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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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Janvier 2014Buhour / Guilloux
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
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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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Janvier 2014Buhour / Guilloux
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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Janvier 2014Buhour / Guilloux
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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Janvier 2014Buhour / Guilloux
Descriptif d’un plan de détection du MFT.
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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Janvier 2014Buhour / Guilloux
Descriptif d’un plan de détection du MFT.
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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Janvier 2014Buhour / Guilloux
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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Janvier 2014Buhour / Guilloux
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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Janvier 2014Buhour / Guilloux
- 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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Janvier 2014Buhour / Guilloux
- 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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Janvier 2014Buhour / Guilloux
- Outillage d’installation.
Exemple d’assemblage MFT et cage
MFT et sa connectique Assemblage
Finitions et ajout FIT
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Janvier 2014Buhour / Guilloux
- 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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Janvier 2014Buhour / Guilloux
- Procédure d’installation.
Insertion ITSEnveloppe mini des « outer layers »
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Janvier 2014Buhour / Guilloux
- Procédure d’installation.
Insertion pixel
Pixel detector
Outillage de mise en place
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Janvier 2014Buhour / Guilloux
- Procédure d’installation.
Insertion TPCCage interne de la TPC
Extraction des rails
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Janvier 2014Buhour / Guilloux
- 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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Janvier 2014Buhour / Guilloux
- 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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Janvier 2014Buhour / Guilloux
- 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
Janvier 2014J-M Buhour
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
Janvier 2014J-M Buhour
convection
convection
Exemple de simulation de thermique sur un groupe d’ASIC
Janvier 2014J-M Buhour
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
Janvier 2014J-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 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
Janvier 2014J-M Buhour
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Janvier 2014Buhour
MFT - Working groups - PBS
WG 7:
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