Impianti di raffreddamento al CERN: tecnologie innovative e sviluppi futuri

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1 Impianti di raffreddamento al CERN: tecnologie innovative e sviluppi futuri CLAUDIO BORTOLIN Università di Udine / INFN PD / CERN

2 Sistemi di raffreddamento per esperimenti di fisica delle particelle prospettive e progetti per i detectors a silicio CERN: Laboratori sperimentali e strumentazioni Raffreddamento di micro e macro canali (nuovi materiali termici e tests) Ricerca delle perdite (nuove tecnologie per individuazione e riparazione)

3 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 gradiente di temperatura lungo le zone sensibili deve essere minimizzato per evitare deformazioni meccaniche. Il fluido di raffreddamento scelto deve essere resistente alle radiazioni ionizzanti

4 Al CERN sono stati attivati diversi progetti di ricerca per trovare le soluzioni migliori per rispondere alle varie esigenze. Lo scopo di tali progetti e individuare il miglior tipo di impianto e di fluido refrigerante da impiegare. I due orientamenti principali sono costituiti da: Impianti a termosifone CO2

5 Il modo più leggero di raffreddare è: Evaporazione ad alta pressione! Limitata espansione del vapore ad alta pressione bassa dp/p - volume - flusso diametro del condotto ridotto + calore latente - massa CO 2

6 Curve di saturazione nel diagramma P-T per CO 2, C 2 F 6 & C 3 F 8 75 CO 2 Pressure (Bar) C 2 F 6 C 3 F Temperature ( C)

7 Il VErtex LOcator VeLo (LHCb) è l unico detector tra gli esperimenti di LHC ad essere raffreddato a CO 2 : eccellenti risultati ed ottima affidabilità CO 2 2PACL (2-phase Accumulator Controlled Loop)

8 Alpha Magnetic Spectrometer (AMS-02): il silicon tracker è raffreddato a CO 2 NASA Novembre 2010: il lancio da Cape Canaveral (USA) per installazione sulla stazione spaziale internazionale

9 Queste esperienze hanno stimolato l utilizzo di questa tecnologia per i rivelatori del futuro. Collaborazioni attive: 1. Technological Department Cryogenics Group (CERN) - Svizzera 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 )

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11 Il cryolab è il laboratorio dove sono state installate le apparecchiature di test e controllo dei nuovi sistemi di raffreddamento. Sono già in corso diversi tests per la convalida dei modelli teorici. Entro l estate 2010 i responsabili del raffreddamento dei vari detectors potranno usufruire di questo laboratorio per testare le sezioni dei propri rivelatori. Banco prova: nel cryolab è stato messo a punto un banco prova per sistemi di raffreddamento a CO 2. Attualmente è utilizzato per la creazione di un vasto database nel quale archiviare i dati di funzionamento.

12 L ingegneria dei controlli gioca un ruolo fondamentale per il corretto funzionamento delle apparecchiature e la riuscita dei tests.

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

14 Sono in corso tests per la determinazione delle caratteristiche termodinamiche principali (es: caduta di P e T, ecc..) lungo dei tubicini 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 of Heat and Mass Transfer di Losanna (Svizzera)

15 Entro il 2011 verrà ultimato un simulatore dinamico in grado di modellare l intero processo di raffreddamento di un prototipo qualsiasi M i-1,j M i,j E i-1,j ρ i-1,j E i,j ρ i,j E i+1,j ρ i+1,j

16 Obiettivo: far circolare il fluido (es: C 3 F 8 ) sfruttando la gravità e la differenza di pressione idrostatica tra condensatore e detector. Non necessita pompe o compressori.

17 I tests in corso stanno dimostrando l affidabilità di questo sistema Vantaggi: legati principalmente all assenza di organi meccanici in movimento (no manutenzione). Garantiscono utilizzo a lunga durata Chiller Standard: essendo in superficie non richiede caratteristiche specifiche particolari (es: resistenza a radiazioni ).

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19 L elettronica del futuro richiederà prestazioni di raffreddamento sempre più elevate 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

20 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

21 Individuazione: nuova stazione di ricerca dotata di manometro ad alta precisione Quantificazione: stazione per la trasformazione del rate di perdita da He a C n F 2n+2 Ricerca/riparazione da remoto: Sono in corso studi per la ricerca di soluzioni convenzionali in collaborazione con diverse università Ricerca di un partner motivato ad investire in soluzioni innovative e rivoluzionarie

22 I rivelatori al silicio hanno esigenze molto particolari. Il CERN sta investendo molte risorse nella ricerca di soluzioni nuove per la costruzione di sistemi di raffreddamento sempre più affidabili e performanti Al cryolab del CERN gli esperti stanno testando l utilizzo di CO 2 e stanno attrezzando le strutture alle quali potranno accedere i futuri esperimenti Il sistema di raffreddamento a termosifone rappresenta una possibilità molto interessante per ottenere sistemi affidabili nel tempo I microcanali costituiscono una delle le soluzioni più affidabili per il raffreddamento di componenti elettroniche sempre molto piccole e complesse 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

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