Development of an open CO₂ cooling system for Belle II

Am KEK (Tsukuba, Japan) wird derzeit ein Upgrade des Beschleunigersystems durchgeführt und verlangt ein Redesign des Belle Detektors, insbesondere des Silicon Vertex Detektors (SVD). Das neue Belle II SVD Design erfordert ein neues Kühlkonzept für die Ausleseelektronik der Sensoren, wofür ein zwei Phasen Verdampfungssystem auf CO2 Basis in Entwicklung ist. Um Erfahrungen für das Belle II SVD Kühlsystem zu sammeln, wurde ein kompaktes und vereinfachtes Kühlsystem entwickelt. Der Schwerpunkt dieser Arbeit ist das Design und die Konstruktion eines offenen CO2 Kühlsystems für Forschungs-, Entwicklungs- und Testzwecke. Diese eigenständige, skalierbare und transportable Anlage ist notwendig, um den Umgang mit CO2 als Kältemittel zu erlernen und Erfahrungen und Testergebnisse zu sammeln, die auf die zukünftige Belle II SVD Kühlung angewandt werden können. Diese Arbeit beschreibt detailliert das Design und die Realisierung der Anlage, wobei Dimensionierung und Komponentenauswahl einen wesentlichen Aspekt darstellen. Hierbei wurde auf die Verwendung von Standardkomponenten Wert gelegt. Nach der Realisierung und der Inbetriebnahme des Systems wurde es in diversen Versuchsaufbauten erfolgreich eingesetzt und betrieben. Trotz der anspruchsvollen Anforderungen eines Teilchenbeschleunigers konnte ein gut funktionierendes und dennoch verhältnismäßig einfaches Design ausgearbeitet werden. Weitere Themen dieser Arbeit sind die Entwicklung zuverlässiger Mechanismen zur Befestigung der Kühlrohre und Untersuchungen des thermischen Übergangs zwischen Ausleseelektronik und Kühlrohr. Das erarbeitete Kühlkonzept wurde abschließend mit Hilfe der entwickelten Kühlanlage an verschiedenen Sensormodulprototypen bei Beamtests evaluiert.At the KEK (Tsukuba, Japan) a major upgrade of the accelerator system is under construction and requires a redesign of the entire Belle detector, especially of the Silicon Vertex Detector (SVD). As a consequence of the new Belle II SVD design, a new cooling concept for the sensor readout electronics is required. For thermal management of the Belle II SVD a two-phase evaporative CO2 cooling system is under development. In order to gain experience concerning the Belle II SVD cooling system, a less extensive and less complicated cooling plant has been developed. The key issue of this thesis is the design and construction of an open CO2 cooling system for research, development and testing. This independent, scalable and transportable cooling plant is necessary to get familiar with CO2 and to acquire test results which can be applied to the Belle II SVD cooling system. One big topic is the component dimensioning and selection with the big challenge of using off-the-shelf components. Furthermore, a detailed description and explanation of the design and the assembly is given. After realizing and commissioning, the system successfully operated in various applications. Despite prevailing rough conditions in a particle detector, a well functioning but still simple design was worked out. Other major topics of this thesis are the development of a reliable tube fixture mechanism and the investigation of a material to ensure adequate heat transfer between pipe and readout electronics. Finally, the developed cooling plant was used to verify the cooling concept by testing various sensor module prototypes in beam tests