[논문 리뷰] Air cooling for Vertex Detectors

A. Oyanguren|arXiv (Cornell University)|2012. 02. 28.

Particle Detector Development and Performance참고 문헌 1인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 저소재, 고성능의 공기 냉각 기법을 제안하여 래프터형 DEPFET 픽셀 센서의 온도 기울기와 전력 소산을 줄이기 위해 래프터 간 강제 대류를 이용한 공기 냉각을 제시한다. 이 기법은 센서 온도를 약 15°C 낮추고 최대 온도 기울기를 18°C에서 8°C로 감소시켜 산란 물질을 추가하지 않고도 향상된 추적 해상도를 가능하게 했다.

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.

연구 동기 및 목표

• 다중 산란을 최소화하고 열 기울기를 줄이는 저소재 냉각 솔루션을 개발하기 위해.
• 고성능 DEPFET 픽셀 센서에서 전통적인 냉각 방법의 대안으로 공기 냉각의 실현 가능성을 시험하기 위해.
• 실제 전력 소산 조건에서 공기 냉각된 검출기 래프터의 열 균일성과 기계적 안정성을 검증하기 위해.
• ILC와 같은 선형 $e^{+}e^{-}$ 충돌기용 미래 래프터 검출기 설계를 지원하기 위해 공기 냉각과 CO2 냉각을 조합한 방법을 활용하기 위해.

제안 방법

• 열 및 기계적 성능 최적화를 위해 CL 20ES 스테인리스 스틸로 3D-sintered된 냉각 블록을 사용한 열-기계적 모의 장치를 제작하였다.
• 냉각 블록에 히터와 저항성 실리콘 샘플을 내장한 모의 래프터에 냉각 공기 및 질소 기체를 뿌려 센서의 전력 소산을 시뮬레이션하였다.
• 적외선 카메라(ThermaCAM SC500)와 PT100 프로브를 사용해 온도 프로파일을 측정하였으며, 정확한 읽기를 위해 방사율 보정을 적용하였다.
• CO2를 사용해 냉각 블록을 약 -30°C로 냉각하였고, 액체 질소 드워어를 이용해 공기를 약 -10°C로 냉각하였다.
• 다양한 공기 유량 조건과 냉각 블록 온도에서 열 균일성과 온도 기울기를 평가하였다.
• 이완형 센서를 이용해 공기 유동에 의한 진동 영향을 모니터링하여 기계적 안정성을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 냉각 블록을 냉각하지 않은 상태에서 공기 대류 냉각이 DEPFET 픽셀 래프터의 온도 기울기를 효과적으로 감소시킬 수 있는가? 이때 추가적인 소재 예산이 크게 증가하지 않는가?
• RQ2 강제 대류 공기 냉각이 CO2 냉각에 비해 온도 저감 및 균일성 향상 측면에서 어떻게 비교되는가?
• RQ3 공기 유동이 검출기 래프터의 기계적 안정성과 진동에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 공기 냉각이 단독으로 또는 CO2 냉각과 조합되어 ILC 및 Belle-II용 래프터 검출기에서 요구되는 열 성능을 충족시킬 수 있는가?
• RQ5 공기 냉각 조건에서 래프터 길이 방향 최대 온도 기울기는 얼마이며, 10°C 이하로 유지될 수 있는가?

주요 결과

• 냉각 블록을 냉각하지 않은 상태에서 공기 대류 냉각은 센서 온도를 약 15°C 낮추는 데 성공하였다.
• 공기 유동 조건에서 래프터 길이 방향 최대 온도 기울기는 18°C에서 8°C로 감소하여 열 균일성이 크게 향상되었다.
• CO2 냉각과 조합했을 경우 센서 온도는 실온 이하로 내려가며, 센서 영역의 최대 온도 기울기는 약 10°C로 유지되었다.
• 스위처 영역의 온도 역시 공기 유동으로 인해 실온 이하로 낮아져 일관된 냉각 성능을 보였다.
• 공기 유동에 의한 래프터 최대 이동 거리는 중심 영역에서 단지 4 µm에 그쳐 큰 진폭의 진동이 없고 기계적 안정성이 양호함을 나타냈다.
• 낮은 공기 유속에서도 공기 냉각 기법이 효과를 발휘하여 저전력, 저소재 래프터 검출기 설계의 실현 가능성을 뒷받침하였다.