Optimisation de la performance thermique du détecteur Pixel Alpine

Optimization of the Thermal Performance of the Alpine Pixel Detector

• Auteur / Autrice : Zhan Zhang
• Direction : Lucia Di Ciaccio
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique appliquée
• Date : Soutenance le 01/12/2015
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Annecy-le-Vieux de physique des particules
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Didier Ferrère, Stéphane Jézéquel, Sylvie Rosier-Lees
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Philippe Schwemling, Giovanni Ambrosi

Mots clés

Mots clés contrôlés

Grand collisionneur de hadrons

Capteurs d'images à pixels actifs

Thermique

Mots clés libres

Thermique

Optimisation

Détecteur de pixel

CO2 Deux phases

Soutien

Thermal

Optimization

Pixel detector

CO2 Two-Phase

Support

Résumé

Le détecteur ATLAS est le plus grand détecteur après du Grand Collisionneur de hadrons (LHC) du CERN. L'un des objectifs les plus importants de ATLAS était la recherche de la pièce manquante du Modèle Standard, le boson, de Higgs, qui a été trouvé en 2012. Afin de continuer à chercher les inconnues, il est prévu d'améliorer le LHC. La haute luminosité pour le LHC est un projet, visant à augmenter la luminosité d'un facteur cinq ou plus au-dessus de la conception nominale. En parallèle à l'amélioration de l'accélérateur aussi ATLAS sera amélioré pour faire face au vieillissement des détecteurs et parvenir à la même ou meilleure performance avec un taux d'événements augmenté et une dose de rayonnement plus important.Cette thèse discute un nouveau design pour le détecteur pixel d'ATLAS , appelé “détecteur Alpine“ , pour la phase de haute luminosité du LHC. La structure du support local du détecteur Alpine est proposé, optimisé et testé avec un système avancé de refroidissement à deux phases qui utilise le dioxide de carbone ( CO2).Un programme de simulation du transfert de chaleur par évaporation du CO2 est mis au point au utilisant les modelés le plus récent de transfert de chaleur du CO2 pour caractériser le fonctionnement d'un évaporateur. Ce programme peut être utilisé pour analyser les aspects concernant les paramètres du système de refroidissement à l'intérieur et à l'extérieur du détecteur. Dans cette thèse, ce programme est principalement utilisé pour vérifier que un système à deux phases avec le CO2 peut être employé pour refroidir le détecteur Alpine. Plusieurs fonctions de calcule sont intégrées dans le programme dans une interface utilisateur graphique (GUI) afin d'avoir une large utilisation à l'intérieur de la communauté ATLAS.Pour faciliter l'analyse de la performance thermique du prototype, le modèle de la structure de support local est construit et analysé par analyse par éléments finis (FEA). Des nouveaux matériaux sont étudiés afin de faire face à la plus forte densité de puissance dégagée pour les modules au cours de la prise de donnée du HL-LHC.Les deux simulations par le programme numérique et par FEA sont combinées a fin de caractériser la performance thermique des deux prototypes: prototype Proof-of-Concept (PoC) et prototype Démonstration Fonctionnelle (FD). Ils sont produits par une société et un laboratoire de recherche respectivement et sont analysées et testées. Des études préliminaires des incertitudes les résultats ont été effectués. Les mesures du prototype PoC montrent que le refroidissement par évaporation du CO2 est efficace pour le détecteur Alpine.Par contre le premier prototype FD produit sur la base de la géométrie alpin avec une amélioration limitée de la matière n'aboutit pas à un résultat satisfaisant. Effets possibles pendant la production sont identifiés. Afin d'obtenir la performance thermique attendue, les futurs prototypes FD seront produits avec une procédure de production améliorée et de nouveaux matériaux.

The ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS) detector is the largest detector of the Large Hadron Collider (LHC). One of the most important goals of ATLAS was to search for the missing piece of the Standard Model, the Higgs boson that had been found in 2012. In order to keep looking for the unknowns, it is planned to upgrade the LHC. The High Luminosity Large Hadron Collider (HL-LHC) is a novel configuration of the accelerator, aiming at increasing the luminosity by a factor five or more above the nominal LHC design. In parallel with the accelerator upgrade also the ATLAS will be upgraded to cope with detector aging and to achieve the same or better performance under increased event rate and radiation dose expected at the HL-LHC.This thesis discusses a novel design for the ATLAS Pixel Detector called the Alpine layout for the high luminosity of the LHC. To support the Alpine Pixel Detector, a local support structure is proposed, optimized and tested with an advanced CO2 two-phase cooling system.A numerical program simulating the CO2 evaporative heat transfer flowing through a pipe is developed by the author of this thesis using the most up to date CO2 heat transfer models to characterize the heat transfer properties of an evaporator. This program can be used to analyze the aspects concerning the parameters of the cooling system inside and outside the detector. In this thesis, the program is mainly used to verify that a CO2 two-phase system can be used to efficiently cool down the Alpine Detector. Several functions in the program are built into a Graphic User Interface (GUI) in order to facilitate a wide use inside the ATLAS community.A model of the local support structure is built and analyzed by Finite Element Analysis (FEA) in order to facilitate the analysis of the thermal performance of the prototype. Candidate new materials are investigated in order to cope with the high power density from the detector modules during HL-LHC. The two simulations (the CO2 evaporative numerical program and the FEA ) are combined to characterize the thermal performance of two prototypes: Proof-of-Concept (PoC) prototype and Functional-Demonstration (FD) prototype. They are produced by a company and an institute respectively and are analyzed and tested. Studies of the systematic uncertainty affecting the result are present. The PoC prototype measurement shows that the Alpine design can be effectively cooled down. The measurements agree with the predictions within the considered systematic uncertainties. The first FD prototype produced based on the Alpine geometry with limited improvement on materials yet show a less satisfactory behavior. Possible effects occurring during the production that can be improved are identified. The future FD prototypes will be produced with an improved production procedure and using new materials in order to obtain the expected thermal performance