R&D thermique pour le calorimètre de PANDA

41
ier 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

description

R&D thermique pour le calorimètre de PANDA. Sommaire. Le projet PANDA et le calorimètre Intérêt du refroidissement à -25°C et problèmes thermiques. Présentation du prototype de 60 cristaux. Définition des isolants et des écrans thermiques Température du circuit de refroidissement - PowerPoint PPT Presentation

Transcript of R&D thermique pour le calorimètre de PANDA

Page 1: R&D  thermique pour le calorimètre de PANDA

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-IN2P3Université Paris-Sud 11

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

Page 2: R&D  thermique pour le calorimètre de PANDA

Rosier Ph. – IPNO – R&D Détecteurs – 12/09/2011 2/41 Refroidissement EMC pour PANDA

Sommaire

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 conception

Circuit de refroidissement et refroidisseur

Page 3: R&D  thermique pour le calorimètre de PANDA

Rosier Ph. – IPNO – R&D Détecteurs – 12/09/2011 3/41 Refroidissement EMC pour PANDA

L’expérience PANDA @ GSI

GSI actuel HESRFAIR : Futur accélérateur à GSI Darmstadt, AllemagneHESR : 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

Page 4: R&D  thermique pour le calorimètre de PANDA

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 » avant3600 cristaux

« Endcap » arrière

592 cristaux

Faisceau

Cible

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

Page 5: R&D  thermique pour le calorimètre de PANDA

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

0 200 400 600 800 10000

20

40

60

80

100

LY

/ p

.e./M

eVintegration 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)

Page 6: R&D  thermique pour le calorimètre de PANDA

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

Préamplificateurs100mW/cristal

Isolation des parois avec l’extérieur

Circuit de refroidissement -25°C +/- 0.1°C

« Pont » thermique par les câbles et supports

Page 7: R&D  thermique pour le calorimètre de PANDA

Rosier Ph. – IPNO – R&D Détecteurs – 12/09/2011 7/41 Refroidissement EMC pour PANDA

Sommaire

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 conception

Circuit de refroidissement et refroidisseur

Page 8: R&D  thermique pour le calorimètre de PANDA

Rosier Ph. – IPNO – R&D Détecteurs – 12/09/2011 8/41 Refroidissement EMC pour PANDA

Construction d’un 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

Page 9: R&D  thermique pour le calorimètre de PANDA

Rosier Ph. – IPNO – R&D Détecteurs – 12/09/2011 9/41 Refroidissement EMC pour PANDA

Matériau : Roofmat (polystyrène)

Définition de l’isolant – transfert thermique par la paroi

Modélisation 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)

Page 10: R&D  thermique pour le calorimètre de PANDA

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

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

10070626.19

3.05.0293.1Re

e

hum

35.4)1(Pr83.01

PrRe036.06.0

8.0

h

h

718.0027.0

1005626.19Pr eCp

Surface

épaisseur

SurfacehRRR

isolant

1

21eq

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

conduction et convection

eqR

TfroidTambPuissance

TambRPuissanceTparoi 1*

CTparoi 47.12 pour épaisseur 40 mm

Page 11: R&D  thermique pour le calorimètre de PANDA

Rosier Ph. – IPNO – R&D Détecteurs – 12/09/2011 11/41 Refroidissement EMC pour PANDA

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

e

LPsTeTmTécran

²

Calcul d’une « ailette », transfert par conduction (réf.

2)

Page 12: R&D  thermique pour le calorimètre de PANDA

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

Tliquide

h

Ttube

C17.15Tpour 55.17

²/3748)PrRe023.0(

Pr

turbulentRégime3428Re

/

/5765.0;10306.1;/1000:

;4

²

225.2;005.0:Tube

circuit

33.08.0

33

CSurfaceh

PuissanceTT

KmWD

h

Cp

DuSection

quVitesse

KmWsPamkgEau

DLSurfaceD

Section

maLmD

circuittube

md

mm

Transfert par convection à la paroi d'un tube (Réf. 1)

Elévation de température dans un circuit (Réf. 1)

CdT

KKgJCpEau

skgqm

massiqueDébit

WPuissance

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

Page 13: R&D  thermique pour le calorimètre de PANDA

Rosier Ph. – IPNO – R&D Détecteurs – 12/09/2011 13/41 Refroidissement EMC pour PANDA

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

Page 14: R&D  thermique pour le calorimètre de PANDA

Rosier Ph. – IPNO – R&D Détecteurs – 12/09/2011 14/41 Refroidissement EMC pour PANDA

Ecran thermique avec super isolantsRéduction 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

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

Page 15: R&D  thermique pour le calorimètre de PANDA

Rosier Ph. – IPNO – R&D Détecteurs – 12/09/2011 15/41 Refroidissement EMC pour PANDA

Sommaire

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 conception

Circuit de refroidissement et refroidisseur

Page 16: R&D  thermique pour le calorimètre de PANDA

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"

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

Page 17: R&D  thermique pour le calorimètre de PANDA

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

BF862Δ+4°C

Connecteur APD

Δ+2.5°C

AD8011Δ+3°C

Simulation de température

Version singleSimulation du single (prochaine diapo)

Page 18: R&D  thermique pour le calorimètre de PANDA

Rosier Ph. – IPNO – R&D Détecteurs – 12/09/2011 18/41 Refroidissement EMC pour PANDA

θJA AD8011=155°C/W

10mW => Δ+1.55°CMesure: Δ+3°C

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

θJA LM385 =283°C/W12mW => 3.4°CMesure: 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 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 …

Page 19: R&D  thermique pour le calorimètre de PANDA

Rosier Ph. – IPNO – R&D Détecteurs – 12/09/2011 19/41 Refroidissement EMC pour PANDA

Cri

stal

R1

T2

T1

Cold face

AP

DR2

R3C

able

T4

T3

Connecteur APD : -22°C

Température face avant cristal:

-25°CModele simplifié pour une formulation

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.Þ Contrainte pour les électroniciens

Importance de garder de la distance entre préampli et APD

Δ0.8°C sur APD

)(*13 APDcrystal RRPuissanceTT

cableAPDcristal RRR

TTPuissance

14

CT 2.243

WSection

LongueurR

PbWOcristal K/ 28.155

02.0*22.3

2.0

* 24

WRAPD K/ 4.36 WRcable K/ 7.434

Cri

stal

Page 20: R&D  thermique pour le calorimètre de PANDA

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

Page 21: R&D  thermique pour le calorimètre de PANDA

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 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'APD

Modélisation 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°]

Page 22: R&D  thermique pour le calorimètre de PANDA

Rosier Ph. – IPNO – R&D Détecteurs – 12/09/2011 22/41 Refroidissement EMC pour PANDA

Sommaire

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 conception

Circuit de refroidissement et refroidisseur

Page 23: R&D  thermique pour le calorimètre de PANDA

Rosier Ph. – IPNO – R&D Détecteurs – 12/09/2011 23/41 Refroidissement EMC pour PANDA

RefroidisseurRack d'acquisition

Alimentation haute-tension

Bouteille d'Azote(et enceinte étanche)

Banc de test

Page 24: R&D  thermique pour le calorimètre de PANDA

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

Page 25: R&D  thermique pour le calorimètre de PANDA

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 correctePas d'influence de la température extérieure

Page 26: R&D  thermique pour le calorimètre de PANDA

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)

Tem

pera

ture

(°C

)

Température du bloc après 30000s

Wt

TCpM

t

QP 22.14

26250

1226228.0424

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

Page 27: R&D  thermique pour le calorimètre de PANDA

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

Au bout de 12h le cœur "atteint" l'asymptoteLe refroidisseur descend rapidement

L'inertie thermique des cristaux

facilite la stabilité dans le temps

Page 28: R&D  thermique pour le calorimètre de PANDA

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°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

Page 29: R&D  thermique pour le calorimètre de PANDA

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 % PuissanceTotal 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

Page 30: R&D  thermique pour le calorimètre de PANDA

Rosier Ph. – IPNO – R&D Détecteurs – 12/09/2011 30/41 Refroidissement EMC pour PANDA

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)

Ajout de barre en cuivre relié à une

partie à température ambiante

Le gradient est déplacé vers l'intérieur en zone sèche

Page 31: R&D  thermique pour le calorimètre de PANDA

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)

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

Page 32: R&D  thermique pour le calorimètre de PANDA

Rosier Ph. – IPNO – R&D Détecteurs – 12/09/2011 32/41 Refroidissement EMC pour PANDA

Sommaire

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 conception

Circuit de refroidissement et refroidisseur

Page 33: R&D  thermique pour le calorimètre de PANDA

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

33

Conception 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

Page 34: R&D  thermique pour le calorimètre de PANDA

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 …

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

Page 35: R&D  thermique pour le calorimètre de PANDA

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 chargeDétermination de la courbe réseau

Détermination du point de fonctionnement

par macro Excel

"Courbe réseau"

Courbe pompe

Débit réseau

Débit pompe

Page 36: R&D  thermique pour le calorimètre de PANDA

Rosier Ph. – IPNO – R&D Détecteurs – 12/09/2011 36/41 Refroidissement EMC pour PANDA

Sommaire

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 conception

Circuit de refroidissement et refroidisseur

Page 37: R&D  thermique pour le calorimètre de PANDA

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

Page 38: R&D  thermique pour le calorimètre de PANDA

Rosier Ph. – IPNO – R&D Détecteurs – 12/09/2011 38/41 Refroidissement EMC pour PANDA

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

Page 39: R&D  thermique pour le calorimètre de PANDA

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

Page 40: R&D  thermique pour le calorimètre de PANDA

Rosier Ph. – IPNO – R&D Détecteurs – 12/09/2011 40/41 Refroidissement EMC pour PANDA

Conception 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

Page 41: R&D  thermique pour le calorimètre de PANDA

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

Conclusion 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