et de faible consommation pour le codage des signaux de détecteurs à forte granularité ; le 22 nov. 2010 L. Maurin : Etude du calorimètre électromagnétique silicium-tungstène du concept de détecteur ILD pour ILC et mesure de la masse du boson de higgs dans le canal e+e- -> Z H -> e+e- + X ; le 5 fév. 2010 12 articles L = 250 fb-1 Etude faite en collaboration avec l’université de Casablanca (Maroc) GDRI Polarization(-,+) Polarization(+,-) J-Y. Hostachy, LPSC-Grenoble

16 J-Y. Hostachy, LPSC-Grenoble
Conclusion Un ensemble de réalisations concrètes ont été réalisée par le LPSC-Grenoble Une contribution visible et notable appréciée par le reste de la collaboration CALICE Nécessité de poursuivre cette activité (la finalisation de la conception est loin d’être terminée) L’avancée de nos travaux est contrainte par l’aspect budgétaire J-Y. Hostachy, LPSC-Grenoble