Computational study of the thermal performance of the 2S detector modules for the CMS Tracker Phase-2 Upgrade

Κολιάτος, Αλέξανδρος; Koliatos, Alexandros

dc.contributor.author	Κολιάτος, Αλέξανδρος	en
dc.contributor.author	Koliatos, Alexandros	el
dc.date.accessioned	2018-12-19T11:28:03Z
dc.date.available	2018-12-19T11:28:03Z
dc.date.issued	2018-12-19
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/48271
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.9042
dc.description	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο--Μεταπτυχιακή Εργασία. Διεπιστημονικό-Διατμηματικό Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών (Δ.Π.Μ.Σ.) “Εφαρμοσμένη Μηχανική”	el
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/gr/	*
dc.subject	Ανιχνευτική μονάδα	el
dc.subject	Θερμική ανάλυση	el
dc.subject	Σύνθετα υλικά με ίνες άνθρακα	el
dc.subject	Αναβάθμιση του πειράματος CMS	el
dc.subject	Ανιχνευτής τροχιών	el
dc.subject	CERN	en
dc.subject	Thermal analysis	en
dc.subject	Carbon fiber reinforced polymers	en
dc.subject	CMS Tracker Upgrade Phase 2	en
dc.subject	2S silicon modules	en
dc.title	Computational study of the thermal performance of the 2S detector modules for the CMS Tracker Phase-2 Upgrade	en
heal.type	masterThesis
heal.secondaryTitle	Υπολογιστική μελέτη της θερμικής συμπεριφοράς των 2S ανιχνευτικών μονάδων για την αναβάθμιση στη φάση-2 του ανιχνευτή τροχιών του πειράματος CMS	el
heal.classification	APPLIED MECHANICS	en
heal.classification	ΕΦΑΡΜΟΣΜΕΝΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ	el
heal.language	en
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2018-10-22
heal.abstract	For the LHC upgrade, the CMS detector needs to be substantially upgraded during LS3 in order to exploit the increase in luminosity, provided by the HL-LHC. This will increase the track density and rate within the particle detectors, which means that especially the CMS Tracker and its components have to meet stronger requirements regarding radiation hardness of the used materials and a sufficient cooling of the silicon sensor modules. This thesis work has been focused on the upgrade of the CMS Outer Tracker. The new Tracker is composed of silicon sensor modules that will have an on-module pT discrimination. The current concept of building silicon sensor modules for the new outer tracker of the CMS detector is based on advanced composite materials: carbon fiber reinforced aluminium (Al-CF) and carbon fiber reinforced polymers (CFRPs). The Tracker will be composed of two module types, called PS-Module and 2S-Module, differing in the granularity of their silicon sensors. The subject of this thesis was to study the thermal performance of the 2S Modules in terms of micromechanics and macromechanics. In order to decrease the production cost and the mass of the 2S Modules, there is a need of comparison of different materials used for thermal management. The target was to predict the thermal conductivity of CFRPs using different micromechanical model and, according to macromechanical aspects, to study the thermal performance and the thermal runaway of the 2S Module. A comparative study was conducted using two different stacking sequences of carbon fiber reinforced polymers, comparing various carbon fiber systems, manufactured by the two leading companies in high performance carbon fibers: Mitsubishi Chemical Carbon Fiber & Composites and Nippon Graphite Fiber Corporation. The optimization of the thermal performance of the modules has provided important information about the appropriate selection of materials and stacking sequences of composite materials. The analysis has been conducted using the following software packages: CATIA v5 for the 3D design of the module, ANSYS Thermal-Electric for the thermal analysis and Mathcad 15 for the thermal conductivity prediction, using different micromechanical models.	en
heal.abstract	Για την αναβάθμιση του LHC, ο ανιχνευτής CMS πρέπει να αναβαθμισθεί σημαντικά κατά τη διάρκεια του LS3 προκειμένου να ανταποκριθεί στην αύξηση της φωτεινότητας, που παρέχεται από το HL-LHC. Αυτό θα αυξήσει την πυκνότητα και το εύρος των τροχιών μέσα στους ανιχνευτές σωματιδίων, πράγμα που σημαίνει ότι ειδικά ο ανιχνευτής τροχιών του CMS και τα εξαρτήματά του πρέπει να πληρούν τις ισχυρότερες απαιτήσεις όσον αφορά την ανθεκτικότητα στην ακτινοβολία των χρησιμοποιούμενων υλικών και την επαρκή ψύξη των μονάδων αισθητήρα πυριτίου. Η εργασία αυτή έχει επικεντρωθεί στην αναβάθμιση του εξωτερικού ανιχνευτή τροχιών του CMS. Ο νέος ανιχνευτής τροχιών θα αποτελείται από ανιχνευτικές μονάδες αισθητήρων πυριτίου, οι οποίες θα έχουν διακριτική ικανότητα αναγνώρισης της εγκάρσιας ορμής των σωματιδίων. Η τρέχουσα ιδέα της κατασκευής ανιχνευτικών μονάδων αισθητήρων πυριτίου για τον νέο ανιχνευτή τροχιών του ανιχνευτή CMS, βασίζεται σε προηγμένα σύνθετα υλικά: αλουμίνιο με ενίσχυση από ίνες άνθρακα (Al-CF) και πολυμερή ενισχυμένα με ίνες άνθρακα (CFRPs). Ο ανιχνευτής τροχιών θα αποτελείται από δύο τύπους ανιχνευτικών μονάδων: τις ανιχνευτικές μονάδες PS και 2S, που διαφέρουν ως προς τον βαθμό ανάλυσης που παρουσιάζονται στους αισθητήρες πυριτίου. Το αντικείμενο της παρούσας εργασίας ήταν η μελέτη της θερμικής συμπεριφοράς των ανιχνευτικών μονάδων 2S υπό την σκοπιά της μικρο-μηχανικής και μακρο-μηχανικής. Προκειμένου να μειωθεί το κόστος παραγωγής και το βάρος των μονάδων 2S, υπάρχει ανάγκη σύγκρισης διαφόρων υλικών που χρησιμοποιούνται για βέλτιστη θερμική συμπεριφορά. Ο στόχος ήταν η πρόβλεψη της θερμικής αγωγιμότητας των CFRPs, με τη χρήση διάφορων μοντέλων μικρο- μηχανικής και, σύμφωνα με πτυχές μακρο-μηχανικής, η μελέτη της θερμικής συμπεριφοράς και του φαινομένου ‘thermal runaway’ της μονάδας 2S. Έγινε μία συγκριτική μελέτη, χρησιμοποιώντας δύο διαφορετικές μορφές στρώσεων από πολυμερή υλικά ενισχυμένα με ίνες άνθρακα, συγκρίνοντας διάφορα είδη ινών άνθρακα από τις δύο κορυφαίες εταιρείες σε ίνες άνθρακα υψηλής απόδοσης: Mitsubishi Chemical Carbon Fiber & Composites και Nippon Graphite Fiber Corporation. Η βελτιστοποίηση της θερμικής απόδοσης των μονάδων έχει δώσει σημαντικές πληροφορίες σχετικά με την κατάλληλη επιλογή υλικών και το είδος της στρώσης των σύνθετων υλικών. Η ανάλυση έγινε χρησιμοποιώντας τα παρακάτω λογισμικά πακέτα: CATIA v5 για τον τρισδιάστατο σχεδιασμό της μονάδας, ANSYS Thermal-Electric για τη θερμική ανάλυση και Mathcad 15 για την πρόβλεψη της θερμικής αγωγιμότητας, χρησιμοποιώντας διαφορετικά μικρομηχανικά μοντέλα.	el
heal.sponsor	Μέρος της εργασίας έχει χρηματοδοτηθεί από το CERN.	el
heal.advisorName	Θεοτόκογλου, Ευστάθιος	el
heal.committeeMemberName	Θεοτόκογλου, Ευστάθιος	el
heal.committeeMemberName	Μανωλάκος, Δημήτριος	el
heal.committeeMemberName	Σιδερίδης, Αιμίλιος	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Εφαρμοσμένων Μαθηματικών και Φυσικών Επιστημών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	182 σ.	el
heal.fullTextAvailability	true