R&D thermique pour le calorimètre de PANDA - IN2P3 · Simulation avec Flotherm. Température d'un préamplificateur en version quad. Simulation avec Flotherm. BF862 ∆+4°C. Connecteur

Rosier Ph. – IPNO – R&D Détecteurs – 12/09/2011 1/41 Refroidissement EMC pour PANDA

R&D thermique pour le calorimètre de PANDAR&D thermique pour le calorimètre de PANDA

Unité mixte de recherche CNRS-IN2P3Université Paris-Sud 11

91406 Orsay cedexTél. : +33 1 69 15 73 40Fax : +33 1 69 15 64 70http://ipnweb.in2p3.fr


SommaireSommaire

Le projet PANDA et le calorimètreIntérêt du refroidissement à

-25°C et problèmes thermiques

Version finaleIntégration de l'électronique

Définition du refroidissement généralEtat 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 conceptionCircuit de refroidissement et refroidisseur


L’expérience PANDA @ GSIL’expérience PANDA @ GSI

GSI actuel HESRFAIR : Futur accélérateur à

GSI Darmstadt, Allemagne

HESR : Anneau de stockage antiproton

PANDA : Détecteur à

cible interne à

4π

d’angle solide

Partie centrale

Faisceau

Partie avant

Partie centrale («

Target Spectrometer

»)

Aimant solénoïde 2 Tesla

Détecteur micro vertex« Straw » tubes (ou TPC)DIRC à

effet CerenkovCalorimètre électromagnétique


Le calorimètre électromagnétiqueLe calorimètre électromagnétique

Détection des photons par photo-diode à

avalanche (APD)

Cristal scintillant Tungstanate de plomb

(PbWO4)

«

Barrel

»

ou tonneau 11360 cristaux «

Endcap

»

avant3600 cristaux

«

Endcap

»

arrière 592 cristaux

Faisceau

Cible

Simulation de l’interaction d’un électron avec un bloc de 25 cristaux

Présentateur

Commentaires de présentation

APD présence de l’aimant


Refroidissement à -25°C et stabilisation à ±0.1°C 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

0 200 400 600 800 10000

20

40

60

80

100

LY /

p.e.

/MeV

integration gate / ns

-25oC

-10oC

-0oC+10oC+25oC

LY=92.2pe/MeV

Grande dépendance (opposée) en température :

Cristal dLY/dT = -2.9%/C @-25°CAPD dGain/dT = 2.2%/°C

Stabilisation obligatoire à

+/-0.1°C dans le temps

(calibration constante)

Impact sur la mécanique (transferts thermiques) et sur l’électronique (basse consommation)


Puissance ~150 W / 700 cristaux

Bilan thermique – puissances et transfertsBilan thermique – puissances et transferts

Préamplificateurs100mW/cristal

Isolation des parois avec l’extérieur

Circuit de refroidissement -25°C +/-

0.1°C

«

Pont

»

thermique par les câbles et supports


SommaireSommaire









Stabilité




Construction d’un prototype de 60 cristaux2006-2008 => Rédaction du Technical Design Report

Construction d’un prototype de 60 cristaux2006-2008 => Rédaction du Technical Design Report

Fabrication et montage

Tests mécaniques, thermiques

et physiques

Mesures expérimentales

Intégration del'électronique

CAO


Matériau : Roofmat (polystyrène)

Définition de l’isolant – transfert thermique par la paroiModélisation et facteurs de conduction

Définition de l’isolant – transfert thermique par la paroiModélisation et facteurs de conduction

Conductionλ

= 0.035 W/m.°K

R1 R2Convection

Tambiante Técran froidTparoi

h = ?Epais. ? mm

Epaisseur d’isolant ? Pour avoir une température paroi extérieure > point de rosée (12°C @60% Hr)

Matériau λ

(W/m.K) @20°C

Cuivre 390

Alliage d’aluminium 180

Laiton 100

Acier inox 26 (10‐50)

PbWO4 3.22

FR4 (époxy fibre de verre) 0.25

PVC 0.17

Polystyrène 0.035

Air 0.027

Roofmat Capot cuivre ép.1 mm à -25°C

Coté cristaux

Convection Conduction

Coté Extérieur à 20°C

Vitesse moyenne 0.5 m/s

Coefficients de conduction (valables à

-25°C)

Présentateur


Vérifier valeur de conduction


Coefficient de convection et température de paroiCoefficient de convection et température de paroi

h = 4.35 W/m².K

Conductionλ

= 0.035 W/m².°K

R1 R2Convection

Tambiante Técran froidTparoi

Epais. 40 mm

12.47°C

Coefficient d’échange par convection h = 4.35 W/m².°K

De Ref.1: Calcul du coefficient de convection le long d’une paroi vertical de

30 cm de hauteur

10070626.193.05.0293.1Re

e

hum

35.4)1(Pr83.01

PrRe036.06.0

8.0

h

h

718.0027.0

1005626.19Pr eCp

Surfaceépaisseur

SurfacehRRR

isolant

121eq

De Ref 2.: Calcul de la température de paroi et de l'épaisseur d'isolant nécessaire, transfert par

conduction et convection

eqRTfroidTambPuissance

TambRPuissanceTparoi 1*

CTparoi 47.12 pour épaisseur 40 mm

Présentateur


Mu=viscosite dynamique Pa.s


Homogénéité des températures sur l’écranEspacement entre tuyaux ?

Homogénéité des températures sur l’écranEspacement 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

eLPsTeTmTécran

²

Calcul d’une «

ailette

», transfert par conduction (réf. 2)


Température effective du tube / liquide refroidisseurExemple écran thermique DVCS

Température effective du tube / liquide refroidisseurExemple écran thermique DVCS

Tliquide

h

Ttube

C17.15Tpour 55.17

²/3748)PrRe023.0(

Pr

turbulentRégime3428Re

//5765.0;10306.1;/1000:

;4

²225.2;005.0:Tube

circuit

33.08.0

33

CSurfaceh

PuissanceTT

KmWD

h

Cp

DuSectionquVitesse

KmWsPamkgEau

DLSurfaceDSection

maLmD

circuittube

md

mm

Transfert par convection à

la paroi d'un tube (Réf. 1)

Elévation de température dans un circuit (Réf. 1)

CdTKKgJCpEau

skgqm

massiqueDébitWPuissance

dTCpqmP

7.0//4180 :

/)60/310**055.1(

: 53

**

R1Convection

Ttube

h = 3748 W/m².K

ΔT échange=0.4°C17.55°C

Trefroidisseur

ΔT élévation=0.7°C16.45°C 17.15°C

T début circuit T fin circuit

Puissance

Présentateur


Demonstration a revoir


Calcul d’un champ de températureExemple écran thermique DVCS

Calcul d’un champ de températureExemple écran thermique DVCS

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


Ecran thermique avec super isolantsRéduction de l'épaisseur d'isolant

Ecran thermique avec super isolantsRéduction de l'épaisseur d'isolant

20 mm

Feuille de super

insolant Rohacell

Vide obtenu = 18.10-3

torrFace

extérieur 17°C+/-0.2°C

Ambient20°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


SommaireSommaire









Stabilité




Intégration des préamplificateurs dans le proto 60Intégration des préamplificateurs dans le proto 60

Backplane-PCB

4 APD-Connector

"Back plate"

InsertGap pad SILFOX Bergquist

Conducteur thermique mais pas électrique (1000V)λ=1 W/m.K

Mieux que remplissage par isolant air

Préamplificateurs version quad50 mW/voie


BF862

AD8011

Point de fixation

Connecteur APD

Température d'un préamplificateur en version quadSimulation avec Flotherm

Température d'un préamplificateur en version quadSimulation avec Flotherm

BF862∆+4°C

Connecteur APD

∆+2.5°C

AD8011∆+3°C

Simulation de température

Version singleSimulation du single (prochaine diapo)

Présentateur


Revoir l'ordre …


θJA AD8011=155°C/W10mW => ∆+1.55°C

Mesure: ∆+3°C

θJS BF862 = 200°C/W28mW => 5.6°CMesure: ∆+4.3°C

θJA LM385 =283°C/W12mW => 3.4°CMesure: ∆+2°C

2 points de fixation sur la table Mesure ∆+1°C

Point de connexion APD ∆+3°C

Mesure de température sur un préamplificateur version single

Mesure de température sur un préamplificateur version single

Mesures avec thermocoupleUtilisation de l’impédance thermique des composants (θJS) pour comparaison

Mesures au thermocouple perturbantes pour l’électronique => utiliser une camera infra-rouge Retour à version quad …

Présentateur


Vérifier camera infra-rouge


Cris

talR1

T2

T1

Cold face

APDR2

R3C

able

T4

T3

Connecteur APD : -22°C

Température face avant

cristal: -25°C

Modele simplifié

pour une formulation analytique

Variation de température de l'APDModélisation et résolution analytique

Variation de température de l'APDModélisation 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

Δ0.8°C sur APD

)(*13 APDcrystal RRPuissanceTT

cableAPDcristal RRRTTPuissance

14

CT 2.243

WSection

LongueurRPbWO

cristal K/ 28.15502.0*22.3

2.0* 2

4

WRAPD K/ 4.36 WRcable K/ 7.434

Cris

tal


Simulation thermo-fluidique avec Flotherm

Bloc

Banc de mesure et simulation thermo-fluidiqueBanc de mesure et simulation thermo-fluidique

Bloc laiton autour du

cristal

Cristal PbWO4 + APD

résistances

Thermocouple et Pt100

Montage expérimental

APD

Bloc

Résistances


Affichage températures [-19;-25]°C

Δ

0.2°C sur la longueur du cristal

Zoom sur les préamplisΔ°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 OFF Quad gauche OFF

Simulations de température centrées sur l'APDModélisation avec Flotherm

Simulations de température centrées sur l'APDModélisation avec Flotherm

Cristaux

IsolationSupport

Support externe

APDs Quad preamps

Quad preamps

Cristaux n°1+2

APDs

Tube froid

back plateEcran

thermique

50mm Isolation

Cristaux n°5+6

Support externe Acier inox

Pied support

Affichage [+20;-25°]


SommaireSommaire









Stabilité




RefroidisseurRack d'acquisition

Alimentation haute-tension

Bouteille d'Azote(et enceinte étanche)

Banc de testBanc de test

Présentateur


Bonne stabilite des cristaux – pas d'influence de l'exterieur – coooling stable


Acquisition de températures 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


Air ambiant: +/-0.6°C (jour/nuit)

Cristaux: +/-0.05°C

refroidisseur +/-0.01°C

Premières mesures en fonctionnementPremières mesures en fonctionnement

Mesure de la stabilité

en température sur 24 heures

La stabilité des cristaux dans le temps est correctePas d'influence de la température extérieure

Présentateur



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)

Tem

pera

ture

(°C

)

Température du bloc après 30000s

Wt

TCpMtQP 22.14

262501226228.0424

La puissance de refroidissement nécessaire est:

Température initial= 30°C

Température des capots= 17°C pour accélérer la

descente

Cristauxλ=0.998 W/m.°K

Support aluminium

Ecran thermique cuivre

Température de service

= 18°C

Analyse transitoire d'un bloc de PbWO4Exemple calorimètre DVCS

Analyse transitoire d'un bloc de PbWO4Exemple calorimètre DVCS


Le cœur commence seulement sa descente au bout de 30 mn

Mesure d'une descente en température du proto 60De 20 à 0°C

Mesure d'une descente en température du proto 60De 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


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 60Relevé de température à l'intérieur du proto 60

Ecran avant-26°C

Face avant extérieure

15.5°C

Faisceau

Refroidisseur réglé à -27.5°CDébit = 3.2 litres/mn Liquide Huile silicone Syltherm XLT

Proto 60 écran thermique

Tube 1.5 m Tube 1.5 m

InsertPréampli

-23°C env.

CENTRE-25.12°C

Présentateur


Reverifier valeur par mathcad


Bilan de puissance du proto 60 et du refroidisseurBilan 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


Coté

intérieur à

-25°C

<10°C => condensation

Attention au pont thermique par conductionIci 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


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 Isolant

-25°C -25°C-25°C

Extérieur


SommaireSommaire









Stabilité



Rosier Ph. – IPNO – R&D Détecteurs – 12/09/2011 33/41 Refroidissement EMC pour PANDA33

Conception du circuit de refroidissementConception du circuit de refroidissement

dTCpqmP **Choisir dT Calculer 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


Caractéristique hydraulique du refroidisseur Détermination de la courbe pompe

Caractéristique hydraulique du refroidisseur Détermination de la courbe pompe

Débitmètre à ultrasons

Multi circuits pour mesurer les pertes de charge

Ø 10mm and 8 mmL.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 …

0

5

10

15

20

25

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2

Pump curves: Flow (L/mn) = f (pressure drop (bars))

Water 20°C

syltherm -25°C

Zone de mesure syltherm -25°C

Zone de mesure eau 20°C

Mise en équation et utilisation sous Excel

Débit

Pression


Calcul des pertes de charge régulières et singulières, section par section (réf. 4)

Calcul des pertes de chargeDétermination de la courbe réseau

Calcul des pertes de chargeDétermination de la courbe réseau

Détermination du point de fonctionnement

par macro Excel

"Courbe réseau"

Courbe pompe

Débit réseau

Débit pompe


SommaireSommaire









Stabilité




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 PANDAASIC vertical – Juillet 2011

Dernière intégration choisie pour l'EMC de PANDAASIC vertical – Juillet 2011


Schéma de principe pour un circuit généralEn mode leakless suivant expérience du CERN

Schéma de principe pour un circuit généralEn mode leakless suivant expérience du CERN


Définition d'une tranche de calorimètre Prototype thermique

équivalent à 480 cristaux

Avancement de la conception et divers prototypesAvancement de la conception et divers prototypes


Conception des pieds supportConception des pieds support

Acier Inox20°C

Mat de verre Epoxy

Carbone

Acier inox -25°C

Conception mécano-thermique

des piedsRéduction du transfert par conduction

Prise en compte de la dilatation à

-25°C

Pied fixe

Pied à

1 DDL


Conclusion et bibliographieConclusion et bibliographie

Historique

R&D: 2005-2008Avant-projet: 2009-2011

Etude

détaillée: 2012-2014Fabrication et montage: 2015-2017

Installation prévue en 2018 ...

1-

Thermique théorique et pratique par B.Eyglunent

-

Edition

Hermes

19942-

Transferts thermiques par José

Ouin

–

Edition

Casteilla

-

19983-

Cours d'hydraulique des réseaux de chauffage –

Chatellier

et Abadie –

Université

de la Rochelle4-

Mémento des pertes de charges par I.E.Idel'cik

-

Eyrolles5-

Isolation frigorifique –

Guide théorique et pratique par Ballot et Duminil

–

PYC Edition

Bibliographie

Documents

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