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.
Octobre 2013J-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
T1
RAPPEL
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
Octobre 2013J-M Buhour
AIR5
AIR56
AIR6 Zoom INLET
T2
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.
ASIC
isolantflexsupport
ASIC:0,18µmLongueur 30 mm, largeur 8 mm(5 mm active, 3 mm passive)Épaisseur 50µmPuissance déposée : 515 mW
Flex: 2 x 57 µm d’aluminium
Isolant: 3 x 50µm de Kapton
Support: 0,2 mm, Béryllium
convection
refroidissementDépôt de puissance
Octobre 2013J-M Buhour
convection
convection
Exemple de simulation de thermique sur un groupe d’ASIC
T3
RAPPEL
T4
Octobre 2013J-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.
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.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
RAPPEL
T5
Octobre 2013J-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
T6
Octobre 2013J-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