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