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IBL – Spécifications pour irradiation Beta

Spécifications pour irradiations d’un stave IBL avec un faisceau Beta

Date de création : 10 octobre 2012 (D. Ferrère) Date de révision rev1: 26/10/12 Personne : F. Ravotti, M. Glaser

Date de révision rev2: 26/10/12 Personne : C. HENRY Date de révision rev3: 01/11/12 Personne : D. Ferrère Date de révision rev4: 09/11/12 Personne : W. Seez

Date de révision rev5: 12/11/12 Personne : D. Ferrère, F. Ravotti Date de révision rev6: 29/11/12 Personne : W. Seez, D. Ferrère

Université de Genève : Javier Bilbao de Mendizabal, Franck Cadoux, Stéphane Débieux Didier Ferrère, William Seez, Maarten Weber CERN : François‐Xavier Nuiry, Maurice Glaser (dosimétrie), Federico Ravotti (dosimétrie), CPPM (Marseille) : Eric Vigeolas Ionisos R&D : Clément Henry

Plan :

Le but de ce document est décrire au mieux les spécifications pour une irradiation d’un stave IBL en

faisceau Beta avec la société IONISOS à Chaumesnil et dont le contact R&D est Monsieur Clément

Henry. Le but étant de préparer tous les éléments pour cette irradiation qui devrait se faire avant la

fin de l’année 2012 en quelques heures. Ce document devra donc spécifier tous les éléments

nécessaires à la mise en place, l’installation, le monitorage et les interventions durant cette

irradiation de telle manière à ne pas laisser de place à des imprévus.

Description:

Le détecteur et trajectographe interne du détecteur ATLAS au CERN est en cours de construction

d’une couche supplémentaire de détecteur Pixel appelé IBL (Insertable B‐Layer) pour une installation

au début 2014. IBL sera très proche du point d’interaction des paquets de protons à environ 3.3cm. Il

sera donc exposé à des flux de particules importants et par conséquent à de fortes ionisations

pendant toute sa durée de vie (6 à 8 années) pendant l’opération du LHC au CERN. Le support des

détecteurs sensibles ou modules appelé stave (Figure 1) est le résultat d’un assemblage par collage

de plusieurs matériaux de type composite et mousse carbone ainsi que des câbles service bus qui

permettront de relier électriquement chaque module et circuit intégré au monde extérieur. La partie

support du stave fait environ 700mm de long alors que le tube de refroidissement et les services sont

bien plus étendus. Le stave avec ses deux services bus en kapton de chaque coté sera l’échantillon à

irradier afin d’étudier les effets des radiations sur les matériaux et tout particulièrement sur les zones

collées. La masse du stave brut fait environ 27g et pour une épaisseur de 4mm et le tube support

aurait une épaisseur de 0.3mm. L’énergie du faisceau est de 10MeV ce qui permet une pénétration

de la radiation ionisante dans environ 4cm de matière de type C our Si assurant ainsi un parfaite

homogénéité de la radiation dans le volume du stave IBL.


Figure 1: Schéma d'un stave IBL avec ses modules électriques placés (en haut). En bas et surexposé en couleur pale un stave avec flex, 4 zones de graisse thermique (HTCP) et une plaquette silicon qui seront irradiés.

Zone à irradier

Comme indiquer sur la Figure 1, la zone à irradier sera environ 700mm de long par 80mm de large.

Ionisos : (M. Clément Henry) a confirmé la précision de la fenêtre d’irradiation dans la

longueur.

La précision de la longueur maximum du faisceau est de 10%, la longueur minimum est assurée.

Pour s’assurer de la dimension exacte du faisceau d’électrons, une « image » en sera réalisée sur une

plaque PC recouverte d’un film PVC dans les conditions de l’expérience. Pour cela les supports de

l’échantillon devront pouvoir porter cette plaque.

Dose totale :

Le détecteur IBL devrait recevoir une dose totale de 5x1015 neutrons équivalent de 1MeV/cm2 ou

bien 8x1015 protons de 24 GeV/cm2. En comptant une perte d’énergie par ionisation pour des

protons de cette énergie pour du matériel proche du carbone on estime cette valeur dE/dx ~ 2

[MeV.g‐1cm2]. Cette perte d’énergie par ionisation est un peu plus faible pour de la matière plus

dense comme pour la graisse thermique chargée en oxyde de Zinc.

En assumant donc du carbone on peut estimer atteindre une dose totale de 255 MRad ou 2.55MGy.

Pour des tests d’irradiations il est souhaitable d’avoir une incertitude sur cette valeur de maximum

20% mais idéalement on souhaiterait atteindre 10%. Donc une irradiation avec une dose totale dans

une plage de 2.3 à 2.8MGy est acceptable.

Dosimétrie :

La dosimétrie est donc importante et il faudra donc déterminer avec plusieurs méthodes les doses

recues. Le CERN propose d’utiliser 4 types de dosimètre (Tableau 1) qui seront analysés quelques

temps après l’irradiation. Ces dosimètres sont de types:


- FWT‐60 film avec évaluation de la dose par colorimétrie – Doses acceptées élevés et valide

pour 200kGy. Ce dosimètre devra donc être enlevé après 30s d’exposition.

- PAD Alanine avec lecture par spectromètre RPE – limite de dose est de 100kGy. Ce dosimètre

devra être enlevé après environs 20s à 30s d’exposition au faisceau Beta.

- RPL permettant de mesurer des doses élevées – valide pour 2.5MGy par extrapolation car la

courbe d‘étalonnage du CERN arrive jusqu’à 500kGy.

- TLD thermo‐luminescent à base de fluorure de Lithium et peut tenir la dose de moins de

1MGy – Ce dosimètre devra être enlevé après environs 30s à 1min d’exposition au faisceau

Beta.

Étape Temps(s) Dose estimée (KGy) PAD RPL TLD FWT‐60

1 40 167 1 1 1 1

2 60 250 1 (?) 1 1 1

3 60 250 1 (?) 1 1 1

4 60 250 1 1 1

5 80 333 1 1

Compatible avec l’échelle de lecture

Proche de la saturation

Très probablement à l’extérieur de l’échelle Tableau 1: Type de dosimètre en fonction de leur échelle de dose acceptable.

La société Ionisos ne peut proposer une méthode de dosimétrie avec lecture rapide du fait des

limitations de dose et du débit de dose important prévu avec le faisceau Beta en mode

d’échantillon statique.

Complément de M. Clement Henry (Ionisos) pour définir les détails et le protocole.

Les dosimètres de la société Ionisos ont une limite de dose de 45kGy soit 11s d’exposition à

250kGy/min. L’accélérateur à un temps de stabilisation supérieur à 11s. Les dosimètres Ionisos ne

pourront donc pas être utilisés pour estimer le débit de dose précis dans les conditions de

l’expérience.

Une étude préalable peut‐être envisager avec des dosimètres RPL et/ou TLD avec pour objectif

d’estimer le débit de dose en régime stable le plus précisément possible ainsi que la dose délivré

dans les temps d’exposition d’une minute que nous envisageons.(le régime transitoire dure moins

de 40s mais nous ne connaissons pas sa valeur exacte)

Protocole :

Le CERN fourni des dosimètres à IONISOS qui les expose un certain temps. Les temps proposés on été

définis comme suit :

‐ 40s

‐ 60s : trois essais de tir de faisceau (pour avoir de la statistique plusieurs essais à un temps

donné pour être sûr de la reproductibilité)

‐ 80s


Une première étape d’irradiation des dosimètres de quatre types différents on été effectués le jeudi

8 novembre à Chaumesnil et suivant le protocole mentionné ci‐dessus. Deux des quatre types de

dosimètres on été lus au CERN les RPL et les films (FWT‐60). Sur ces cinq paquets exposés à des

temps variables seul le paquet numéro 5 a été affecté par une surchauffe ayant créé une fonte

importante du film PE. De plus le dosimètre RPL était saturé donc seul est reporté pour 80s la valeur

lue du film FWT‐60. En ce qui concerne les résultats pour une exposition à 60s une valeur moyenne

de environs 200kGy est obtenue ce qui veut dire donc que pour atteindre 2.5MGy il faudrait environ

12 à 13 expositions. Tous les résultats sont résumés sur les deux figures ci‐dessous Figure 2).

Figure 2: Résultats de lecture des dosimètres RPT et film (FWT‐60) après des expositions à 40, 60 et 80s.

Il est aussi prévu d’installer plusieurs dosimètres de type film le long de l’objet à irradier et surtout

sur les bords car le faisceau a une inhomogénéité aux extrémités d’environ 10% sur la longueur soit

70mm sur la longueur totale.

Support échantillon


Après concertation des responsables techniques de Ionisos, il apparait que le bac à eau n’est pas

obligatoire, en effet le convoyeur n’est pas directement sous le faisceau et les supports non plus. Ils

n’ont donc pas besoin d’être protégés. Un cadre posé sur le convoyeur suffi. Les supports de

l’échantillon seront fixés sur ce cadre.

Dimension du cadre rectangulaire :

Longueur minimum = largeur convoyeur = 80cm

Largeur selon les besoins de l’expérience. (Avec un minimum de 15cm pour ne pas être sous le

faisceau)

La position de l’échantillon par rapport au faisceau a été défini sur les axe x (centré) et z (centré), il

faut le faire pour l’axe y afin de déterminer la hauteur des supports ainsi que la position à laquelle

seront effectuer la dosimétrie préliminaire et l’image du faisceau.

35cm au‐dessus du convoyeur est une valeur qui convient et accepté par Ionisos et le client.

Une cadre en profil Bosch de 140 cm de long par 27cm de large est proposé. Ce cadre

reposera transversalement sur le convoyeur de 80cm de large et aura deux colonnes qui

supporteront le tube carbone à une hauteur moyenne de 35cm au‐dessus du convoyeur. (En

cours de réalisation par Maarten Weber )

Installation échantillon et tube carbone

Un tube en fibre de carbone de 58mm de diamètre et de 1.50m de long et de 300microns de paroi a

été réalisé par la société Composite Design. Ce tube sert de support de fixation au stave grâce à des

bagues venant pincer les « end‐blocks » du stave. Ces bagues on été réalisées en prototypage rapide

(stéréo‐lithographie) en ABS.

Refroidissement et estimation FEA

Une première estimation par approximation nous donne des valeurs de température très élevées

(plus de 850°C) au cas où le stave reste dans un endroit confiné avec une convection naturelle.

Même en soufflant de l’air avec un débit élevé pour atteindre un coefficient d’échange de 100W/m2K

ne suffit pas car le gradient de température serait de ~50°C. La seule possibilité pour limiter la

température en‐dessous de 40°C sera d’utiliser le tube de refroidissement en titane avec une

circulation d’eau à environ 5°C. Des calculs par élément fini avec le modèle de la pièce et les

paramètres de dépôt de chaleur par ionisation dans des unités de masse nous apportent assez

d’information pour conforter la mise en place de ce dispositif de refroidissement (voir détail en

Annexe 1).

Comme illustrés sur la Figure 3 les résultats de calcul nous donnent une température maximum de

35°C pour un coefficient d’échange dans le tube de refroidissement de 8000 W/m2K alors que sur la


plaquette de silicium la température maximum ne devrait pas dépasser environ 25°C (Tableau 2). Les

résultats sont résumés dans le Tableau 2.

Figure 3: Coupe du stave avec son flex pour un refroidissement avec HTC=8000W/m2K

Refroidissement Stave entier Détecteur Silicium

HTC (W/m2K)

T° (°C) T Max (°C) T Min (°C) T Max (°C) T Min (°C)

8000 5 34.9 5.23 25.3 22.2

6000 5 36.6 5.31 27.1 23.9

4000 5 40.1 5.47 30.5 27.4 Tableau 2: Résumé des températures min et max distribués sur le stave et le détecteur de silicium pour différentes

conditions d'échange dans le tube de refroidissement.

Pour le tube support les premiers résultats donnés avec le tube existant de 58mm de diamètre et de

900microns d’épaisseur donnait des valeurs relativement élevées en température soit environ 85°C.

A ces températures le tube peut très bien tenir mais il y aurait alors un échange par rayonnement qui

défavoriserait la distribution de température sur le stave. Pour cela l’Université de Genève fait faire

un tube de même diamètre avec une seule couche avec une matrice de fibre de carbone maillée à 0

et 90° qui devrait amenée une épaisseur totale du tube de environ 300 à 400 microns. Pour cela la

distribution de températures descend et la valeurs maximum attendue serait de environ 41°C. Des

calculs de distribution de température sur le tube support ont été faits pour des épaisseurs de 300,

400 et 600 microns avec un coefficient d’échange interne et externe de 50W/m2K (résumé dans le

Tableau 3).

Figure 4: Distribution de température sur le tube support en fibre de carbone de 300m d’épaisseur avec une ventilation air à 20°C interne et externe.

Epaisseur (μm) T Max (°C) T Min (°C)

300 41.5 30

400 48.7 35

600 63.0 40 Tableau 3: Température min et max sur le tube support en fibre de carbone pour différentes épaisseurs.


Il est donc prévu un refroidissement à deux niveaux :

- Un utilisant le tube en Titane de diamètre 1.7mm interne ou de l’eau déminéralisée

circulerait (température à définir mais autour de 5°C). Il ne faut pas utilisé du glycol car

l’ionisation va changer le PH du mélange et risque de détruire le système de refroidissement

(information donnée par Clément Henry –Ionisos).

- L’autre serait de l’air sec balayé à une pression de quelques bars en sortie de deux tubes en

polyuréthane de diamètre externe 6mm (pas dans la zone irradiée). La température d’entrée

de l’air sera à la température ambiante (~20°C).

Il est souhaitable que l’échauffement des pièces ne dépasse pas 40°C.

A priori on peut envisager l’irradiation en ~10 étapes avec une minute de faisceau puis 5 min

d’intervalle pour un repos et refroidissement. Le monitorage de la température (voir section ci‐

dessous) devrait pouvoir nous indiquer le temps consécutif maximum du tir de faisceau pour ne pas

dépasser la température limite définie ci‐dessus. Il est préférable de ne pas envisager une irradiation

en 10min car la dose mesurée au préalable sera basée sur une irradiation de 1 minute. On aura alors

une meilleure précision sur la dose si on fait dix tirs de 1 minute que un tir de 10 minutes.

Monitorage de la température

Le monitorage de la température devra se faire tout au long de l’irradiation et de voir si la

température sur le stave ne dépasse pas 40°C et sur le tube support 80°C. Il est donc prévu de coller

8 sondes de température (NTC Semitec 103JT‐025) sur le stave et sur le tube support :

‐ Deux sur le tube support à l’intérieur

‐ Six sur le stave (face plate et coque)

Ces sondes seront connectées à une carte interface et vers des ADC NI6009 pour une lecture via le

port USB et une application Labview. La fourniture, l’installation, les cables, l’ADC et son interface

ainsi que les applications seront fournis par l’Université de Genève (Didier Ferrère, Stéphane

Débieux, Javier Bilbao de Mendizabal).

Il est estimé que les NTC et les câbles vont avoir une auto‐échauffement qui sera compenser par un

refroidissement des cables par convection et de la sonde par son contact avec la surface à mesurer.

Dea calculs par éléments finis (FEA) ont été faits et sont détaillés en Annexe 2. En résumé il est

estimé que suivant les conditions de refroidissements et d’échanges que les sondes de température

indique un off‐set entre 8°C dans le meilleur des cas et 17°C pour la condition la moins favorable.

Il sera convenable donc de soustraire aux températures indiquées lors du monitorage environ 10 à

15°C.

Remarque importante : Si une sonde indique une température très élevée ou très basse soit elle s’est

décollée de son support et la température attendue est dans une plage de 103°C °C à 690°C (voir

annexe 2) soit il y une déconnection sur le câble de monitorage et la température indiquée est de ‐

50°C.


Les services et opération sur place (IONISOS Chaumesnil)

Les besoins sont les suivants :

- Deux prises secteur 220V 16A (ou une prise avec rallonge multiple)

- Raccordement à de l’air comprimé (embout rapide M1/4) – confirmé par IONISOS

Pour chacun il sera nécessaire de définir le type de raccord et la longueur pour arriver jusqu’à la zone

à irradier (une marge supérieur de 10% devra être pris en compte).

De plus il sera nécessaire d’avoir la longueur entre la zone d’irradiation et la salle de contrôle pour le

monitorage

Valeurs fournies par Ionisos

Câbles électriques : 15m entre les prises et la zone à d’irradiation

Air comprimé : prévoir 50m de tuyau

Câble pour le monitoring : prévoir 50m

Premiers essais à blanc prévus au CERN

A organiser par F.X. Nuiry et D. Ferrère avec assistance de J. Bilbao et de W. Seez.

Les premiers essais étants prévus le 30 novembre 2012 au SR1.

Prévision de la séquence des opérations le jour J (à Chaumesnil)

D'après de premières estimations l'installation consistera à:

- Mettre en place le cadre et les supports sur le convoyeur

- Mises‐en en place de la plaque PC recouverte PVC

- Premier tir pour valider la dimension du faisceau

- Monter le tube à irradier

- Brancher les sondes de températures

- Brancher le système de refroidissement à eau (eau + glycol) ‐ en espérant qu'il peut rester à

environ 1ou 2m de l'échantillon

- Tirer les cables pour le monitorage et vérifier la lecture des sondes de température

- Brancher le système d'assécheur d'air qui va ventiler l'intérieur de l'échantillon avec le

système vortex

- Brancher le système vortex en sortie avec un tube qui va entrer le tube en carbone

- Tirer le tuyau d'air comprimé vers cet assécheur et raccorder

- Mettre le tout en route:

o Ventiler l'air sec

o Monitorer la température

o Démarrer le cooling et attendre la stabilisation en température (environ 15‐30 min)


Pour l'irradiation et comme mentionné plus haut il conviendra de ne pas mettre toute la dose en

10min mais l'étaler sur 1 heure si possible avec 1 min d'irradiation et 5 min de repos à répéter 12 à

13 fois (suivant la dose totale obtenue à chaque exposition de 60s).

Opérations à faire pendant l’irradiation :

- Monitorer la température et si possible arrêter le faisceau si une des sondes de température

excède 40°C.

- Arrêter le faisceau après 60 secondes

- Retirer les dosimètres définis plus haut

- Redémarrer le faisceau pour 60s

- Arrêter le faisceau

- Retirer les dosimètres définis plus haut

- Après quelques minutes de repos et que la température sur le stave est stable redémarrer le

faisceau pour 60s d’exposition.

- Répéter le nombre de fois nécessaire l’opération du faisceau et le repos en fonction de la

lecture des deux premiers dosimètres aux premiers pré‐essais d’irradiation. D’après les

premiers résultats il faudrait au total 12 à 13 fois une exposition de 60s.


Annexe 1 – Simulation par éléments finis pour les distributions de températures

Investigations faites par W. Seez et F. Cadoux

Réalité et modélisation pour la distribution de température sur le stave

Le stave et son support Le stave, voir Figure 1, sera placé dans un tube carbone qui agira comme support et comme conduit

pour l'air sec qui sera soufflé sur le stave.

Figure 5 . Schéma de la zone irradiée du stave

Sur le stave seront placés les deux flexs ainsi que six 'Thermal grease pads' et un 'Silicon wafer' qui

modelisera un detecteur silicium. L'irradiation se fera donc sur la section du stave entre les deux

marqueurs rouges (Fig. 1) ainsi que sur le tube carbone qui l'entourera.

Modèle CAO Une simplification du modèle original a été créée dans CATIA afin de rendre le calcul plus léger tout

en gardant les caractéristiques importantes: densité, masse, forme approximative. Certaines vues du

modèle sont présentés ci‐dessous.


Vue d'ensemble du modèle sous CATIA

Flex

Mousse Carbone

Section de l'assemblage (sans tube titane)

Figure 2 . Série de vues du modèle de stave simplifié

Paramétrage pour éléments finis

Caractéristiques matériaux

Le tableau ci‐dessous présente les valeurs utilisées dans le modèle d'éléments finis pour définir les

différents matériaux: densité et conduction thermique (k).


Plusieurs remarques ici:

a) La colonne Puissance appliquée au corps est le résultat d'un calcul cherchant à évalué la puissance que recevra chaque partie du stave suite à l'irradiation. Le dépôt d'énergie est de 4.2W/g. Ainsi en connaissance de la densité de chacun des matériaux utilisés il est possible d'évaluer cette puissance.

)/()/()/( 33 cmgDensitégWDepotcmWPuissance

b) La densité et la conductivité du flex sont calculées par proportionnalité. Chaque matériau présent dans le flex apporte une contribution à ces deux valeurs proportionelles à son épaisseur approximative: 100μm d'Aluminium, 320μm de Kapton et 150μm d'Epoxy.

Refroidissement

Le refroidissement est appliqué sur la surface intérieur d'un tube titane de 1460mm de long.

Il est paramétré dans Abaqus en fonction de deux valeurs:

Une coefficient d'échange thermique (h ou HTC) en W/m2K.

Materiau Utilisation k (W/mK) Densité (g/cm3)

Puissance appliquée au corps (W/m3)

Puissance appliquée au corps (W/mm3)

Stycast 2850 FT

Colle entre tube et mousse, entre

mousses, entre face plate et mousse

1.02 - 2.28 2.35 - 2.45 1.01E+07 1.01E-02

Alcomp K9 Mousse carbone 34 0.22 9.24E+05 9.24E-04

K13C/RS3 0/90/0

(tencate) Face plate 0.5; 96; 96 1.6 6.72E+06 6.72E-03

PEEK 450CA40

EndBlocks & Central support

1 1.44 Pas d'irradiation Pas

d'irradiation

Epoxy 2011 Colle entre flex et face

plate 0.1 1.05 4.41E+06 4.41E-03

Titane grade 2/T40

Cooling tube 21.9 4.506 1.89E+07 1.89E-02

Mélange alu, cuivre, Kapton, epoxy

Flex 0.041 1.48 6.22E+06 6.22E-03

Carbone Tube support 0.5; 96; 96 1.76 7.39E+06 7.39E-03


Une température ambiante. ~5°C

Le but de ce refroidissement est de maintenir le stave en dessous de 40°C pendant toute la durée de

l'irradiation. Cette valeur correspond au maximum de température que ressentira le stave lors de son

fonctionnement au sein du détecteur ATLAS.

Tube de support Il est prévu qu'un tube de support en carbone soit utilisé pour maintenir le stave en place lors de

l'irradiation. Plusieurs calculs ont donc été effectués sur ce tube afin de déterminer son

échauffement.

Ce tube est modélisé au plus simple dans Abaqus. Il fait 1460 mm de long avec une partie centrale

irradiée de 700 mm. Ses caractéristiques matérielles sont répertoriées dans le tableau ci‐dessus.

Ce tube est refroidi par un flux d'air sur ses surfaces intérieures et extérieures. Les valeurs de

convection sont données dans le tableau ci‐dessous.

Liste de calculs effectués

Modèle Spécificité Temp cooling (°C) HTC cooling (W/m2K)

Assemblage entier Calculs pour

différentes conditions de refroidissement

5 8000

5 6000

5 4000

Tube support

300μm 20 (in & out) 50 (in & out)

400μm 20 (in & out) 50 (in & out)

600μm 20 (in & out) 50 (in & out)

Résultats

Calculs avec tube titane Ci‐dessous (Fig. 4) est présenté le résultat graphique d'un calcul. C'est une coupe transversale au

milieu de la longueur du stave lorsque il est irradié et refroidit par une convection à 8000W/m2K et

5°C. On y voit clairement les zones de températures, de la plus froide en bleu à la plus chaude en

rouge.

La Figure 5 représente la pièce en Silicium modélisant un détecteur après une irradiation à

4000W/m2K et 5°C.


Figure 4 . Coupe du stave avec son flex pour un refroidissement avec HTC=8000W/m2K

Le température maximale sur le stave se retrouve à nouveau sur le flex, elle est de 34.9°C avec un

minimum de 5.2°C sur l'intérieur du tube titane.

Figure 5 . Distribution de température sur la pièce Silicium aprés irradiation accompagnée d'un refroidissement de 4000W/m2K et 5°C.

Les résultats représentés ci‐dessus correspondent respectivement au meilleur et au pire cas de

refroidissement considéré. Ainsi il est clair que le détecteur lui même ne verra pas ‐ à moins d'une

défaillance du système de refroidissement ‐ de température assez élevé pour le dégrader.

Résultats tabulés Les résultats présentés graphiquement ci‐dessus sont tabulés dans le tableau ci‐dessous.


Refroidissement Stave entier Détecteur Silicium

HTC (W/m2K)

T° (°C) T Max (°C) T Min (°C) T Max (°C) T Min (°C)

8000 5 34.9 5.23 25.3 22.2

6000 5 36.6 5.31 27.1 23.9

4000 5 40.1 5.47 30.5 27.4

Calculs sur tube support La figure ci‐dessous présente les résultats visuel d'un calcul sur un tube support de 300μm. Le

tableau qui suit résume les résultats pour plusieurs épaisseurs.

Figure 6 . Résultats pour un tube de 300μm d'épaisseur

Epaisseur (μm) T Max (°C) T Min (°C)

300 41.5 30

400 48.5 35

600 63.1 40

Ces résultats montrent l'effet notable de l'épaisseur de carbone sur la température du tube, ce qui

s'explique par le fait que le dépôt d'énergie se fait en fonction de la densité de matière. Ainsi il est

clair que ‐ sans négliger la stabilité mécanique de l'ensemble ‐ il est nécessaire d'utiliser le support

carbone le plus fin possible.

Remarques et conclusion Ces calculs sont menés sur un modèle simplifié, par définition les résultats sont donc approximatifs.

Néanmoins ils offrent une base sur laquelle les décisions sont fondées au niveau du refroidissement

et de la logistique expérimentale.

Ainsi plusieurs conclusions s'imposent:

Zone irradiée (700μm)


Un tube de refroidissement contenant de l'eau a 5°C semble être une solution efficace pour éviter de dépasser le plafond de 40°C.

L'idéal serait de souffler de l'air dans et sur le tube carbone de support afin de maximiser le transfert de chaleur.

Certaines remarques sont importantes:

La convection sur la surface du stave n'est pas prise en compte dans le calcul, signifiant que le refroidissement pourrait être meilleur que celui observé dans ces calculs.

Un calcul d'élément finis regroupant de la thermique simple ainsi que de la CFD (Computational Fluid Dynamics) est fortement conseillé afin d'observer les effets d'un flux d'air sur la surface du stave.

Les résultats donnés dans ce document proviennent de calculs sur l'état stationnaire du système thermique. Or le dépôt d'énergie se faisant instantanément il est possible que l'inertie thermique des composants empêche un refroidissement aussi rapide. Ainsi un calcul en régime transitoire est nécessaire afin d'observer les probables pics de température.


Annexe 2 – Simulation par éléments finis sondes de températures et auto‐échauffement

Investigations faites par W. Seez et D. Ferrère

Modélisation Une calcul par éléments finis a été effectué sur une sonde JT Thermistor collée au tube carbone de

support et raccordée à deux cables de cuivre. La modelisation est présentée ci‐dessous.

Couche de colle

(0.050mm).

Surface inférieure fixéeà 30 ou 40°C

Film Kapton(0.5mm

d’épaisseur).

Encapsule la sonde à

proprementparlé

Cable.

Cable en cuivre(ø=0.3mm)

recouvert d’un film Kapton(0.025mm)

Sonde.

En Alloy 42, 0.17mm

d’épaisseur

Sonde(partie en Alloy 42)


La partie centrale de la sonde, surlignée en rouge, correspond à la zone dont la variation de

résistance renseigne sur une variation de température. Ainsi c'est la zone à surveillée dans les

résultats de calcul.

De façon similaire à ce qui a été fait pour le stave et son tube support, les densités des matériaux ont

été utilisées pour évaluer la puissance appliquée au volume de chaque partie du modèle, en

considérant une dose de 4.2W/g.

Quatre conditions de fonctionnement sont étudiées, deux cas pour une température de 40°C sur le

tube: 5W/m2K et 50W/m2K de convection. Ainsi que deux cas pour une température imposée de 30°c

(convection de 5 et 50 W/m2K). De plus une condition fixe de 20°C est imposée en bout de cable,

cette partie n'étant pas dans la zone d'irradiation.

Résultats Le résultat important de ce calcul est la température sur la zone sensible de la sonde. Ainsi une

exemple graphique de résultats est présenté ci‐dessous ainsi qu'un regroupant des résultats pour

différentes conditions de fonctionnement.

Materiau Utilisation k (W/mK) Densité (g/cm3)

Puissance appliquée au corps (W/m3)

Puissance appliquée au corps (W/mm3)

Alloy 42 Partie fonctionelle de la

sonde 11 8.11 3.41E+07 3.41E-02

Cuivre Cable 400 8.96 3.76E+07 3.76E-02

Kapton Encapsulation de la sonde et du cable

0.15 1.54 6.47E+06 6.47E-03

Epoxy 2011 Colle entre flex et face

plate 0.1 1.05 4.41E+06 4.41E-03


Figure 6 ‐ Distribution de température sur l'extrémité sensible de la sonde (40°C sur le tube, 50W/m2K de convection)

Température du tube support (°C)

HTC (W/m2K) Température de la partie sensible (°C)

Delta T (°C)

30 5 47 17

50 39 9

40 5 57 17

50 48 8

Ainsi le delta de température entre la valeur que devrait mesurer la sonde et la valeur qu'elle ressent

semble varier avec le coefficient d'échange thermique et non la température de référence

(=température du tube support=température imposée dans le calcul). Pour un coefficient d'échange

de 5W/m2K le delta est d'environ 17°C alors que pour 50W/m2K il semble être aux alentours de

10°C.

Un calcul a aussi été effectué sur une sonde qui se serait décollée de la stave. Ainsi le seul facteur de

refroidissement face à l'échauffement par irradiation est la convection naturelle.

La température sur la partie active de la sonde est alors:

Pour h=50W/m2K: 103°C

Pour h=5W/m2K: 690°C

Ainsi une augmentation radicale de la température sera un témoin relativement précis du

décollement d'une sonde. De plus il faut noter que dans le cas d'une faible convection naturelle la

sonde risque de ne plus fonctionner et d'être détruite.


Conclusion Les valeurs calculés sont indicatives et ne sont en aucun cas exactes, cependant il sera nécessaire,

lors de l'irradiation, de soustraire entre 10et 20°C aux valeurs mesurées à l'aide la sonde.

Aussi, en cas de décollement d'une sonde, celle ci indiquera une température de plus de 100°C et

risque d'être détruite.

spécifications pour irradiations d’un stave ibl avec un...

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