Тема доклада Опыт длительной эксплуатации автоматизированной системы охлаждения электромагнитного калориметра PHOS в эксперименте ALICE А.В. Курякин 1, Ю.И. Виноградов 1, Н.В. Завьялов 1, В.Т. Пунин 1, С.Т. Назаренко 1, Д.В. Будников 1, А.В. Мамонов 1, С.В. Фильчагин 1, А.Д. Тумкин 1, О.П. Вихлянцев 1, А.Н. Вьюшин 1, С.А. Садовский 2, Ю.В. Харлов 2, М.Ю. Боголюбский 2 1 Российский Федеральный Ядерный Центр - Всероссийский Научно-Исследовательский Институт Экспериментальной Физики (РФЯЦ ВНИИЭФ), Россия, Нижегородская обл., г. Саров, ул. Проспект Мира, д. 37, , 2 Государственный научный центр Российской Федерации Институт физики высоких энергий (ГНЦ ИФВЭ) Кратко описана система охлаждения и термостабилизации спектрометра фотонов PHOS эксперимента ALICE и опыт ее эксплуатации в экспериментах на встречных протонных и ионных пучках на Большом Адронном Коллайдере. Система отработала более 20 месяцев в непрерывном режиме, обеспечивая необходимую рабочую температуру кристаллов -25°C и её высокую стабильность ±0.1°C.

CERN, LHC, ALICE крупнейший в мире ускорительный комплекс ALICE CMS LHC tunnel ATLAS LHCb Geneve Swiss

Спектрометр PHOS в эксперименте ALICE Общий вид экспериментальной установки ALICE в шахте UX25, на глубине ~50 м. Цель эксперимента ALICE – изучение фундаментальных свойств материи на встречных пучках p-p и Pb-Pb с полной энергией до 14 ТэВ. PHOS магнит L3

Внешний вид PHOS Система Охлаждения PHOS Разработка ВНИИЭФ PHOS в магните L3 PHOS – один из немногих проектов в CERN, где ведущую роль играет Россия Матрица PWO 64×56

PHOS: 3 модуля ( возможно до 5 ). 3 модуля канала. Один модуль содержит: 64×56=3584 кристаллов. Конструкция спектрометра PHOS механическая конструкция и сборка выполнена силами ВНИИЭФ Кристалл: PWO (PbWO 4 ) Общий объем PWO: 0.93 м 3 Общий вес PWO: 7.5 т Сборочная ед.: линейка 8×2 Герметичный корпус Рабочая температура -25°C Панель охлаждения

Энергетическое разрешение PHOS Одной из критически важных характеристик спектрометра PHOS является энергетическое разрешение ΔE/E. Для выполнения условий эксперимента надо ΔE/E=1 % при высоких E. Спектр π 0 на тестовом пучке SPS Измеренная кривая разрешения ΔE/E

Кристаллы PWO Что надо для достижения разрешения ΔE/E = 1 % ? Внешний вид кристаллов PWO с предусилителем на торце График зависимости световыхода кристаллов PWO от температуры Рабочая температура -25°C, коэффициент -2.3 % на 1°C. Требования по точности стабилизации ± 0.1°C.

СОТС - Система охлаждения и температурной стабилизации PHOS Блок ELMB Фальшпол Холодильный агрегат 2000×800×1400 мм 600 кг 4 компрессора, 7.2 кВт, фреон R404A Насосная станция 2000×800×1400 мм 600 кг Теплоноситель: C 6 F 14 Магистральный трубопровод 20 м, 40 мм Модуль 2 Модуль 3 Модуль 4 2 насоса, 1.5 кВт, 2.5 Bar, 90 л/мин Магнит L3 CAN BUS 4 компрессора 2 насоса бортовой компьютер 12 модулей I карт ELMB

Схема принципиальная гидравлическая системы охлаждения

АСУ для СОТС : 175 каналов регистрации, 20 – управления Холодильный агрегат в шахте UX25 alidcscom252 DIM server AliPhosCool alidcscom072 DIM client PVSS II PVSS GUI PVSS II Управляющий компьютер в CR3 Ethernet, PVSS DIM client AliPhosCool WEB client IExplorer DIM HTTP Электронный блок управления Ethernet, DIM RS-232/485 Блок ТРВ TCP/IP Блок температурных измерений PWO, FEE Насосная станция Электронный блок управления RS-485 Блок ELMB 6 × ELMB CAN BUS SOFT:Control: AliPhosCool (CRW-DAQ); GUI: PVSS II SCADA (ETM) HARD:12×I-7000 (ICP-DAS), 6×ELMB (CERN), EC3-X33 (ALCO), NISE 3100 (NEXCOM) NET:DIM, PVSS, HTTP, TCP/IP, RS-232/485, CAN BUS Разработка ВНИИЭФ

Управляющая программа AliPhosCool Создана во ВНИИЭФ для управления СОТС Разработана в инструментальном пакете CRW-DAQ Разработка ВНИИЭФ За 20 месяцев работы не было сбоев по вине СОТС

Алгоритм стабилизации температуры Время, минут Температура T 1, ° C Принцип стабилизации температуры состоит в периодическом включении и отключении компрессоров по сигналу обратной связи от датчика T 1, измеряющего температуру теплоносителя, идущего к охлаждаемым модулям детектора. Система имеет 6 настроечных параметров: целевую температуру стабилизации теплоносителя T stab, температурный коридор регулирования T, минимальное N min и максимальное N max число рабочих компрессоров, температура T overheat перегрева ТРВ и давление P 1 фреона в нагнетательном коллекторе. Алгоритм работает следующим образом. Когда температура T 1 контрольного датчика выше порогового значения T on =T stab +T, то включается N max компрессоров и начинается охлаждение теплоносителя. При понижении T 1 ниже порога T off =T stab -T работает N min компрессоров и теплоноситель отепляется. В результате возникает устойчивый динамический цикл регулирования, период которого зависит от коридора T.

Обзорный график температуры матрицы PWO 2 в Температура кристаллов PWO в модуле 2,° C Время от :00:00 Дней Охлаждение, 9 дней Стабилизация при -25°C в сеансе 2009/2010 Техническое обслуживание Стабилизация при -25°C в сеансе 2011 Временные отключения FEE электроники Аварийные остановки

Гистограммы распределения температуры PWO в сеансах на LHC в 2009/2010 и 2011 году Гистограммы распределения значений температуры кристаллов PWO модуля 2 в сеансе 2009/2010 года (слева) и в сеансе 2011 года (справа) Cчет в каждом канале гистограммы равен времени в минутах, в течение которого температура имела значение в диапазоне, соответствующем этому каналу Сеанс 2009/2010: ± 0.07 °C Сеанс 2011: ± 0.04 °C 2010 г.2011 г.

Относительное время работы X(ΔT) в зависимости от температурного коридора ΔT (модуль 2) ΔT,°C X( Δ T), % Сеанс 2010 Сеанс 2011 X(ΔT) показывает долю времени в процентах от общего, в течение которого температура выходила за интервал T mean ±ΔT, а величина 100 X(ΔT) – долю времени в процентах, в течение которого температура входила в интервал T mean ±ΔT. На графиках видно, что более 90% времени работы кристаллы PWO в модуле 2 имели температуру, не выходящую за коридор ± 0.12°C в сеансе 2009/2011 года и ± 0.07°C в сеансе 2011 года.

График средней за сутки загрузки компрессоров, в % от максимальной Время от :00:00 Дней Техническое обслуживание Сеанс 2010 года Сеанс 2011 года Охлаждение и настройка Загрузка компрессоров, % от макс. Загрузка росла с коэффициентом 11 % в год

График разности температур dT=T 3 -T 1 на выходе и входе в охлаждаемый модуль Время от :00:00 Дней Разность температур T 3 - T 1,° C Техническое обслуживание Сеанс 2011 года Сеанс 2009/2010 года Разность росла с коэффициентом 0.18°С в год

Выводы Поставленная задача выполнена: 1. Безотказная работа > 20 месяцев 2. Сеанс 2009/2010: ± 0.07 °C 3. Сеанс 2011: ± 0.04 °C Обнаруженные особенности: 1. Рост средней загрузки компрессоров на 11% в год 2. Рост разности температур входа и выхода на 0.18°C в год Возможное объяснение – намокание теплоизоляции из-за конденсации влаги из атмосферы

Спасибо за внимание