Les Journées Thématiques AFF-CCS au CERN Cryogénie et Supraconductivité pour le LHC et ses...

Les Journées Thématiques AFF-CCS au CERNCryogénie et Supraconductivité pour le LHC et ses

détecteurs

Organisées par l’Association Française du FroidCommission de Cryogénie et de Supraconductivité

LA CRYOGENIE DES DETECTEURS DU LHC

Giorgio Passardi10 avril 2008

G.Passardi, 10 avril 2008Les Journées Thématiques AFF-CCS, CERN, Genève, Suisse

2

Large Hadron Collider


3

CMS


4

ATLAS


5

COLLABORATION INTERNATIONALE

LAL, BNL, CEA, LPSC et NTNULAL, BNL, CEA, LPSC et NTNU

CEA-SACLAY,INFN,KEK et CEA-SACLAY,INFN,KEK et RALRAL

CERN COLLEGUES

Cryogénie hélium

Cryogénie argon


6

CMS Solenoid


7

ATLAS Barrel Toroid


8

ATLAS End-Cap Toroid


9

ATLAS Central Solenoid


10

Données aimantsATLAS• Trois grands toroides (Barrel, 2 End-Caps)Masse froide à 4.5 K: 680 tonnesCourant 20.5 kA, énergie stockée 1.6 GJ• Solénoïde CentraleCourant 7.6 kA, 2 T, énergie stockée 39 MJMasse froide à 4.5 K: 5.5 tonnes

CMS• Grand solénoïde: masse froide à 4.5 K: 220 tonnesCourant 19.5 kA, 4 T, énergie stockée 2.6 GJ

Températures après décharge rapide < 80 K


11

Principes conceptuels et spécifications du système cryogénique pour les aimants(1)

Cryogénie interne• Refroidissement indirecte par tubes en contact thermique avec la masse froide• Circuits en parallèle:2x4/bobine x 8 =64 pour toroides ATLAS avec orifices entrée circuit, 86 pour CMS, 2 pour CS ATLAS, • Ecoulement hélium diphasique à 4.5 K• Débit forcé par pompe (toroides) ou thermosiphon (solénoïdes)• Débit spécifique pour toroides >4 g/s.cm2 • Concentration massique gaz sortie circuits << 10%

• Ecrans à 60 K par circulation forcé (réfrigérateurs) de gaz He


12

Principes conceptuels et spécifications du système cryogénique pour les aimants (2)

Charges thermiques statiques dynamiques à 4.5 K• Barrel toroide: 8x82 W 350 W (2 hr) • End-Cap toroide: 2x200 W 2x100 W (2 hr)• ATLAS solénoïde: 50 W 20 W (20 min)• CMS solénoïde: 160 W 360 W (4 hr)

Cryogénie externe• Mise en froid aimants entre 300 K à 100 K en utilisant LN2, de 100 K à 4.5 K en utilisant les turbines• Temps de mise en froid<1 mois, écart max. températures<30 K• Temps de récupération décharge rapide <3 jours• Pression maximum pendant décharge rapide <20 bar• Un réfrigérateur pour CMS de 1.5 kW @ 4.5 K• Deux réfrigérateur pour ATLAS de: 6 kW @ 4.5 K et 20 kW @

60K


13

Flow scheme of CMS He refrigerator


14

Flow scheme of ATLAS He refrigerators


15

PCS of ATLAS Toroids


16

PCS of ATLAS Central Solenoid


17

CMS thermosyphon flow


18

LHe centrifugal pump performance


19

Static heat load of CMS Solenoid

Flow AdI 2 x 0,4 g/sDlev(A-B) = 6,75% en 10’=277 l/h

Ev. rate = 254 l/h = 178 W

A

B

From Ph. Bredy, CEA

Saclay

LHe level in Phase

Separator


20

Natural warm-up of CMS Solenoid

2 K/ 21 ½ min = 154 W on Cold mass alone

(SdP heat loads to be added 20 W)

Total = 174 W

Cold mass bilan :NbTi 4.9 tCu 8.6 tAl pur 73.9 tAl renf 6082 90.4 tG10 9.9 tAl cyl 5083 34.8 t

From Ph. Bredy, CEA

Saclay

10 K

5 K

CDS synchronization !


21

Static heat load Barrel Toroid

Average BT heat load in Cryoring (14 Dec 2006)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

1 2 3 4 5 6 7 8

BT coils

WA

TT

Values measured in test station

TOTAL MEASURED IN TEST STATION 571 W TOTAL IN UX15 IS 586 W


22

Natural warm-up of Barrel Toroid

Natural Warm Up

0

20

40

60

80

100

120

28-Nov 8-Dec 18-Dec 28-Dec 7-Jan

Te

mp

era

ture

[K

]

S1_IN

S1_OUT

S2_IN

S2_OUT

S3_IN

S3_OUT

S4_IN

S4_OUT

S5_IN

S5_OUT

S6_IN

S6_OUT

S7_IN

S7_OUT

S8_IN

S8_OUT

Natural Warm Up Jan 9th, 2007

0

10

20

30

40

50

60

70

80

29-Nov-06 09-Dec-06 19-Dec-06 29-Dec-06 08-Jan-07

Te

mp

era

ture

[K

]

Tin-Tout on the pipes

Tmax, Tmin on coils

Pt1000

Carbon resistors


23

Static heat load of Central Solenoid

ATLAS: CS

• Measurement of total loss was done during thermosyphon operation mode with disconnected refrigerator and looking at the level/time change in the control dewar

• Results: - 17 Watts for the solenoid and

the chimney;- below 10 Watts for the

dewar.

G.Passed, 10 avril 2008Les Journées Thématiques AFF-CCS, CERN, Genève, Suisse

24

Dynamic heat load of CMS Solenoid

Slow discharge

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

18000

20000

20/10/200617:02:24

20/10/200618:14:24

20/10/200619:26:24

20/10/200620:38:24

20/10/200621:50:24

Cu

rre

nt

[A]

4.5

5

5.5

6

6.5

7

7.5

Te

mp

era

ture

[K

]

Fast discharge at 5000 A

Slow discharge

Temperature increase ~ 0.28 K


25

Dynamic heat load of Barrel Toroid

Slow Dump 20.5 kA on Nov. 18, 2006

0

5000

10000

15000

20000

25000

7:12 9:36 12:00 14:24 16:48 19:12 21:36 0:00

Time [hours]

Cu

rre

nt

[A]

0

50

100

150

200

250

300

Va

po

ur

ma

ss

flo

w [

g/s

]

LHe vapor mass flow on the

phase separator is increased due

to the higher heat load

~380 W


26

Dynamic heat load of Barrel Toroid

Slow dump on Nov. 18th, 2006Return Buckets Levels

50

60

70

80

90

14:24 15:36 16:48 18:00 19:12 20:24

Time [hh:mm]

LH

E L

ev

el i

n B

uc

ke

ts

[%]

0

5000

10000

15000

20000

25000

Cu

rre

nt

[A]

Level of LHe is reduced due to the

higher vaporization during slow discharge


27

Charge dynamique du Solénoïde Centrale

Charge thermique par courants induites: environ 25 W

Méthodes de mesure:• Pendant charge à 6 A/s baisse du chauffage dans

le séparateur de phase a niveau constant (refroidissement en circuit forcé par réfrigérateur)

• Mesure de débit à température ambiante


28

Bilan de la réfrigération du solénoïde de CMS

• Charges thermiques à 4.5 K:180 W (statique) + 50 W (interfaces) +360 W (dynamique)= 590 W (réfrigérateur 920 W mesuré, 800 W spécifié)

• Charge en liquéfaction: 2.6 g/s (réfrigérateur 4 g/s mesuré, 4 g/s spécifié)

• Charge thermique des écrans à 60 K:1100 W* (réfrigérateur 4400 W mesuré,4500 spécifié)

* mesure préliminaire


29

Bilan des charges thermiques statiques ATLAS

• Charges thermiques à l’interface de la PCS ( BT seul):

1400 W = 590 W (BT) + 650 W (pompe) + 160 W (anneau cryogénique+cryostats emmenées de courant + systèmes de sécurité+ lignes de transfert + boite à vannes)

• Puissance du réfrigérateur à l’interface avec la PCS:

3000 W + 13 g/s de liquéfaction

• Puissance nécessaire: 1400 W + 30 W+ 300 W**x2 (End-Caps) = 2030 W + 11 g/s

** mesure préliminaire


30

Charges thermiques des écrans ATLAS et CMS

ATLAS Barrel toroide• Pour chacun des cryostats dans la zone de test en

surface, moyenne 800 W x 8 = 6400 W (6600 estimés)• Le total de la charge thermique des écrans BT a aussi

été mesuré dans la caverne = 5900 WEnd-Cap toroide• Mesuré dans la caverne = 2x1300 W* (2x2200 W estimés) Solénoïde centrale• Pas de mesure (500 W estimés)• Total: 6400 W+2600 W+500 W+1900 W (estimation

interfaces)= 11400 W (20 kW de réfrigération)

CMS solénoïde

• 1100 W* (3000 W estimés) * mesures préliminaires


31

Cooldown of CMS Solenoid

Cooling CMS

0

50

100

150

200

250

300

2-Feb-06 7-Feb-06 12-Feb-06 17-Feb-06 22-Feb-06 27-Feb-06

Tm

in T

ma

x [

K]

0

10

20

30

40

50

60

De

lta

T [

K]

QUR1H_C_TTMAGMIN.POSST QUU1H_C_TTMAGMAX.POSST Delta T

10 days

DT< 22K

1.5 kW @ 4.5 K refrigerator used

Cooling Time ca. 22 days


32

Cooldown of ATLAS Barrel Toroid

Shield Refrigerator (SR) & Main Refrigerator (MR) usedBT cooling curve

0

50

100

150

200

250

300

7/2/0612:00 AM

7/12/0612:00 AM

7/22/0612:00 AM

8/1/0612:00 AM

8/11/0612:00 AM

8/21/0612:00 AM

8/31/0612:00 AM

9/10/0612:00 AM

9/20/0612:00 AM

9/30/0612:00 AM

Tem

per

atu

re [

K]

SR: cold mass and shield in

parallel

SR for the shields

MR for Cold mass

Start of the 1.2 kg/s LHe pump

10 days


33

Cooldown of ATLAS End-Cap Toroid

ECT cool-down

0

50

100

150

200

250

300

Time [days]

Tem

pera

ture

[K]

ECT-A cold mass Tmax

ECT-A cold mass Tmin

ECT-A shield Tmax

ECT-A shield Tmin

ECT-C cold mass Tmax

ECT-C cold mass Tmin

ECT-C shield Tmax

ECT-C shield Tmin


34

Cooldown of ATLAS Central Solenoid

Central Solenoid Cooldown

0

50

100

150

200

250

300

350

16-May-06 18-May-06 20-May-06 22-May-06 24-May-06

Tem

per

atu

re [

K]

Control Dewar Bottom Solenoid coil

4 days

SR: Cold Mass and shield in

series

SR for shield MR for CM

75 K

Shield Refrigerator (SR) & Main Refrigerator (MR) used


35

Fast energy discharge of CMS Solenoid

Fast dump on August 22nd, 2006

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

18000

20000

22/08/200613:12:00

22/08/200613:40:48

22/08/200614:09:36

22/08/200614:38:24

22/08/200615:07:12

22/08/200615:36:00

22/08/200616:04:48

Cu

rre

nt

[A]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Tem

per

atu

re [

K],

Pre

ssu

re [

Bar

]

Current Pressure Temperature

Temperature rise up to 70 K

Pressure rise in PS

1 hour


36

Temperature rise during fast discharge of BT

Fast Dump Temperature

0102030405060708090

0 200 400 600 800 1000 1200

Energy (MJoule)

Tem

per

atu

re [

K]

0200040006000800010000120001400016000180002000022000

Cu

rren

t [A

]

EM Energy at Current [A]

BT Enthalpy

57 K


37

Temperature recovery after fast discharge of BT

Recovery from 20.5 kA fast dump

0

10

20

30

40

50

60

70

11/9/0612:00

11/10/060:00

11/10/0612:00

11/11/060:00

11/11/0612:00

11/12/060:00

11/12/0612:00

Co

ils T

em

pe

ratu

re [

K]

One day58 K


38

Pressure rise during fast discharge of BT

Fast Dump 20.5 kA9th Nov., 2006

0

2

4

6

8

1012

14

16

18

20

11:24 PM 11:31 PM 11:38 PM 11:45 PM 11:52 PM 12:00 AM

Pre

ss

ure

[b

ar]

0

5000

10000

15000

20000

25000

Cu

rre

nt

[A]

Pressure PS Pressure return Current

Pressure in Phase Separator

Pressure on the return to the Shield

Refrigerator

15 min


39

Temperature rise during fast discharge of CS

Solenoid Fast Dump

0.00

20.00

40.00

60.00

80.00

100.00

120.00

10:27:33 10:28:16 10:29:00 10:29:43 10:30:26

Te

mp

era

ture

[K

]

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000

Cu

rre

nt

[A]

Chimney Coil Tmax Coil Tmin Current

1 min


40

Pressure rise during fast discharge of CS

Coil return: max 7.11 bar

Coil inlet: max 4.32 bar

Current: 7800 A


41

Liquid argon Barrel Calorimeter

Electromagnetic barrel half-wheel

D: 4.3 m; L:6.5 m Weight: 120 t Argon volume: 40 m3


42

Calorimeters are highly complicated composite structures made of copper, lead, stainless-steel and glass-epoxy… placed in aluminium cryostats

D: 4.3 m; L: 3 m Weight: 219 t Ar volume: 19 m3

Liquid argon End-Cap calorimeter


43

Liquid argon ATLAS calorimeters

Barrel Calorimeter in operation in its final position encircled by BT Magnets, Tile Calorimeter and Muon Chambers (July 2006)

End-Cap A Calorimeter, cold, in extended position equipped with

cryogenic services (Feb. 2007)


44

Principes conceptuels et spécifications du système cryogénique pour les calorimètres (1)

Cryogénie interne• Pas de formation de gaz. Liquide sous-refroidi par pression hydrostatique et échangeurs. T à 88K

• Gradient de température à travers le bain < 0.7 K• Pureté argon liquide < 2ppm O2 équivalent• Refroidissement par échangeurs parallèles immergés: 6 (Barrel)+2x2 (End-Caps)+3 (vases d’expansion)=13 échangeurs

• Ecoulement azote diphasique. Débit forcé par pompe 200 g/s

• Ecart maximum de température entre limites strictes pendant mise en froid (<10…40 K): 7 critères pour Barrel, 11 critères pour End-Caps


45

Principes conceptuels et spécifications du système cryogénique

pour les calorimètres (2)

Cryogénie externe• Calorimètres à < 100 K pendant 10 ans sans interruption

• Temps de mise en froid pas critique

• Système cryogénique et services redondants

• Possibilité de déplacer longitudinalement les cryostats End-Cap de 12 mètres avec cryogénie opérationnelle


46

LAr calorimeter principle cooling scheme

End-cap

LAr Tanks

LN2

tanks

LN2 pump

Expansion vessel 1.25 bar

5.3 bar

BarrelEnd-Caps

LN2 PSD

Refri-gerator

2x 50 m3

15 m3

20kW@84K


47

Cooldown of Barrel calorimeter

80

100

120

140

160

180

200

220

240

260

280

300

0 10 20 30 40 Time (Days)

Mea

n te

mpe

ratu

re (

K)

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

∆T

(K

)

Barrel mean temperature and ∆T variation during cool-down

Between 140K and 100K:

LN2 cooling

From 100K to 90K: Argon condensing

Sub-cooling

Cryostat filling

&

88.4

- heat load to the cryostat: 1.9 kW

6.9 GJ - heat extracted during cool-down:

From 295K to 140K :

GN2 cooling

Average cooling rate 0.22 K/h


48

Cooldown of End-Cap calorimeter

80

100

120

140

160

180

200

220

240

260

280

300

0 10 20 30 40 50 60 70 80 Time (Days)

Mea

n te

mpe

ratu

re (

K)

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

26

28

30

∆T

(K

)

End-cap A mean temperature and ∆T variation during cool-down

15.7 GJ

2.5 kW

88.3

Average cooling rate 0.13 K/h

- heat extracted during cool-down:

- heat load to the cryostat:


LN2 cooling


Argon condensing

Purges

Cryostat filling

&Sub-cooling

From 295K to 125K :

GN2 cooling


49

Bilan des charges thermiques

• Cryostats: Barrel End-Cap 2 kW 2.1 kW X 2 estimé

1.9 kW 2.5 kW x 2 mesuré en surface* 50% feedthroughs 25% electronique

• Total: 12.0 kW estimé

installation finale 11.5 kW mesuré

*Avec corrections pour charges externes


50

Steady state conditions Barrel calorimeter

• Liquid argon bath subcooled by 3.5 K to 7.0 K• Temperature uniformity over detector volume: 70 mK RMS• Temperature stability: 10 mK• Argon purity: between 0.1 and 0.3 ppm of O2-equivalent


51

Uninterrupted functioning for 10 years (1)

End-cap

LAr Tanks

LN2

tanks

LN2 pump

Expansion vessel 1.25 bar

5.3 bar

BarrelEnd-Caps

LN2 PSD

Refri-gerator

2x 50 m3

15 m3

Redundancies :

• LN2 pumps (x3)

• refrigerator + LN2 supply tanks (x2)

• all essential devices on backed-up electrical power system:

-EDF/EOS network

-diesel generators

-UPS

• compressed air and

cooling water

backed up


52

Uninterrupted functioning over 10 years (2)

12 meter longitudinal movement of the end-cap cryostats :Cryogenic lines between expansion vessel and cryostat

Transfer-line supplying LN2 to the heat exchangers

Signal cables and compressed air pipes

designed to follow this movement

LAr expansion vessels

LN2 heat exchangers regulation valve boxes End-cap A

End-cap C

12 m displacement

(picture P.Petit) LAr flexible line between expansion vessel and cryostat and associated dislacement system

Inner diameter: DN150Outer diameter: DN300 Length: 35 mBending radius: 1.5 m


53

Système de guidage des TLs des aimants End-Cap


54

Uninterrupted functioning over 10 years (3)

First displacements of end-cap A to its extreme

opening position with all services connected:

• cold & empty on 17-02-2007

• filled with LAr on 21-05-2007

© Copyright CERN


55

CONCLUSION

• La cryogénie de CMS et ATLAS est dans sa phase finale

• Les résultats obtenus sont conformes aux attentes

• La cryogénie des trois calorimètres en parallèle a fonctionnée pendant plusieurs mois

• L’aimant de CMS est refroidi de nouveau à 4.5 K après son transfert avec le système cryogénique dans la caverne

• Les aimants d’ATLAS (trois toroides actuellement à 50 K + solénoïde) ont été testé séparément dans la caverne et leur test dans la configuration finale est imminent

Les Journées Thématiques AFF-CCS au CERN Cryogénie et Supraconductivité pour le LHC et ses...

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