Published September 30, 2019 | Version v1
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Modelling CO2 cooling of the ATLAS ITk Pixel Detector

Description

The Large Hadron Collider (LHC) physics program has been extended to the period 2026-2037 to deliver an order of magnitude more of proton-proton collisions compared to end 2023. To sustain the harsh conditions imposed to detectors in this period (radiation, high occupancy), the current ATLAS Inner Detector will be replaced by a new one using the most recent silicon sensor technologies. One of them is the generalization of the cooling with two-phase CO2 flowing in titanium tubes located close to the silicon sensor and associated electronics. The choice of CO2 relies on its most favourable thermo-physical properties in boiling state. The radiation damage during the HL-LHC program will be quite harsh and the engineering of the local supports under such extreme conditions requires a deep understanding of the two-phase behaviour of the CO2 flowing inside the titanium pipes, and a precise modelling of the heat transfer through the mechanical structure. However, the data available on CO2 boiling in channels of small hydraulic diameter (say, below 3 mm) is limited and often affected by too large uncertainties. This enforces the detector designers to include large safety factors and long iterative phases of experimental measurements, which could be sensibly reduced by the availability of reliable models. This thesis starts with a quick description of the ATLAS Upgrade Phase II project, a first outlook on the fundamentals of two-phase cooling technology, widely used to cool particle detectors in high-energy physics (HEP) experiments and discussion about the thermal management requirements of the future ATLAS Pixel Detector. Several custom tools were developed in python language to guide the design and optimisation of the CO2 cooling system: simulation of heat transfer coefficient (HTC) and frictional pressure drop along evaporators, flow distribution studies in manifolds and calculation of thermal requirements. In a second phase, the document presents the thermal test setup to measure thermal performances of thermal prototypes for the new detector (ITk) as well as the associated simulation based on Finite Element analysis and Heat Transfer Coefficient modelling. A novel fit method was implemented to extract from the measurements the different parameters of the ITk elements (in situ materials thermal conductivity, manufacturing variability, HTC... ). The results are compared to the current CO2 model predictions and the discrepancies discussed. A new set of parameters for the CO2 model was defined to improve precision by factor two on the effective HTC values for the ITk working conditions and integrated in the python modelling tool. Finally, the impact of this work on the design of the Pixel detector is discussed. (author)

Abstract (French)

Le programme scientifique du Grand Collisionneur de Hadrons (LHC) du CERN a ete etendu a la periode 2026-2037 pour augmenter le nombre total de collisions de paires de protons d'un ordre de grandeur. Pour que les detecteurs fonctionnent encore dans les conditions extremes imposees, le detecteur interne d'ATLAS va etre remplace par un nouveau (ITk) qui utilisera les dernieres technologies de detecteur silicium. Une d'elles sera le refroidissement CO2 diphasique circulant dans des tubes en titane lies aux detecteurs silicium par une structure porteuse. Le choix du CO2 provient de ses tres bonnes proprietes thermiques. Les effets des radiations sur les detecteurs seront importants. La conception de la structure porteuse dans ces conditions necessite une bonne comprehension du comportement du CO2 diphasique circulant dans des tubes titanes ainsi qu'une modelisation precise des echanges de chaleur a travers cette structure. Neanmoins, les donnees disponibles sur le comportement du CO2 dans des tubes de diametre inferieur a 3mm restent limitees et sont souvent associees a de larges incertitudes. Cela impose aux concepteurs d'inclure de grands facteurs de securite et de valider les performances sur plusieurs versions de design. Des modeles du CO2 plus precis eviteraient ces tatonnements Le document de these commence par une rapide description du programme d'upgrade du detecteur ATLAS et une revue des fondamentaux du refroidissement diphasique qui est largement utilise dans les detecteurs de Physique des Particules puis une discussion sur les contraintes thermiques specifiques au detecteur Pixel d'ATLAS. Plusieurs outils ont ete developpes en langage python pour guider la conception et l'optimisation d'un tel systeme de refroidissement: simulation du coefficient de transfert de chaleur (HTC) et perte de pression le long des evaporateurs et calcul des besoins thermiques. Dans la deuxieme partie, le manuscrit presente le banc qui a servi a mesurer les performances thermiques de prototypes avec leurs simulations utilisant la methode des elements Finis (FEA) et une modelisation des coefficients de transfert de chaleur (HTC). Une methode originale d'ajustement a ete utilisee pour transformer les resultats des mesures thermiques en mesure des parametres de base des elements du detecteur ITk (conductivite thermique des composants, variabilite de la production, HTC,...). Les resultats sont compares aux modeles CO2 actuels et les incompatibilites sont discutees. Un nouveau lot de parametres pour le modele CO2 a ete calcule permettant de reduire d'un facteur deux les incertitudes sur les valeurs de HTC dans les conditions de fonctionnement de l'ITk. Le document se conclut avec une presentation de l'impact de ces resultats sur la conception du detecteur Pixel. (auteur)

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Original title (English)
Modelisation du refroidissement CO2 du detecteur a pixels ITk dans ATLAS

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Imprint Pagination
165 p.
Report number
FRNC-TH--11852

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