Aspects de l'utilisation de fluides fluorocarbures saturées dans la physique des hautes énergies - Archive ouverte HAL
Habilitation À Diriger Des Recherches Year : 2011

Aspects of the use of saturated fluorocarbon fluids in high energy physics

Aspects de l'utilisation de fluides fluorocarbures saturées dans la physique des hautes énergies

Abstract

The excellent dielectric properties of saturated (CnF(2n+2)) fluorocarbons have allowed their use in direct immersion liquid cooling of electronics, including the Cray series of supercomputers, and as heat transfer media in vapour phase soldering and burn-in testing of electronics. Their high UV optical transparency, non-flammability and non-toxicity have led to their use as liquid and gas radiator media for Cherenkov detectors: such fluids have been used as liquid and gaseous radiators in numerous particle physics and astroparticle physics experiments.The systems used to circulate and purify fluorocarbon Cherenkov radiator fluids often rely on thermodynamic cycles similar to those of the refrigerants recently developed to replace chlorofluorocarbons. Since such new refrigerants are designed to disintegrate under UV exposure in the upper atmosphere, they are correspondingly not radiation-resistant, and cannot be used for direct cooling of particle detectors in demanding radiation environments, such as at the CERN Large Hadron Collider. However the pure saturated fluorocarbon molecules are extremely radiation resistant due to the presence of only single C-F bonds. Their use as evaporative refrigerants was pioneered at CPPM for the ATLAS pixel detector and has been chosen for the cooling of all the silicon detectors in the experiment, and also for cooling the semiconductor vertex detectors of the ALICE and TOTEM experiments at LHC. These fluids are also used as liquid phase cooling fluids in ATLAS and CMS. The evaporative mode exploits the latent heat or enthalpy of vaporization, allowing the circulation of a lower coolant mass than in a monophase cooling system of the same refrigerative capacity. Coupled with the lower fluorocarbon viscosity - compared with aqueous antifreeze-based coolants - this permits the use of narrower delivery tubing to the detectors, resulting in a smaller '%X0'contribution to the detector material budget. Ultrasonic techniques for the vapour phase analysis of fluorocarbon Cherenkov radiators were developed as an alternative to UV refractometry for the SLD Cherenkov Ring Imaging Detector at the Stanford Linear Accelerator Center during the 1980s. Subsequently the technique has been used in many other Ring Imaging Cherenkov Detectors and also in the petro-chemical industry and for MOCVD (metal organic chemical vapour deposition) manufacture of semiconductors. The technique has also been demonstrated to have possible application in the vapour phase analysis of gas mixtures used in clinical anesthesia. Such vapour phase analysis techniques are again under evaluation for the possible cooling of the upgraded ATLAS silicon tracker. The work of the author related to various applications of these versatile fluorocarbon fluids is discussed in this memoire.
Les excellentes propriétés diélectriques des fluides fluorocarbures saturées (" SFCs " ; de forme CnF(2n+2)) on permis leur utilisation comme fluides caloporteurs pour le refroidissement par immersion directe de l'électronique, par exemple, de la série de supercomputers Cray. Ces fluides sont aussi utilisées comme milieu pour le transfert de chaleur dans les processus de soudure " non-contact " en phase vapeur et pour le déverminage des circuits électroniques dans une atmosphère uniforme à température élevée. Leurs grandes transparences aux ultraviolets, leur ininflammabilité et non-toxicité ont aussi permis leur utilisation comme radiateurs pour les détecteurs de rayonnements Tcherenkov ; ces fluides ont aussi servies comme radiateurs liquides et vapeurs dans nombreuses expériences en physique des particules et physique des astroparticules. Les systèmes de circulation des fluides fluorocarbures empruntent souvent des cycles thermodynamiques similaires à ceux qui sont utilisés pour les fluides frigorifiques récemment développées pour remplacer des fluides CFC (chlorofluoro- carbures). Cependant, ces nouveaux fluides sont conçus pour pouvoir se désintégrer facilement sous l'irradiation ultraviolette stratosphérique ; ils ne sont pas résistants aux radiations ionisantes, et ne peuvent donc pas être utilisés pour le refroidissement direct des détecteurs dans un environnement radioactif très important comme, par exemple, dans les expériences auprès du collisionneur LHC au CERN. Les molécules de SFC pures sont par contre extrêmement résistantes aux radiations grâce à la présence de liaisons simples de type C-F. Leur utilisation comme fluides caloporteurs en régime évaporatif a été proposé et développé au CPPM pour le détecteur à pixels de l'expérience ATLAS au LHC. Plus tard, cette technique a été choisie aussi pour tout le trajectographe silicium de l'expérience ATLAS, ainsi que pour les trajectographes silicium des expériences ALICE et TOTEM au LHC. Les expériences ATLAS et CMS utilisent aussi les SFCs comme fluides caloporteurs sous forme liquide. Le régime évaporatif exploite la chaleur latente de vaporisation et permet la circulation d'une masse moins importante de fluide que dans un système fonctionnant sous forme liquide. Grâce à une viscosité moins importante que celles de fluides caloporteurs à base de glycol-eau, une tuyauterie plus légère de diamètre réduit est possible, ce qui diminue - par conséquence - le bilan '%X0' du trajectographe.Une technique ultrasonique pour l'analyse des mélanges de vapeurs SFC a été développée comme alternative à la réfractométrie UV pour les radiateurs Tcherenkov du détecteur SLD-CRID (" Cherenkov Ring Imaging Detector " : détecteur de rayonnement Tcherenkov par focalisation en anneau) à SLAC (Stanford Linear Accelerator Center, Californie, USA) pendant les années 1980. La technique a été utilisée plus récemment dans plusieurs détecteurs de rayonnement Tcherenkov, et a aussi trouvé des applications dans l'industrie pétrolière et dans la fabrication des semiconducteurs par le processus MOCVD (" Metal-Organic Vapour Deposition ; fabrication par la déposition des vapeurs métallo-organiques). Cette technique a aussi démontré une sensibilité suffisante pour être utilisée dans l'analyse des mélanges de gaz utilisés dans l'anesthésie. L'analyse des mélanges de vapeur par ultrasons est aujourd'hui sous évaluation pour le refroidissement du trajectographe ATLAS par mélanges de fluides SFCs. Le travail de l'auteur dans plusieurs domaines d'application des ces fluides versatiles constitue le sujet de ce mémoire.
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tel-00592091 , version 1 (11-05-2011)

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  • HAL Id : tel-00592091 , version 1

Cite

G.D. Hallewell. Aspects de l'utilisation de fluides fluorocarbures saturées dans la physique des hautes énergies. Physique des Hautes Energies - Expérience [hep-ex]. Université de la Méditerranée - Aix-Marseille II, 2011. ⟨tel-00592091⟩
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