２相 CO2 を用いた測定器冷却システムの開発

測定器開発室新規提案

2010/4/20杉本康博

はじめに• 先進的測定器の動向

– 高密度・多チャンネル– デジタイズまで測定器側で行う– 高速化– 放射線耐性– 低物質量化効率的で低物質量の測定器冷却システムの重要性が増大２相 CO2 を用いた測定器冷却システムが注目を集めて

いる

CO2 サイクル• 身近な例：エコキュ

ート

外気

エバポレータ コンデンサ

水

湯コンプレッサ

膨張弁

CO2冷媒サイクル

CO2 サイクル• 冷却に用いると

測定器

エバポレータ コンデンサ

冷水

温水コンプレッサ

膨張弁

CO2冷媒サイクル

CO2 サイクル• コンプレッサーをなくすと

エバポレータ コンデンサ

冷水

温水

減圧

測定器

液送ポンプ

CO2冷媒サイクル

CO2 サイクル• もっと低温（氷点下）にするためには

エバポレータ コンデンサ

冷水

温水

減圧

測定器

液送ポンプ

コンプレッサ

膨張弁

２次冷却サイクルCO2冷媒サイクル

２相冷却のメリット• ２相冷却とは？

– 液体が気体（固体が液体）に変わる際の気化熱（融解熱）を利用した、気液（固液）混合流体による冷却

• メリット– 大きな潜熱を利用するため、少ない流量でＯＫ– 流入熱は相変化にのみ使われるため、温度が一定

• 用いられる冷媒– CnF2n+2 (Per-fluorocarbon: PFC) : ATLAS SCT

– CO2 : AMS tracker, LHCb VELO

CO2 のメリット： PFC と比較して

• 大きな潜熱 少ない流量• 高い圧力 ： 1 MPa (@ −40℃) – 5 MPa (@ 15℃)

– 蒸気の体積が小さい– 配管に沿っての圧力低下に対する温度変化が小さい

細い配管を使うことができ、パイプ + 冷媒のトータルの物質量も少なくてすむ

CO2 C2F6 C3F8

Latent heat@ −40℃ 321 J/g ~100 J/g ~110 J/g

Triple point −56.4℃ −97.2℃ −160℃

Critical point 31.1℃ 19.7 ℃ 71.9 ℃

GWP 1 9200 7000

応用例• すでに使われた例

– AMS tracker– LHCb VELO

• 計画・検討（ R&D ）– SLHC 用測定器– Belle-II バーテックス検出器– ILC 用測定器

• TPC• FPCCD バーテックス検出器

• R&D を行っている主要ラボ– NIKHEF: ~10 年の実績（ポンプ式、 AMS 、 LHCb ）– CERN, FNAL, SLAC （ SLHC 用測定器）

Belle upgrade: 　バーテックス検出器

• バーテックス検出器エレキの冷却– DEPFET pixel detector– Silicon Strip detector (DSSD+APV25)

• 目的– 閉じられた空間で運転するので、冷却はそもそも必要– より低温で運転することによりセンサ（ DEPFET ） / アンプ

（ APV25) からのノイズを減らす。– APV25 は DSSD の上にマウントされる。

PIXEL (R=13 mm)Beam pipe (20 mm Ø)

DSSD (R > 40 mm)

Belle2 VTX: 何をどう冷やすかCooling を兼ねる DEPFET サポート

DSSD ラダーの上に配置された Cooling tubes物質量が少ないことが重要

LC-TPC

• MPGD を搭載した End-plate のエレキを冷却– 1x106ch/side (Pad size ~1mm x 6mm)– 消費電力 ~ 2–4 kW （ power pulsing 5–10 Hz ）– 冷却温度 ~ 常温付近– 温度の一様性が重要– チェンバーガスに熱が伝わらないことが望ましい– ポンプ式 (2 Phase Accumulator Controlled Loop:

2PACL)

Pump

LCTPC

Warm 2PACL very simple• Accumulator is CO2 bottle

@ room temperature• Cold source is cold water

Bottle temperature = Detector temperature

2PACL for LCTPC

Q= 1000 W/sideT= +20ºC

H2O (~12ºC)

CO2 Bottle 1.5L/min

AMS-TTCS was testedin the same way

(Cold test done with bottle outside in winter)

Possible layout of the 6 loops option

Liquid supply ring (~5mm ID)

Vapor return ring (~8mm ID)

Cooling tube (~2.5mm ID)

Inlet capillary (~1mm ID)Restriction for flow distribution

Thermal Test of LCTPCAdvanced Endplate “Dummy”

• FPGA(ADC) emulates digital(analog) current and thermal source.• Thermal test and power pulsing test are the purpose of the board.• CO2 cooling test will be done at NIKHEF (2010 summer),

then at KEK (late 2010).

CO

2 co

olin

g pi

pe

Peak Q~640W/Board 10W with 1.5% duty cycle

Not only cooling power but also

temperature flatness over pad plane is important.

Readout pads

on the other side

R&D の目標• ２相 CO2 を用いた冷却プラントを KEK に構築

– コンプレッサー式とポンプ式の両方– 冷却温度範囲： − 40℃~ 常温– R&D 要素

• 高圧配管• オイルフリーコンプレッサーシステム• 減圧機構• 温度（圧力）コントロール

• 測定器に固有の冷却システムの R&D– Belle2 VTX, LC-TPC への応用– CFRP 配管– PCB に配管を通す– ………

• 構築された冷却プラントは各種の測定器の冷却システム開発に供用• ＫＥＫに技術・ノウハウを蓄積

おおまかな計画• 2010 年度

– ポンプ式の冷却サイクルの構築– コンプレッサー式冷却サイクルの設計

• 2011 年度～ 2012 年度– コンプレッサー式冷却サイクルの構築– 測定器側の冷却システムの R&D

提案グループ• KEK: 　藤井恵介 * 、杉本康博、坪山透、与那嶺亮• 長崎総合科学大学 : 　房安貴弘• 佐賀大学 : 　杉山晃• 東北大学 : 　板垣憲之助、釜井大輔、斉藤智行、田窪洋介

• コンサルタント：　 KEK: 春山富義

* : 代表者 Belle VTXLC-TPC

LC FPCCD VTX……………

+ KEK 低温グループ

最後に一言• エンジニアリング開発はセンサー開発と同様に重要

（例１）　バーテックス検出器の Impact Parameter Resolution: 　　　　　　　　　 IP = a ⊕ b/psin3/2

– a: センサーの分解能で決まる– b: ラダー等のセンサーの支持構造体による多重散乱が寄与

（例２）　コライダー実験のカロリーメータのエネルギー分解能　　 E = a / SQRT(E) ⊕ b

　衝突点とカロリメータの間の物質量を極力抑えないとカロリメータ単体の分解能は出ない　（ LC-TPC の end plate の目標値： 15%X0

backup

p-H 図

Enthalpy

Liquid Vapor

2-phase

Enthalpy

Liquid Vapor

2-phase

CO2 p-H

Belle2 VTX

• R&D の後、 CO2 冷却が出来ないことが分かっても、水冷却が Backup として残っている。

• CO2 冷却が実現すれば、– 物質量を減らす– 運転温度を下げる

• ことで、 Belle2 の物理性能を向上させることが出来る。– その gain が１％だとしても、全体の予算を考えると、試す意味がある。