D. GiugniR&D per gli Esperimenti - 1 -Nov08-1 -Pixel - Strutture di supporto leggere D. Giugni Nov. 14 th 2008.

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1 D. GiugniR&D per gli Esperimenti - 1 -Nov08-1 -Pixel - Strutture di supporto leggere D. Giugni Nov. 14 th 2008

2 Sommario Geometrie per l’IBL (Inserted B-Layer) e Upgrade Definizione dei requisiti termo-meccanici dei supporti locali e ottimizzazione del X/X 0. Lo stave omogeneo e il canale bollente in composito: –Vantaggi e motivazioni –Come funziona e cos’e una “carbon pipe” –Stato e risultati del R&D Desiderata per il futuro D. GiugniR&D per gli Esperimenti - 1 -Nov08-2

3 Inserted B-Layer ATLAS ha chiesto ad una commissione BLTF (A. Clark, G. Mornacchi) di studiare la necessita’ e le implicazioni della sostituzione dell’attuale Blayer di ATLAS pixel. I risulati dell’analisi sono disponibili in un report dove si afferma: The insertion of a new technology B-Layer with the existing detector staying in place is favoured by the BLTF as the best feasible solution. Upgrade Workshop -NIKHEF-Nov08-3D. Giugni

4 CERN 26 Feb 074 View of the B-Layer Disk 3 Disk 2 Disk 1 EndPlate BeamPipe

5 Geometrie per l’IBL D. Giugni5 Assuming an envelope reduction R36 to R33 (insulation and clearance) Zero Clearance 2mm Clearance E’ necessario un nuovo design per i supporti locali.

6 Geometrie per l’upgrade Nove punti per traccia nel range di rapidita’ |  |<2.5 4 Layers pixel 5 strips. Due pixel layers piu’ interni rimuovibili. Due esterni fissi

7 Module Power and sensor max T 7 IBL Actual Detector UPGRADE Andamento della luminosita’ integrata in funzione dell’anno e’ data nel plot in alto a sinistra. La ”fluence [n eq /cm -2.s -1 ]” per 6000fb -1 in funzione del raggio e’ data dal plot in alto a destra. La generazione di potenza nel sensore @-25C in funzione della fluence e’ data nel plot in basso a sinistra IBL UPGRADE 0.2 0.04 0.02 0.002

8 Corrente di buio La corrente di buio ha una lamitazione dal lato del FE chip: 100nA Mentre questo e’ un limite per l’upgrade, non ha conseguenze nel caso del IBL. 3D (3E) Planar

9 Thermal run-away 9 0.02 0.002 ? UPGRADE PLANAR UPGRADE 3D IBL PlanarIBL 3D

10 Riassunto sul carico termico Due sono i parametri per definire il carico termico e la T massima di funzionamento del modulo: –100nA/pixel (limite dal FE) –Thermal run-away (instabilita da reazione positiva) I supporti locali devono essere: –Termicamente performanti –Resistenti alla corrosione –Bassa lunghezza di radiazione X/X 0  stave omogeneo. D. GiugniR&D per gli Esperimenti - 1 -Nov08-10

11 No Corrosion issues with CF pipes D. Giugni11 Our experience with aluminum piping was characterized by recursive corrosion events. Pixel detector Alu piping has suffered extensively corrosion both on the detector and off detector Aluminum is far in the galvanic series from any material used in the detectors structures (Cu, Ni, C) and the risk of destructive corrosion can never be excluded. Aluminum is particularly worrisome becomes in case of galvanic corrosion it becomes the sacrificial anode and wide part of its volume is “digested” by the process. R&D per gli Esperimenti - 1 -Nov08-

12 Lo stave omogeneo: benefici Lo stave omogeneo e’ interamente costituito da parti in composito. Specificatamente il canale bollente e’ in fibra di carbonio: i vantaggi sono rilevanti: 1)Migliore X/X 0 :Molto piu’ leggero perche’ il canale metallico e’ sostituito con uno in composito. 2)Ridottissima deformazione indotta da variazioni termiche: Le strutture in composito permettono di variare il CTE agevolmente variando la direzione della fibra durante il lay-up 3)Non e’ sensibile a fenomeni di corrosione: L’alluminio, viceversa, e’ molto sensibile alla corrosione galvanica fornendo l’elettrodo sacrificale tra materiali differenti. D. GiugniR&D per gli Esperimenti - 1 -Nov08-12

13 Lo stave omogeneo: design Pocofoam 45/135 W/mK CF Pipe  55deg layup STYCAST 2850 FT Laminate [0/-60/+60] S2 Cynate Ester STYCAST 2850 FT POCO Foam 13 Si tratta di un sandwich tra una laminato quasi-isotropico [0/60/0] S2 in cui il canale in CF viene interfacciato termicamente ad una schiuma di carbonio Le schiume hanno la caratteristica di avere buone caratteristriche di conducibilita’ termica (40  150 W/mK) a fronte di una bassa densita’ (0.1  0.5g/cm 3 )

14 Performances termo-meccaniche D. Giugni Il salto termico si attesta su 1.8->3.6  C a seconda del tipo di stave (mono o bi- pipe) La deformazione indotta per flessione su 800mm di lunghezza a fronte di un raffreddamento di 60C e’ di soli 150um 14R&D per gli Esperimenti - 1 -Nov08-

15 Carbon Pipe: Resistenza strutturale del canale in composito. Considerando una MDP (Max Design Pressure di 100bar con pressioni di colaudo di 150bar), si dimostra che orientando opportunamente le fibre del laminato e’ possibile ottenere spessori critici dell’ordine dei 50um su raggi di 1.5mm. La probabilita’ di sviluppare perdite e legato alla deformazione trasversale del singolo ply del laminato. Vale in questo caso   = 0.05% e deve essere confrontato con   = 0.1% per scongiurare la formazione di microcricche sotto carico.  y  x 50um P= 150 bar 54.7 deg 15

16 Carbon Pipe: micro-cracks Plies of the laminates tend to cracks under transversal strain (perpendicular to the fiber direction) and this is the most dangerous effect for leaks. The growth of microcracks is measured experimentally in a cross-ply laminated via visual counts as function of the transversal strain (AIAA 2004-5801; Ultra Light Composite Tanks for In Space Application).   = 0.05% Polished edge of a test specimen of [0/90 2 ] s layup Growth of microcracks vs. strain in a cross-ply laminate 16D. GiugniThermal Management WG - Nov 2008-

17 Carbon Pipe: CTE match One can play with the lay-up in order match the required longitudinal CTE scarifying partially the SF. 17D. Giugni Pipe OD [mm] Wall Th [  m] MDP [bar] Proof Pressure [bar] Lay-upV f % Safety Factor on MDP Safety Factor on Proof Pressure Strains % CTE [ppm/C] Calculation method LL   LT Matrix 70 3300100150 [+30/-30] 30%1.40.9 0.065% 0.701% -1.101% CLT [Composite Laminate Theory] 60%1.51.0 0.040% 0.458% -0.725% -6.4 [+45/-45] 30%4.22.8 0.124% -0.748% 9 60%4.73.1 0.067% 0.442% 2 [+55/-55] 30%7.75.2 0.127% 0.091% -0.099% 42 60%9.96.6 0.067% 0.053% 0.040% 16 [+55/0.1 /-55] 0 ply 30% 5.53.7 0.028%0.192%0.000% 18 ±55 plies7.75.2 0.138%0.082%-0.154% 0 ply 60% 7.75.1 0.017%0.101%0.000% 5.4 ±55 plies10.16.8 0.073% 0.045% -0.079% [  45/  ]  45ply 30% 8.45.6 0.100% 18 FEM [Finite Element Method] ±55 plies9.86.5 0.080% ± 45ply 60% 11.37.5 0.050% 5.1 ±55 plies11.67.7 0.040% [  40/  ]  40ply 30% ±55 plies ± 40ply 60% 9.66.4 0.060% 1.8 ±55 plies10.16.7 0.040%

18 Conclusioni Le attivita’ legate allo sviluppo dell’IBL (Inserted B-Layer 2013) e al Upgrade (2017) e’ di fatto decollato. Basta guardare la partecipazione al ATUPW ad Amsterdam organizzato da N. Hessey e G. Darbo e la mole di lavoro presentato per convincersene. Il know-how acquisito nella produzione dell’attuale rivelatore nonche’ le resposibilita’ assunte da parte di personale INFN durante la sua produzione rendono naturale l’interesse verso l’upgrade. Le linee di R&D sulla meccanica sono le seguenti: –Sviluppo strutture in composito supporto moduli –Qualifica e piping in CF e sviluppo fittings (Ti e CF) –Studio e sviluppo sistema di cooling (Fluorocarburo o CO2) – Prosecuzione analisi FEM termo-meccaniche (Thermal run-away) D. GiugniR&D per gli Esperimenti - 1 -Nov08-18

19 Institutes and collaborators IVW : Institut für Verbundwerkstoffe GmbH Kaiserslautern IFB :Institut für Flugzeugbau Universitat Stuttgartfür Wuppertal University INFN Milano CPPM Marseille LAPP Annecy BERCELLA Carbon Fiber (Parma IT) D. GiugniR&D per gli Esperimenti - 1 -Nov08-19

20 Backup Slides D. GiugniR&D per gli Esperimenti - 1 -Nov08-20

21 (1) Much better X/X 0 for carbon vs. any other metal Focusing on the carbon pipe, there is a significant difference in the radiation length between C and ALU. Considering the Inserted B-layer scenario for one of several different layout options, the difference in the X/X 0 ratio is more than a factor ~3. Note that due to the specific geometric constrain for IBL, the contribution of the cooling pipes to the total RL is worse that for the actual B-Layer Note that the X0 is here calculated assuming all carbon R=34.5 AluCF PipeID_Radius1.2 mm PipeOD_Radius1.5 mm Pipe Cross Section2.54 mm2 Density2.71.4g/cm3 pipe weight/length6.873.56g/m Number of pipe in IBL15 IBL pipe radius34.5 mm cylindrical density0.280.14g/cm2 X024.942.7g/cm2 X/X01.11%0.33% D. Giugni21R&D per gli Esperimenti - 1 -Nov08-

22 (3) No Corrosion issues with CF pipes D. Giugni22 Our experience with aluminum piping was characterized by recursive corrosion events. Pixel detector Alu piping has suffered extensively corrosion both on the detector and off detector Aluminum is far in the galvanic series from any material used in the detectors structures (Cu, Ni, C) and the risk of destructive corrosion can never be excluded. Aluminum is particularly worrisome becomes in case of galvanic corrosion it becomes the sacrificial anode and wide part of its volume is “digested” by the process. R&D per gli Esperimenti - 1 -Nov08-

23 Braids based Braiding is an old technique available since late 1800. For the pipe, texture (or sox) is generated by means of a braiding machine around a mandrel that sets the inner diameter. Use roving to minimize the thickness of the braid Needs lowest “k” roving to minimize the width. Maximize the number of yarns to increase the V f ratio Impregnation techniques: –Standard RTM –Infusion + drawing D. GiugniR&D per gli Esperimenti - 1 -Nov08-  1k rowing fiber 23

24 RTM D. Giugni24

25 Wrapping Based technique D. GiugniR&D per gli Esperimenti - 1 -Nov08-25

26 Back up solution to the CF pipe Worth to mention that in collaboration with CPPM we started an R&D on the Ti piping (120um wall th.) that we consider as fall back option in case carbon pipe will show non-addressable problems. Titanium is a very promising material for the pipe and meet 2 of the three requirements discussed: 1.It is substantially unaffected by corrosion: It is very close to the graphite in the galvanic series. 2.CTE is also appreciable: ~9ppm/  C (almost 1/3 of Alu) 3.The Con is the density at 4.5 g/cm 3 D. Giugni Pipe AluCFTi PipeID_Radius1.2 1.4 PipeOD_Radius1.5 Pipe Cross Section2.54 0.91 Density2.71.44.5 pipe weight/length6.873.564.10 Number of pipe in IBL15 IBL pipe radius34.5 cylindrical density0.280.140.16 X024.942.716.17 X/X01.11%0.33%1.02% 26R&D per gli Esperimenti - 1 -Nov08-

27 A view on the C3F8 Total pressure budget stave-BPR-Inlet compressor: 200-250 mbar … difficult but not impossible D. Giugni -37  C 250

28 28 Chiller Cold transfer LHCb-VELO: 2PACL pumped liquid system Fluid: CO 2 Pump Liquid Vapor 2-phase Pressure Enthalpy DetectorCooling plant Liquid circulation Enthalpy Chiller As in CO2 refrigeration industry : Subritical vapor-compression cycle Compressor Pressure DetectorCooling plant Liquid supply Warm transfer Hex Gas return Liquid Vapor 2-phase Enthalpy CO2 cooling system design