Mechanics and Cooling ATLAS ITK meeting 2 February 2016 Istituto Nazionale di Fisica Nucleare Sezione di Milano Simone Coelli I.N.F.N. Milano For the Milano ATLAS Group 1

SUNTO DELLE ATTIVITA’ IN CORSO E PROGRAMMI DI LAVORO INERENTI ATLAS IBL Recente impegno nel gruppo dedicato allo studio con FEA per l’analisi delle deformazioni e sforzi indotti nello stave e nei sensori dal raffreddamento con verifica delle possibili conseguenze termo-meccaniche, coordinatore Ing. Danilo Giugni riassunto in documento per EDMS «ATLAS IBL STAVE DEFORMATIONS INDUCED BY COOLING DOWN» LABORATORIO MISURE CO2 Operativo, dopo un lungo lavoro di allestimento, un laboratorio dedicato alle misure sperimentali per la validazione dei sistemi di raffreddamento di rivelatori basati sull’evaporazione di CO2, a temperature fino a -30 °C Refrigeratore attualmente utilizzato: TRACI (2-Phase Accumulator Controlled Loop trasportabile) v.1, con pompa di circolazione Gather a ingranaggi, In fase di completamento una unità TRACI v.3, costruita in collaborazione con Cern, Nikhef, Oxford, Sheffield, Liverpool Con pompa di circolazione volumetrica a palette M-Pump, modello ridisegnato per la nuova versione del TRACI; si prevede un’evoluzione basata su interni in materiale Ceracomp Sistema di simulazione delle potenze dissipate basato su heaters e alimentatore digitale a 12 canali; possibile implementazione di riscaldamento ohmico iretto del tubo di raffreddamento Acquisizione di pressioni e temperature del fluido refrigerante e della struttura del rivelatore basato su DAQ NI c-RIO con programma Labview; trasduttori piezoresistivi, PT100 a 4 fili, termocoppie e flussimetro Coriolis. Termografia IR. Laboratorio e competenze per realizzazione di prototipi dedicati ai test, piegatura tubi di titanio a piccolo spessore, impianti idraulici Swagelok strumentati e strutture con coibentazioni Armaflex o flusso di aria secca, misure di tenuta con He leak-tester, collaudo in pressione di incollaggi, etc 2

SUNTO ATTIVITA’ IN CORSO E PROGRAMMI DI LAVORO INERENTI STUDI E MISURE IN CORSO Le misure in corso riguardano la verifica del funzionamento e la qualifica dei componenti di collegamento, in particolare linee di distribuzione CO2 e ottimizazzione perdite di carico, del sistema di raffreddamento per il tracciatore UT di LHCb In sintesi: 68 staves paralleli, disposti su 4 piani apribili attorno al beampipe con una potenza dissipata di circa 4 kW, circuito di raffreddamento basato su serpentine verticali lunghe 3 m di diametro 2 mm in titanio da 0.1 mm, inserite in carbon foam all’interno di staves in composito in fibra di carboni e rohacell, con thermal vias e utilizzo di stiffener in materiali ceramici avanzati Lo studio della gestione termica locale e globale è supportato da modellazione 3d, analisi FEM termiche, meccaniche, modali e studio dei compositi, disegno dei circuiti e dei prototipi e simulazioni con codice monodimensionale per CO2 in collaborazione con il dipartimento cooling del CERN Sono co-responsabile per la meccanica e cooling del rivelatore con R. Mountain (Syracuse Un.) Produzione in corso presso Real-Vacuum Rodofil di prototipi linee, saldature con tecnica laser/micro-TIG per tubi di piccolo spessore e capillari Recente istruzione (corso nazionale ANSYS CFD organizzato a Milano) per utilizzo di FLUENT; obiettivo analizzare la fluidodinamica dei sistemi bi-fase con CO2 evaporativa Collaborazione con azienda SIET per formazione specifica sistemi bollenti POTENZIALMENTE SIAMO PRONTI AD AFFRONTARE LE STESSE O SIMILI TEMATICHE PER IL RIVELATORE TRACCIATORE ATLAS ITK, CONCENTRANDOCI IN PARTICOLARE SUL SISTEMA PIXEL DETECTOR 3

SUNTO ATTIVITA’ IN CORSO E PROGRAMMI DI LAVORO INERENTI DISCUSIONI TECNICHE PREVISTE Prossimamente si organizzerà un incontro al CERN con Ing. Paolo Petagna, coordinatore del Dipartimento dedicato al cooling dei detector al CERN, per indagare su linee di ricerca e sviluppo dedicate a ITK, perl quali si prevede una collaborazione con - Simone Coelli - I.N.F.N. Sezione di Milano - Cecilia Rossi - I.N.F.N. Sezione di Genova Come suggerito dal Prof. Gianfranco Della Betta cercheremo inoltre di fissare la data per un meeting di persona di un paio di giorni in cui discutere più approfonditamente in vista del TDR e del MoU Siamo in contatto con Ing. Danilo Giugni - I.N.F.N. Sezione di Milano (con il quale abbiamo realizzato in passato particolari del cooling e le strutture per l’integrazione e l’installazione di ATLAS Pixel detector) per iniziare a breve studi e misure dedicate a ITK/Pixel NON ABBIAMO ANCORA UN RUOLO O RESPONSABILITA’ UFFICIALE IN ATLAS ITK MA SIAMO PRONTI AD AFFRONTARE LA TEMATICA ED ENTRARE NELLA COLLABORAZIONE (con le frazioni di tempo dedicabili) 4

5 Personale afferente al Servizio di Progettazione e Officina Meccanica della Sezione di Milano Dedicabile, in percentuali variabili, ad attività connesse con il progetto e la realizzazione di ATLAS ITK Sintesi di possibili potenzialità (non esaustiva): Simone CoelliTecnologo Coordinatore Gestione progettazione, FEM, FLUENT, simulazioni COBRA, esecuzione ed interpretazione di misure sperimentali con CO2 Mauro MontiCTER Progettazione, esperto analista FEM, readzione documentazione tecnica (Studente Ingegneria meccanica al Politecnico di Milano) Fabio TomasiCTER Progettazione, Misure, Disegni Andrea CapsoniCTER Disegni, Lavorazioni meccaniche, Montaggi, Misure, esperienza con CO2 Ennio ViscioneCTERDisegni, Lavorazioni meccaniche, Montaggi, Misure Carlo GesmundoCTER Progettazione, Disegni, Montaggi, Misure Danilo TrottaBorsista Disegni, Lavorazioni meccaniche, Montaggi, Misure

Analisi ad elementi finiti (1) Finite Element Analysis ANSYS license disponibile LICENZA unlimited nodes research ESAComp, composite materials Analisi meccanica strutture Studio ottimizzazione del supporto e raffreddamento dei sensori (stave) ANALISI Thermal Structural thermo-mechanical Dynamic multi-fisica (termica-meccanica) 6 Supporto meccanico per installazione di ATLAS Pixel (DST)

Analisi ad elementi finiti (2) FEM per LAVORI SVOLTI per ATLAS –Analisi stave IBL, progettazione per il TDR 7 Ottimizzazione termica IBL stave

Analisi ad elementi finiti (3) Lavoro per per indagine approfondita deformazioni di IBL, ATLAS task force 8 Effetto potenza dissipata nel flexbus Dettagli delle deformazioni termiche IBL stave effetti vincoli, materiali etc

Analisi ad elementi finiti (LHCb) Upgrade del tracker UT di LHCb ANALISI e OTTIMIZZAZIONE termica STUDIO raffreddamento con CO 2 evaporante 68 staves, rated °C 9 a tubo snake o tubi paralleli Studi sistemi di distribuzione CO2 e controllo raffreddamento Studi FEM dettagli Minimizzazione hot spot Potenza da Read-out sul sensore

CO 2 cooling Collaboration in the design and production of the v.3 units of the “TRACI” CO2 cooling system for prototypes test, re-design and test of the CO2 pump (M-pump version) –Studies using COBRA code –Cooling test using Titanium pipes –R&D on cooling connection and manifolds 10 Piegatura tubo titanio per prototipo stave Attacco fitting al tubo e test in pressione Montaggio linee e componenti swagelok e strumentazione di misura Pompa M-Mump per TRACI v.3 Milano

SISTEMA TRACI CO 2 Impianto per misure sperimentale su prototipi in condizioni operative reali con CO 2 evaporante, fino a -30 °C 11 Cold box aperta Dummy stave Strumentato Tubo di raffreddamanto Serpentina di titanio ID 2 mm, th 0,125 mm Routing snake verticale Tot length 3 m Impianto di cooling strumentato con misure di T, P fluido CO2 TRACI v1 Impianto 2 PACL Misura portata Inlet pressure drop variabile Per stabilizzazione dei fenomeni termo- idraulici in bifase Sistema di caratterizzazione termoidraulica. Misure in corso a Milano

Carissimi, vi ricordo il meeting Vidyo ITk di domattina, 9:30-12:

CO2 Blow out system in preparazione: Scopo: Test di componenti/piping per ATLAS ITk con sistema complementare al TRACI di Milano Blow out system: Cooling a C02 con circuito aperto (CO2 in atmosfera) Il sistema verrà costruito basandosi sull’impianto in funzione a Manchester (T= -10 ÷ -30°C, P Max = 200 W) Tempistiche: Set-up in preparazione. Prime misure previste a Giugno-Luglio. ATLAS Itk – INFN – Sezione di Genova 13