Impianti di Impianti di

raffreddamento al raffreddamento al

CERN: tecnologie CERN: tecnologie

innovative e sviluppi innovative e sviluppi

futurifuturi

CLAUDIO BORTOLINCLAUDIO BORTOLIN

UniversitUniversit àà di Udine / INFN di Udine / INFN –– PD / CERNPD / CERN

� CERN: Laboratori sperimentali e strumentazioni

� Sistemi di raffreddamento per esperimenti di fisica delle particelleprospettive e progetti per i detectors a silicio

� Raffreddamento di micro e macro canali(nuovi materiali termici e tests)

� Ricerca delle perdite(nuove tecnologie per individuazione e riparazione)

I detectors come il Silicon Pixel Detector di ALICE richiedono di un controllo termico estremamente accurato.

Gli spessori delle parti sensibili del detector sono molto piccoli (<1mm)

I tubicini di raffreddamento devono essere di diametro piccolo per minimizzare l’impatto sulla struttura e sulle performances del rivelatore stesso.

Il fluido di raffreddamento scelto deve essere resistente alle radiazioni ionizzanti

Il gradiente di temperatura lungo le zone sensibili deve essere minimizzato per evitare deformazioni meccaniche.

Al CERN sono stati attivati diversi progetti di ricerca per trovare le soluzioni migliori per rispondere alle varie esigenze.

I due orientamenti principali sono costituiti da:

Lo scopo di tali progetti e’ individuare il miglior tipo di impianto e di fluido refrigerante da impiegare.

● Impianti a termosifone

● CO2

Il modo più “leggero” di raffreddare è:

Limitata espansione del vapore ad alta pressione

- volume

diametro del condotto ridotto

CO2

+ calore latente

- flusso

- massa

bassa dP/P

Evaporazione ad alta pressione!

75

50

25

00 20 40-20-40-60

Temperature ( °°°°C)

Pre

ssur

e (B

ar)

Curve di saturazione nel diagramma P-T per CO2, C2F6 & C3F8

CO2

C2F6

C3F8

Il VErtex LOcator VeLo (LHCb) è l’unico detector tra gli esperimenti di LHC

ad essere raffreddato a CO2: eccellenti risultati ed ottima affidabilità

CO2 2PACL (2-phase Accumulator Controlled Loop)

Alpha Magnetic Spectrometer (AMS-02): il silicon tracker è raffreddato

a CO2

Novembre 2010: il lancio da Cape Canaveral (USA) per installazione sulla stazione spaziale internazionale

NASA

Queste esperienze hanno stimolato l’utilizzo di questa tecnologia

per i rivelatori del futuro.

1. Technological Department – Cryogenics Group (CERN) - Svizzera

Collaborazioni attive:

2. National Institute for Subatomic Physics (NIKHEF) - Olanda

3. École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL): Laboratory of Heat and Mass Transfer – Svizzera

4. Altri istituti degli esperimenti coinvolti (ATLAS, CMS…)

Il cryolab è il laboratorio dove sono state installate le apparecchiature di test e controllo dei nuovi sistemi di raffreddamento.

Entro l’estate 2010 i responsabili del raffreddamento dei vari detectors potranno usufruire di questo laboratorio per testare le sezioni dei propri rivelatori.

Sono già in corso diversi tests per la convalida dei modelli teorici.

Banco prova: nel cryolab è stato messo a punto un banco prova per sistemi di raffreddamento a CO2. Attualmente è utilizzato per la creazione di un vasto database nel quale archiviare i dati di funzionamento.

L’ingegneria dei controlli gioca un ruolo fondamentale per il corretto

funzionamento delle apparecchiature e la riuscita dei tests.

il 2PACL (2-phase Accumulator Controlled Loop) prototipo di una nuova unità di raffreddamentobasato sul sistema Di VeLo, è pronto per essere utilizzato

Prototipo 2PACL

Sono in corso tests per la determinazione delle caratteristichetermodinamiche principali (es: caduta di P e T, ecc..) lungo deitubicini a geometria dritta

I risultati di questi tests permetteranno la verifica di alcuni modelli teorici

In questa attività è direttamente coinvolto il Prof. John Thome del Laboratory ofHeat and Mass Transfer di Losanna (Svizzera)

Mi,jEi,jρi,j

Mi-1,jEi-1,jρi-1,j

Ei+1,jρi+1,j

Entro il 2011 verrà ultimato un simulatore dinamico in grado di modellare l’intero processo di raffreddamento di un prototipo qualsiasi

Obiettivo: far circolare il fluido (es: C3F8) sfruttando la gravità e la differenza di pressione idrostatica tra condensatore e detector. Non necessita pompe o compressori.

I tests in corso stanno dimostrando l’affidabilità di questo sistema

Chiller Standard: essendo in superficie non richiede caratteristiche specifiche particolari (es: resistenza a radiazioni…).

Vantaggi: legati principalmente all’assenza di organi meccanici in movimento (no manutenzione). Garantiscono utilizzo a lunga durata

L’elettronica del futuro richiederà prestazioni di raffreddamento sempre piùelevate e sistemi sempre più sofisticati. Serviranno nuove idee per affrontare sfide più complesse e stimolanti

La tecnologia dei µ-channels e’ una delle soluzioni piu’ interessanti.

Il team di S-LHC sta osservando con grande interesse gli sviluppi dei tests in corso al cryolab.

CMOSAIC

Nuovi materiali termici: sono in corso tests su resine epossidiche e siliconiche e simulazioni allo scopo di ottenere, entro la metà del 2011, l’integrazione del chip di raffreddamento costituito da microcanali nei rivelatori in fase di costruzione

Questo permetterà di ridurre al minimo il materiale richiesto nella zona sensibile

Individuazione: nuova stazione di ricerca dotata di manometro ad alta precisione

Quantificazione: stazione per la trasformazione delrate di perdita da He a CnF2n+2

Ricerca/riparazione da remoto:

● Sono in corso studi per la ricerca di soluzioni convenzionali incollaborazione con diverse università

● Ricerca di un partner motivato ad investire in soluzioniinnovative e rivoluzionarie

� I rivelatori al silicio hanno esigenze molto particolari.

� I microcanali costituiscono una delle le soluzioni più affidabili per ilraffreddamento di componenti elettroniche sempre molto piccole e complesse

� Al cryolab del CERN gli esperti stanno testando l’utilizzo di CO2 e stannoattrezzando le strutture alle quali potranno accedere i futuri esperimenti

� La ricerca delle fughe costituisce una sfida estremamente stimolante

La ricerca e la sperimentazione in questi settori rimangono aperte a nuove idee e nuove soluzioni

� Il sistema di raffreddamento a termosifone rappresenta una possibilitàmolto interessante per ottenere sistemi affidabili nel tempo

� Il CERN sta investendo molte risorse nella ricerca di soluzioni nuove per la costruzione di sistemi di raffreddamento sempre più affidabili e performanti