Thèse soutenue

Modélisation du refroidissement CO2 du détecteur à pixels ITk dans ATLAS

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Auteur / Autrice : Pierre Barroca
Direction : Stéphane JézéquelJessica Levêque
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Physique appliquée
Date : Soutenance le 30/09/2019
Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble, Isère, France ; 1991-....)
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Annecy-le-Vieux de physique des particules
Jury : Président / Présidente : Lucia Di Ciaccio
Examinateurs / Examinatrices : Florian Bauer, Fabienne Ledroit-Guillon, Andrea Venturi
Rapporteurs / Rapporteuses : Gregory Hallewell, Giovanni Calderini

Mots clés

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Résumé

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Le programme scientifique du Grand Collisionneur de Hadrons (LHC) du CERN a été étendu à la période 2026-2037 pour augmenter le nombre total de collisions de paires de protons d’un ordre de grandeur. Pour que les détecteurs fonctionnent encore dans les conditions extrêmes imposées, le détecteur interne d’ATLAS va être remplacé par un nouveau (ITk) qui utilisera les dernières technologies de détecteur silicium. Une d’elles sera le refroidissement CO2 diphasique circulant dans des tubes en titane liés aux détecteurs silicium par une structure porteuse. Le choix du CO2 provient de ses très bonnes propriétés thermiques.Les effets des radiations sur les détecteurs seront importants. La conception de la structure porteuse dans ces conditions nécessite une bonne compréhension du comportement du CO2 diphasique circulant dans des tubes titanes ainsi qu’une modélisation précise des échanges de chaleur à travers cette structure. Néanmoins, les données disponibles sur le comportement du CO2 dans des tubes de diamètre inférieur à 3 mm restent limitées et sont souvent associées à de larges incertitudes. Cela impose aux concepteurs d’inclure de grands facteurs de sécurité et de valider les performances sur plusieurs versions de design. Des modèles du CO2 plus précis éviteraient ces tâtonnements.Le document de thèse commence par une rapide description du programme d’upgrade du détecteur ATLAS et une revue des fondamentaux du refroidissement diphasique qui est largement utilisé dans les détecteurs de Physique des Particules puis une discussion sur les contraintes thermiques spécifiques au détecteur Pixel d’ATLAS. Plusieurs outils ont été développé en langage python pour guider la conception et l’optimisation d’un tel système de refroidissement : simulation du coefficient de transfert de chaleur (HTC) et perte de pression le long des évaporateurs et calcul des besoins thermiques.Dans la deuxième partie, le manuscrit présente le banc qui a servi à mesurer les performances thermiques de prototypes avec leurs simulations utilisant la méthode des Éléments Finis (FEA) et une modélisation des coefficients de transfert de chaleur (HTC). Une méthode originale d’ajustement a été utilisée pour transformer les résultats des mesures thermiques en mesure des paramètres de base des éléments du détecteur ITk ( conductivité thermique des composants, variabilité de la production, HTC,...). Les résultats sont comparés aux modèles CO2 actuels et les incompatibilités sont discutées. Un nouveau lot de paramètres pour le modèle CO2 a été calculé permettant de réduire d’un facteur deux les incertitudes sur les valeurs de HTC dans les conditions de de fonctionnement de l’ITk. Le document se conclut avec une présentation de l’impact de ces résultats sur la conception du détecteur Pixel.