1 Janvier 2014 Buhour / Guilloux Résumé: -Vue générale du MFT dans ALICE; - Descriptif du MFT. -...

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Janvier 2014Buhour / Guilloux

Résumé:

- Vue générale du MFT dans ALICE;- Descriptif du MFT.- Descriptif d’un plan du MFT.- Environnement du MFT.- Outillage d’installation.- Procédure d’installation.

- Refroidissement.- Etudes de mécanique des fluides et de thermique du MFT.- Etude préliminaire de l’impact du refroidissement sur le MFT barrel.

MFTmécanique et refroidissement

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Place du MFT dans ALICEVue en coupe datant du début du projet (11/2011)

MFT

ITSabsorbeurBeam pipe

IP

TPC

V0, T0, FIT?

Coté C

Coté A

faisceaux

3

FIT

Cage MFT/MFT barrel

Cage fixe

Tube faisceau

Support du tube faisceau

Zone de service

Vue générale du MFT dans ALICEEsquisse MFT-ITS-FITProposition SUBATECH – 11/2013Version TDR 6 ITS

Janvier 2014Buhour / GuillouxMFT

AbsorbeurITS

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Descriptif du MFT.- 6 plans de détection- 2 demi cônes étanches, quasi symétriques

cône

Plan de détection

Goulotte BP*

BP : Beam Pipe

Goulotte support BP*

Disque avant

Disque arrière

Feuille de kapton Zone de passage des « ailes » du support BP

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Descriptif d’un plan de détection du MFT.

Plan type 04

Passage tube faisceau

Face recevant les échelles Buse de diffusion de l’air de refroidissement

Entrée airSortie air

Fibres optiques

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Capteurs, électronique FE et puissance dissipée

- 338 W pour les sensors - 198 W pour les GBT - 52 W pour les transceiver optiques - 252 W pour les DC-DC converters

Soit 840 W pour un demi MFT

C. Renard et S. Bouvier, 19/02/2014

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Eclaté plan 04Différents éléments constituants un plan

Zone de détection avant

Zone de détection arrière

Plan de pose des échelles

pcb Connecteurs optiques

Répartiteur air de refroidissement

Zone de collage Be/pcb

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Descriptif d’un plan de détection du MFT.Détail d’une échelle.

sensors

flex

Connecteur sur pcb

Connecteur sur face inférieure du flex

Marquage de l’échelle

raidisseur

Exemple d’un échelle type 3 sensors

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Environnement du MFT, sans MFT.

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Beam Pipe

Support BP

Cage fixe

Support BP côté C

« Ailes » de maintien du support

La cage fixe est mise en place (TPC position garage) elle sert de référence pour la mise en place des autres détecteurs ainsi que du BP

Rails de mise en place amovibles

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- Outillage d’installation, « MFT inférieur ».

Après l’assemblage du MFT:Montage MFT dans la cage MFT (travail en labo)

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Cage MFT/MFT barrelCoulissant dans cage fixe

Le 1/2 cône mft complet est positionnédans sa cage de mise en place.Mise en place des fibres optiques en fond de cage.et de toutes les connexions électriques et servitudesdu refroidissement (cas où toute la connectique sort du côté A)

Côté A

Côté C

Logement Fibres optiques

Zone de fixation FIT

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- Outillage d’installation, « MFT barrel inférieur ».

Réalisé en labo

Logement des fibres optiquesEt des câbles électriques

Passage des alimentations électriques

Passage air coolingIn et out

Entrée et sortie air de refroidissement

Esquisse de la cage MFTZone de fixation FIT

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- Outillage d’installation.

Exemple d’assemblage MFT et cage

MFT et sa connectique Assemblage

Finitions et ajout FIT

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- Procédure d’installation, MFT et MFT barrel inférieur.

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Insertion cage MFT (et FIT)La cage MFT est translatée selon Z et mis en place autour du BP le long de glissières dans la cage fixe.La procédure est a répéter avec la partieSupérieure du MFT et de sa cage.

Selon Z

Selon X

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- Procédure d’installation.

Insertion ITSEnveloppe mini des « outer layers »

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Insertion pixel

Pixel detector

Outillage de mise en place

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Insertion TPCCage interne de la TPC

Extraction des rails

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- Conclusion et discussion.

Enveloppe mini des « middle et outer layers »

Attache outer layers

Attache middle layers

Proposition de modification du cône

X

X

Zone à étudierrapidement

Détail de l’interface MFT-ITS

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- Des points importants à régler en 2014 (au début de !)

Définition des interfaces, MFT vs ITS, BP, FIT, TPC, ?Définition du partage des tâches (exemple du MFT barrel).Choix des personnes en charge pour les sous ensembles du MFT.

Des avancées prévues début 2014.

Réunion MFT – ALICE (Beam Pipe) prévue 22 janvier 2014.- MFT barrel à la charge de la collaboration MFT.- Diamètre du BP, 18=>19.6=>19? - Dimensions des middle layer (3 et 4) encore fluctuantes (ITS TDR6 => ITS TDR7)

Réunion d’aujourd’hui => partage des tâche, mise en place de la collaboration.

X

X

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- Refroidissement.

Résumé:

- Vue générale du MFT dans ALICE;- Descriptif du MFT.- Descriptif d’un plan du MFT.- Environnement du MFT.- Outillage d’installation.- Procédure d’installation.

- Refroidissement.- Etudes de mécanique des fluides et de thermique du MFT.- Etude préliminaire de l’impact du refroidissement sur le MFT barrel.

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.

Janvier 2014J-M Buhour

Résumé des pré-études de thermique sur les plans de détection du MFT

1,4 mm

2 mm

Plan de détection completextérieur

extérieur

intérieur3 flux d’air distincts

Sortie d’air

entrée d’air

Air 1 Air 2Air 3

Air 4 Air 5

Air 6

Tube faisceau

Particules

Zones de détection

Exemple de simulation des écoulements d’air dans et sur les plans du MFT

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


AIR5

AIR56

AIR6 Zoom INLET

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.

ASIC

isolantflexsupport

ASIC:0,18µmLongueur 30 mm, largeur 8 mm(5 mm active, 3 mm passive)Épaisseur 50µmPuissance déposée : 515 mW/capteur(340 mW/cm² sur partie active)

Flex: 2 x 57 µm d’aluminium

Isolant: 3 x 50µm de Kapton

Support: 0,2 mm, Béryllium

convection

refroidissementDépôt de puissance


convection

convection

Exemple de simulation de thermique sur un groupe d’ASIC


Descriptif pour un quart de plan :13 échelles1 échelle à 1 capteur1 échelle à 2 capteurs6 échelles à 3 capteurs5 échelles à 4 capteurs

Soit 41 capteurs pour le quart de plan modélisé et donc environ 328 pour le disque zéro complet (2 plans, le recto et le verso).

Le dépôt de puissance sur les capteurs est de 515 mW. Soit environ 169 W pour le disque zéro complet.La vitesse maximale de l’air est toujours de 10m/s.Le coefficient d’échange au dessus des capteurs est de 40 W/m².KLe coefficient d’échange à l’intérieur du plan est de 25W/m².KLa température de l’air est 22°C

La température maximale des ASIC calculée dans cette simulation est d’environ 30°C

Exemple de simulation de thermique sur le disque 0 du MFT


L’utilisation de l’air à température ambiante avec une vitesse débitante inférieure à 10 m/s sur des plans de détection dont lematériau 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, définitiveou 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.

Conclusion et prochaines simulations

Janvier 2014J-M BuhourLa 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.

prochaines études, objectifs

« Layout » complet (le plus possible) des plans de

détections et de l’électronique proche.=> Plans d’ensembles

Reprise des simulations de mécanique des fluides et de

thermique.=> Liquide en plus ou pas?

Réalisation d’une maquette d’échelle, voire de disque,

« thermiquement » utilisable et représentative.=> Validation du modèle et des solutions technique.

Révision du cône support pour intégrer les disques et

leurs servitudes.=> positon, nombre et

dimension des arrivées de fluides de refroidissement.

Etudes mécanique détaillées des plans et

échelles constituants les disques.

=> Solution technique et maquette

Rapide estimation de la quantité de refroidissement par eau à fairepasser dans le « MFT Barrel ».

P = dm*Cp*DT

hypothèses:P = puissance = 1 kW/2 = 500 W = 0.5J/s dm = débit massique (kg/s) Cp = capacité calorifique = 4.2 kJ/kW*K DT = différence de température = 2 °K 0.5 = dm*4.2*2 dm = 0.06 kg/s ou aussi en gros 0.06litres/s ou aussi 0,06.10-3 m3

si je prends comme autre hypothèse que je ne veux pas dépasser une vitessede circulation de 1m/s de l'eau dans ma canalisation (pour limiter les pertes de charges).

0,06.10-3/1 = 0,6.10-4 m² soit 60 mm², soit la surface d'un tuyau d'un diamètre de 8.74 mm, que j'arrondis à 9mm.

donc nous avons un tuyau d'arrivée d'eau de 9 mm de diamètre et aussi un tuyau pour le retour de l'eau pour un demi MFT, soit 2 tuyaux de 9 mm par MFT barrel.

Si nous souhaitons avoir des tuyaux de moindres diamètres nous pourrons multiplier le nombre de tuyaux (attention aux pertes de charges linéiques).

Ainsi avec des tuyaux de 3 mm nous devrions avoir 18 tuyaux (9 allés et 9 retours). Etc…Il serait intéressant d’avoir 1 circuit par plan de détection (12 tuyaux, de 3.7 mm de diamètre environ).Le matériau des tuyaux n’est pas encore choisit (on peut envisager 50µm d’acier inox par parois).

Rappel!Dans ces calculs toute la puissance est évacuée par l’eau, en réalité une grande partie sera évacuée par l’air., donc moins de tuyaux d’eau à faire passer (2 à 3 fois moins).Il faudra considérer le système « leakless » (apportera des limites sur la qualité de l’ écoulement).Il est préférable de limiter le refroidissement à l’eau en dehors de la zone de détection (zone PCB).Si cela est possible il faudra prévoir de la redondance dans le nombre de tuyaux.Et, bien sur, tous ceci nécessitera d’autres simulations plus détaillées, aux niveaux local et global.

Tuyaux allés

Tuyaux retours


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Janvier 2014Buhour

MFT - Working groups - PBS

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