[論文レビュー] Air cooling for Vertex Detectors

A. Oyanguren|arXiv (Cornell University)|Feb 28, 2012

Particle Detector Development and Performance参考文献 1被引用数 7

ひとこと要約

本論文では、デュアルエレクトロニクスフォトドイオン（DEPFET）ピクセルセンサーを頂点検出器で冷却するための低材料費で効果的な方法として、冷却ラダー間の強制対流による冷たい空気を用いた空冷技術を提案している。この手法により、温度勾配と消費電力の低減が達成された。技術はセンサー温度を約15°C低下させ、最大温度差を18°Cから8°Cにまで低減し、散乱材料を追加することなく、トラッキング分解能の向上を実現した。

ABSTRACT

The vertex detectors are crucial detectors for future linear e+e- colliders since they must give the most accurate location of any outgoing charged particles originating from the interaction point. The DEPFET collaboration is developing a new type of pixel sensors which provide very low noise and high spatial resolution. In order to precisely determine the track and vertex positions, multiple scattering in the detector has to be reduced by minimizing the material in the sensors, cooling, and support structures. A new method of cooling by blowing air over the sensors has been developed and tested. It is applied in the design and construction of the Belle-II detector and may be used in the new generation of vertex detectors for linear colliders.

研究の動機と目的

• 多重散乱と熱的勾配を最小限に抑える低材料費の冷却ソリューションの開発。
• 高性能DEPFETピクセルセンサーにおいて、従来の冷却方法の代替として空冷の実用可能性の検証。
• 実際の消費電力条件下での空冷ラダーの熱的均一性と機械的安定性の検証。
• ILCなどの線形 $e^{+}e^{-}$ コライダー向け将来の頂点検出器の設計を支援するため、空冷とCO2冷却を組み合わせた手法の導入。

提案手法

• 熱的および機械的性能を最適化したCL 20ESステンレス鋼を用いた3D焼結冷却ブロックを用いて、熱・機械的モックアップを製作した。
• ダミーラダーに埋め込まれたヒーターおよび抵抗性シリコン試料を用い、センサーの消費電力を模擬して、冷たい空気および窒素ガスを吹き付けた。
• 赤外線カメラ（ThermaCAM SC500）およびPT100プローブを用いて温度分布を測定し、正確な測定値を得るための放射率補正を施した。
• CO2を用いて冷却ブロックを約-30°Cまで冷却した一方、液体窒素ドゥアーを用いて空気を約-10°Cまで冷却した。
• さまざまな空気流量および冷却ブロック温度条件下で、熱的均一性と温度勾配を評価した。
• 変位容量センサーを用いて、空気対流に起因する振動効果をモニタリングし、機械的安定性を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 冷却ブロックを冷却しない状態でも、空冷がDEPFETピクセルラダーの温度勾配を効果的に低減できるか？（材料予算の増加は最小限に）。
• RQ2 強制空気対流はCO2冷却と比較して、温度低下および均一化の観点でどの程度優れているか？
• RQ3 空気対流が検出器ラダーの機械的安定性および振動に与える影響は？
• RQ4 空冷単体またはCO2冷却と組み合わせた場合、ILCおよびBelle-II向け頂点検出器に必要な熱的性能を満たすことができるか？
• RQ5 空冷条件下におけるラダーに沿った最大温度差はどの程度であり、10°C未満に抑えることができるか？

主な発見

• 冷却ブロックを冷却しない状態でも、空気対流冷却によりセンサー温度が約15°C低下した。
• 空気対流の導入により、ラダーに沿った最大温度勾配は18°Cから8°Cにまで低下し、熱的均一性が顕著に向上した。
• CO2冷却と組み合わせた場合、センサー温度は室温未満まで低下し、センサー領域に沿った最大温度差は約10°Cにまで低下した。
• スイッチング領域の温度も空気対流により室温未満に低下し、一貫した冷却性能が確認された。
• 空気対流に起因するラダー中央部の最大変位はわずか4 µmであり、大振幅の振動はなく、良好な機械的安定性が示された。
• 低空気流量でも空冷法が有効であることが確認され、低消費電力・低材料費の頂点検出器設計に実現可能性が示された。