R&D thermique pour le calorimètre de PANDA

1. R&D thermique pour le calorimètre de PANDA Unité mixte de recherche CNRS-IN2P3 Université Paris-Sud 1191406 Orsay cedex Tél. : +33 1 69 15 73 40 Fax : +33 1 69 15 64 70 http://ipnweb.in2p3.fr

2. 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 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 Version finale Intégration de l'électronique Définition du refroidissement général Etat d'avancement de l'étude mécano-thermique

3. GSI actuel HESR Partie centrale (« Target Spectrometer ») Partie centrale Aimant solénoïde 2 Tesla Détecteur micro vertex « Straw » tubes (ou TPC) DIRC à effet Cerenkov Calorimètre électromagnétique L’expérience PANDA @ GSI FAIR : Futur accélérateur à GSI Darmstadt, Allemagne HESR : Anneau de stockage antiproton PANDA : Détecteur à cible interne à 4π d’angle solide Partie avant Faisceau

4. Le calorimètre électromagnétique « Barrel » ou tonneau 11360 cristaux « Endcap » avant 3600 cristaux « Endcap » arrière 592 cristaux Faisceau Cible Simulation de l’interaction d’un électron avec un bloc de 25 cristaux Cristal scintillant Tungstanate de plomb (PbWO4) Détection des photons par photo-diode à avalanche (APD)

5. 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 LY=92.2pe/MeV Grande dépendance (opposée) en température : Cristal dLY/dT = -2.9%/C @-25°C APD 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)

6. Bilan thermique – puissances et transferts Isolation des parois avec l’extérieur Circuit de refroidissement -25°C +/- 0.1°C Préamplificateurs 100mW/cristal « Pont » thermique par les câbles et supports Puissance ~150 W / 700 cristaux

7. 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 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 Version finale Intégration de l'électronique Définition du refroidissement général Etat d'avancement de l'étude mécano-thermique

8. Construction d’un prototype de 60 cristaux 2006-2008 => Rédaction du Technical Design Report Fabrication et montage Intégration de l'électronique CAO Tests mécaniques, thermiques et physiques Mesures expérimentales

9. Roofmat Capot cuivre ép.1 mm à -25°C Coté cristaux Convection Conduction Définition de l’isolant – transfert thermique par la paroi Modélisation et facteurs de conduction Matériau : Roofmat (polystyrène) Coté Extérieur à 20°C Vitesse moyenne 0.5 m/s R2 R1 Tparoi Técran froid Tambiante Conduction λ = 0.035 W/m.°K Convection h = ? Epais. ? mm Epaisseur d’isolant ? Pour avoir une température paroi extérieure > point de rosée (12°C @60% Hr) Coefficients de conduction (valables à -25°C)

10. Coefficient de convection et température de paroi De Ref 2.: Calcul de la température de paroi et de l'épaisseur d'isolant nécessaire, transfert par conduction et convection De Ref.1: Calcul du coefficient de convection le long d’une paroi vertical de 30 cm de hauteur R2 R1 Tambiante Tparoi Técran froid Conduction λ = 0.035 W/m².°K Convection h = 4.35 W/m².K Epais. 40 mm pour épaisseur 40 mm Coefficient d’échange par convection h = 4.35 W/m².°K 12.47°C

11. Homogénéité des températures sur l’écran Espacement entre tuyaux ? Le calcul de température d'un écran entre 2 tuyaux de refroidissement peut être modélisé par 2 ailettes symétriques Tuyaux de refroidissement T m Puissance surfacique Ps T e L Calcul d’une « ailette », transfert par conduction (réf. 2) 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.

12. Ttube h Tliquide Température effective du tube / liquide refroidisseur Exemple écran thermique DVCS 16.45°C 17.15°C 17.55°C ΔT élévation=0.7°C ΔT échange=0.4°C Transfert par convection à la paroi d'un tube (Réf. 1) R1 T début circuit T fin circuit Ttube Convection Trefroidisseur h = 3748 W/m².K Puissance Elévation de température dans un circuit (Réf. 1)

13. Les températures d’entrée et de sortie sont calculées analytiquement de sorte de tenir de tenir compte de l’élévation de température dans le liquide de refroidissement. Début tube de refroidissement à 16.85°C Sortie liquide refroidissement à 17.55°C Calcul d’un champ de température Exemple écran thermique DVCS Vérification de conception de l'écran Cuivre 2 mm Puissance 53 W Calcul avec Samcef field en 2D Températures imposées "analytiques" Conditions limites adiabatiques Possibilité d'utiliser un logiciel thermo-fluidique en multi-domaines

14. Apparente conductivité / Pression (techniques de l'ingénieur) Rohacell 29 mW/m.K Vide <0.1 mW/m.K 18.10-3 torr Face extérieur 17°C +/-0.2°C Ecran thermique avec super isolants Réduction de l'épaisseur d'isolant -25°C Feuille de super insolant Plaquecarbone 1.6 mm Rohacell 20 mm Vide obtenu = 18.10-3 torr Plaque aluminium 1mm Ambient 20°C

15. 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 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 Version finale Intégration de l'électronique Définition du refroidissement général Etat d'avancement de l'étude mécano-thermique

16. Intégration des préamplificateurs dans le proto 60 Préamplificateurs version quad 50 mW/voie Backplane-PCB "Back plate" Insert Gap pad SILFOX Bergquist Conducteur thermique mais pas électrique (1000V) λ=1 W/m.K Mieux que remplissage par isolant air 4 APD-Connector

17. Point de fixation BF862 AD8011 Connecteur APD BF862 Δ+4°C AD8011 Δ+3°C Connecteur APD Δ+2.5°C Température d'un préamplificateur en version quad Simulation avec Flotherm Version single Simulation du single (prochaine diapo) Simulation de température

18. 2 points de fixation sur la table Mesure Δ+1°C θJALM385 =283°C/W 12mW => 3.4°C Mesure: Δ+2°C θJAAD8011=155°C/W 10mW => Δ+1.55°C Mesure: Δ+3°C θJSBF862 = 200°C/W 28mW => 5.6°C Mesure: Δ+4.3°C Point de connexion APD Δ+3°C Mesure de température sur un préamplificateur version single Mesures avec thermocouple Utilisation 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 …

19. Connecteur APD : -22°C T4 R3 Cable T3 R2 APD T2 R1 Cristal Cold face Température face avant cristal: -25°C T1 Variation de température de l'APD Modélisation et résolution analytique Δ0.8°C sur APD • 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 Cristal Modele simplifié pour une formulation analytique

20. résistances Simulation thermo-fluidique avec Flotherm Thermocouple et Pt100 Bloc laiton autour du cristal Cristal PbWO4 + APD APD Bloc Bloc Banc de mesure et simulation thermo-fluidique Montage expérimental Résistances

21. Affichage [+20;-25°] Support externe Affichage températures [-19;-25]°C Δ 0.2°C sur la longueur du cristal Isolation Support Support externe Acier inox 50mm Isolation Pied support Tube froid back plate Ecran thermique APDs Quad preamps Quad preamps Zoom sur les préamplis Δ°APD=0.64°C/ Δ° haut du cristal = 0.25°C APDs Cristaux Cristaux n°1+2 Cristaux n°5+6 Quad droit OFF Quad gauche OFF Si un préampli voisin est OFF => Δ-0.1°C max pour l'APD encore en fonctionnement Simulations de température centrées sur l'APD Modélisation avec Flotherm

22. 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 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 Version finale Intégration de l'électronique Définition du refroidissement général Etat d'avancement de l'étude mécano-thermique

23. Alimentation haute-tension Bouteille d'Azote (et enceinte étanche) Refroidisseur Rack d'acquisition Banc de test

24. Acquisition de températures Centrale d'acquisition AGILENT 34970 A + module 34901A 13 capteurs: 11 thermocouples type T Mesures relatives avec thermocouples. À calibrer à -25°C. (sinon +/-0.3°C de différence en absolu) 2 sondes Pt100 pour le liquide de refroidissement

25. 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 correcte Pas d'influence de la température extérieure

26. Température des capots = 17°C pour accélérer la descente Evolution de la température Ecran thermique cuivre Temperature (°C) Support aluminium Température initial = 30°C Température à cœur La temperature de 18°C est atteinte après 26250s = 7.3 heures (1.6°C/h) Cristaux λ=0.998 W/m.°K Température de service = 18°C Température périphérique Time (seconds) Température du bloc après 30000s Analyse transitoire d'un bloc de PbWO4 Exemple calorimètre DVCS La puissance de refroidissement nécessaire est:

27. Mesure d'une descente en température du proto 60 De 20 à 0°C Le cœur commence seulement sa descente au bout de 30 mn Le refroidisseur descend rapidement Au bout de 12h le cœur "atteint" l'asymptote L'inertie thermique des cristaux facilite la stabilité dans le temps

28. Relevé de température à l'intérieur du proto 60 Proto 60 écran thermique Cristal haut -25.62°C Cristal gauche -25.48°C À 1 cm de la face avant du cristal central -25.19°C APD du cristal central -24.29°C CENTRE -25.12°C Insert Préampli -23°C env. À 1 cm de l'APD sur le cristal central -24.73°C Faisceau Face avant extérieure 15.5°C Ecran avant -26°C Cristal droit -25,87°C Tube 1.5 m Tube 1.5 m Sortie liquide refroidissement -26.76°C Entrée liquide refroidissement -27.01°C Refroidisseur réglé à -27.5°C Débit = 3.2 litres/mn Liquide Huile silicone Syltherm XLT

29. 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) 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 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

30. <10°C => condensation Ajout de barre en cuivre relié à une partie à température ambiante Le gradient est déplacé vers l'intérieur en zone sèche Quelques erreurs de conception "Les ponts thermiques sur les cartes électroniques" (1/2) Coté intérieur à -25°C "Back PCB" (PCB multicouches) Attention au pont thermique par conduction Ici 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.

31. Raccord rapide Liquide froid Support acier Rondelle isolante en FR4 (Fibre de verre/époxy) Quelques erreurs de conception "Les ponts thermiques sur les tubes de refroidissement et glaces" (2/2) 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. Entre deux tubes frigorifiques, il peut y avoir présence de glace… Y penser à la conception -25°C -25°C -25°C Isolant Isolant Extérieur

32. 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 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 Version finale Intégration de l'électronique Définition du refroidissement général Etat d'avancement de l'étude mécano-thermique

33. Conception du circuit de refroidissement Bilan de puissance (isolants, équipements …) Calculer les pertes de charge du circuit Choisir dT Calculer le débit Trouver le point de fonctionnement Calculer les températures des écrans Déterminer la pression disponible du circulateur Pression Débit Point de fonctionnement pompe-réseau (réf. 3)

34. Banc de mesure de pression Multi circuits pour mesurer les pertes de charge Ø 10mm and 8 mm L.2m / 5m/ 10m Refroidisseur Débitmètre à ultrasons Caractéristique hydraulique du refroidisseur Détermination de la courbe pompe Capacité de la pompe avec de l'eau et à 20°C … Il est nécessaire de caractériser soi-même son refroidisseur avec le liquide et à la température de service Débit Zone de mesure eau 20°C Zone de mesure syltherm -25°C Mise en équation et utilisation sous Excel Pression

35. Calcul des pertes de charge Détermination de la courbe réseau Calcul des pertes de charge régulières et singulières, section par section (réf. 4) Débit pompe Détermination du point de fonctionnement par macro Excel Courbe pompe "Courbe réseau" Débit réseau

36. 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 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 Version finale Intégration de l'électronique Définition du refroidissement général Etat d'avancement de l'étude mécano-thermique

37. Dernière intégration choisie pour l'EMC de PANDA ASIC vertical – Juillet 2011 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

38. Schéma de principe pour un circuit général En mode leakless suivant expérience du CERN

39. Avancement de la conception et divers prototypes Définition d'une tranche de calorimètre Prototype thermique équivalent à 480 cristaux

40. Conception des pieds support Acier Inox 20°C Mat de verre Epoxy Carbone Pied fixe Pied à 1 DDL Acier inox -25°C Conception mécano-thermique des pieds Réduction du transfert par conduction Prise en compte de la dilatation à -25°C

41. Conclusion et bibliographie Historique R&D: 2005-2008 Avant-projet: 2009-2011 Etude détaillée: 2012-2014 Fabrication et montage: 2015-2017 Installation prévue en 2018 ... Bibliographie 1- Thermique théorique et pratique par B.Eyglunent - Edition Hermes 1994 2- Transferts thermiques par José Ouin – Edition Casteilla - 1998 3- Cours d'hydraulique des réseaux de chauffage – Chatellier et Abadie – Université de la Rochelle 4- Mémento des pertes de charges par I.E.Idel'cik - Eyrolles 5- Isolation frigorifique – Guide théorique et pratique par Ballot et Duminil – PYC Edition