MFT

1. Résumé des pré-études de thermique sur les plans de détection du MFT MFT Octobre 2013 J-M Buhour extérieur 2 mm 1,4 mm 3 flux d’air distincts intérieur extérieur Plan de détection complet Sortie d’air Le modèle évalué est conforme à celui présenté dans la LoI (puissance, géométrie), la puissance issue de l’électronique de « front end » n’est pas comptée, le changement de la géométrie des plans due au possible « ailes » de support du tube faisceau n’est pas pris en compte.Plusieurs modèles évalués, avec différents matériaux supports (TPG, Béryllium, composites), avec différents modes de refroidissements (conductif et convectif).Conclusion, première esquisseUtilisation d’un flux d’air à température ambiante pour refroidir le plans, en surface et à l’intérieur des plans.- simplifie la conception, simplifie les servitudes.- permet de limiter la quantité de matière utilisée (faible X0).Proposition de l’utilisation de Béryllium pour les plans supports, bon rapport rigidité, X0, conductivité thermique. entrée d’air RAPPEL T1

2. Exemple de simulation des écoulements d’air dans et sur les plans du MFT MFT AIR5 AIR56 Zoom INLET AIR6 Air 4 Air 5 Air 3 Air 6 Air 1 Air 2 Particules Tube faisceau Zones de détection Octobre 2013 J-M Buhour RAPPEL Les vitesses débitantes obtenues dans le MFT sont inférieures à 10m/s Les coefficients d’échange moyens sont: 50 W/m².K à l’extérieur des plans 30 W/m²K à l’intérieur des plans T2

3. Exemple de simulation de thermique sur un groupe d’ASIC MFT RAPPEL Première modélisation d’un groupe de deux ASIC pour un calcul de thermique. Géométrie simple permettant d’évaluer l’apport des différentes sources de refroidissement. Octobre 2013 J-M Buhour convection convection Dépôt de puissance convection refroidissement ASIC support isolant flex ASIC: 0,18µm Longueur 30 mm, largeur 8 mm (5 mm active, 3 mm passive) Épaisseur 50µm Puissance déposée : 515 mW Flex: 2 x 57 µm d’aluminium Isolant: 3 x 50µm de Kapton Support: 0,2 mm, Béryllium T3

4. Exemple de simulation de thermique sur le disque 0 du MFT MFT Octobre 2013 J-M Buhour RAPPEL Descriptif pour un quart de plan : 13 échelles 1 échelle à 1 capteur 1 échelle à 2 capteurs 6 échelles à 3 capteurs 5 échelles à 4 capteurs Soit 41 capteurs pour le quart de plan modélisé et donc environ 328 pour le disque zéro complet. Le dépôt de puissance sur les capteurs est de 515 mW/m3. Soit environ 169 W pour le disque zéro. La vitesse maximale de l’air est toujours de 10m/s. Le coefficient d’échange au dessus des capteurs est de 40 W/m².K Le coefficient d’échange à l’intérieur du plan est de 25W/m².K La température de l’air est 22°C La température maximale des ASIC calculée dans cette simulation est d’environ 30°C T4

5. MFT Conclusion et prochaines simulations Octobre 2013 J-M Buhour L’utilisation de l’air à température ambiante avec une vitesse débitante inférieure à 10 m/s sur des plans de détection dont le matériau support est du Béryllium permet d’obtenir des températures de fonctionnement des ASIC inférieures à 30 °C, Toutefois, au vue des premiers devis (170 k€…) concernant la fabrication de disques support en Béryllium, l’usage de composites Carbone-Epoxy pourrait être privilégié. L’Alliage AlBeMet pourrait être un candidat intéressant (46 k€) . Ces études devront être plus poursuivies dans le prochain trimestre. Toutefois, assurer le refroidissement de l’intégralité du MFT avec uniquement de l’air n’est pas une solution unique, définitive ou arrêtée; le bilan final des puissances totales dissipées dans les plans ainsi que d’autres considérations (de géométrie, de conception mécanique) feront que nous pourrons être amené à compléter le refroidissement par air par un refroidissement liquide, dans les parties situées en dehors de la zone de détection notamment. T5

6. MFT prochaines études, objectifs Octobre 2013 J-M Buhour • La suite des études mécaniques et des simulations de thermique pourra être réalisée lorsque les paramètres suivant • seront fixés et estimés: • Géométrie du MFT, c’est-à-dire la taille, la forme et la localisation de nouveaux éléments qui vont modifier les plans de détections • (cône central, aile support du tube faisceau, position des plans par rapport à l’IP). • Les puissances dissipées, dans les ASIC, dans l’électronique de front end, leur localisation, la taille des composants et • de la connectique. • La mise à jour du budget matière des différents plans, afin d’ajuster et de confirmer le genre et l’épaisseur du support de plan. • Le nombre de plans, la largeur des capteurs sont aussi des informations dont nous aurons besoin pour continuer à travailler. • - Les forces disponibles (en mécanique) dans les laboratoires associés au projet MFT. « Layout » complet (le plus possible) des plans de détections et de l’électronique proche. => Plans d’ensembles Réalisation d’une maquette d’échelle, voire de disque, « thermiquement » utilisable et représentative. => Validation du modèle et des solutions technique. Etudes mécanique détaillées des plans et échelles constituants les disques. => Solution technique et maquette Révision du cône support pour intégrer les disques et leurs servitudes. => positon, nombre et dimension des arrivées de fluides de refroidissement. Reprise des simulations de mécanique des fluides et de thermique. => Liquide en plus ou pas? T6