[HDR] Aspects de l’utilisation de fluides fluorocarbures saturées dans la physique des hautes énergies

par Dr Gregory Hallewell (Centre de Physique des Particules de Marseille)

mardi 15 févr. 2011, 14:00 → 18:00 Europe/Paris

Amphithéatre (CPPM)

Les excellentes propriétés diélectriques des fluides fluorocarbures saturées (« SFCs » ; de forme CnF(2n+2))  ont permis leur utilisation comme fluides caloporteurs pour le refroidissement par immersion directe de l’électronique, par exemple la série de supercomputers Cray. Ces fluides sont aussi utilisées comme média 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. Leur grande transparences aux ultraviolettes, in-inflammabilité et non-toxicité ont permis leur utilisation comme radiateurs pour les étecteurs de rayonnements Tcherenkov ; ces fluides ont 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 comme remplaçants des fluides CFC (chloro-fluoro-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 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 évaporatoire 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 en forme liquide. Le régime évaporatoire 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 réduite 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 développé comme alternative à la réfractométrie UV pour les radiateurs Tcherenkov de détecteur SLD-CRID (« Cherenkov Ring Imaging Detector » : détecteur de rayonnement Tcherenkov par focalisation en anneau) au SLAC (Stanford Linear Accelerator Center, Californie, USA) pendant les années 1980s. 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 semi-conducteurs 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’analyser les 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.