CO2 evaporative cooling of X-ray detectors at high heat flux

The Linac Coherent Light Source (LCLS), located at SLAC National Laboratory in Stanford, is a two-mile-long X-ray Free Electron Laser that gener- ates intense photon beams at high repetition rates. To match this speed, imaging detectors must operate at equal or faster rates. Depending on the experimental setup, the pixel sensors within these detectors must be kept between 15 ◦C and −20 ◦C, while dissipating power densities of up to 2.0 × 104 W · m−2. Due to the high duty cycle and dense packaging of the electronics, advanced thermal man- agement solutions—such as two-phase evaporation in compact cooling channels— are essential. Two-phase carbon dioxide (CO2) evaporation in OD 0.125 in/ID 0.097 in smooth copper tubes, representative of a single cooling channel in the de- tector, is examined as a potential solution. Experiments were conducted using the MARTA pumped-loop refrigeration system at saturation temperatures between −25 ◦C and −5 ◦C, with mass flow rates of 3 g · s−1 to 5 g · s−1 and heat loads up to 500 W per channel. Wall temperatures, pressure drops, and heat fluxes were measured to derive heat-transfer coefficients and frictional gradients across 84 operating points. The observed ranges were: mass flux 627 kg · m−2 · s−1 to 1048 kg · m−2 · s−1, heat flux 0 kW · m−2 to 53.2 kW · m−2, heat-transfer coeffi- cient 4.67 kW · m−2 · K−1 to 15.92 kW · m−2 · K−1, and pressure-drop gradient 3.79 kPa · m−1 to 43.92 kPa · m−1. Results confirmed that the pressure drop in- creased with mass flux and was more severe at lower saturation temperatures, while the heat-transfer coefficient was largely independent of mass flux but in- creased with saturation temperature. Flow-pattern mapping, based on the Thome model, showed predominantly annular regimes, emphasizing the need to prevent dryout. Comparison with existing models indicated that the Friedel correlation most accurately predicted pressure drops (100% of points within ±30%), and the Lazarek–Black correlation provided the best heat-transfer predictions under the tested conditions. These findings demonstrate that two-phase CO2 cooling is an efficient solution for LCLS detector cameras. They provide validated operating envelopes and model recommendations for the design and integration of compact, high-power thermal management systems in free-electron laser instrumentation.

Il Linac Coherent Light Source (LCLS), situato presso lo SLAC National Laboratory a Stanford, è un laser a elettroni liberi a raggi X lungo due miglia, capace di generare fasci di fotoni intensi ad alte frequenze di ripetizione. Per operare a queste velocità, i rivelatori di imaging devono funzionare a frequenze uguali o superiori. A seconda della configurazione sperimentale, i sensori a pixel di questi rivelatori devono essere mantenuti tra 15 ◦C e −20 ◦C, dissipando densità di potenza fino a 2.0×104 W·m−2. A causa dell’elevato duty cycle e della fitta integrazione elettronica, sono necessarie soluzioni di gestione termica avanzate, come l’evaporazione bifase in canali di raffreddamento compatti. L’evaporazione bifase dell’anidride carbonica (CO2) in tubi di rame liscio con OD 0.125 in e ID 0.097 in, rappresentativi di un singolo canale di raffreddamento del rivelatore, è stata esaminata come soluzione potenziale. Le prove sono state condotte utilizzando il sistema di refrigerazione commerciale MARTA a temperature di saturazione comprese tra −25 ◦C e −5 ◦C, con portate massiche da 3 g · s−1 a 5 g · s−1 e potenze termiche fino a 500 W per canale. Sono state misurate le temperature di parete, le cadute di pressione e i flussi termici per ricavare i coefficienti di scambio termico e le cadute di pressione su 84 punti operativi. Gli intervalli osservati sono risultati: flusso di massa da 627 kg · m−2 · s−1 a 1048 kg · m−2 · s−1, flusso termico da 0 kW · m−2 a 53.2 kW · m−2, coefficiente di scambio termico da 4.67 kW · m−2 · K−1 a 15.92 kW · m−2 · K−1, e cadute di pressione da 3.79 kPa · m−1 a 43.92 kPa · m−1. I risultati hanno confermato che le cadute di pressione aumentano con il flusso di massa ed è più severa a temperature di saturazione più basse, mentre il coefficiente di scambio termico è risultato ampiamente indipendente dal flusso di massa, ma cresce con la temperatura di saturazione. La mappatura dei regimi di flusso, basata sul modello di Thome, ha mostrato una prevalenza del regime anulare, sottolineando la necessità di prevenire il fenomeno di dryout. Il confronto con le correlazioni disponibili ha indicato che la correlazione di Friedel predice con maggiore accuratezza le cadute di pressione (100% dei punti entro ±30%), mentre la correlazione di Lazarek–Black ha fornito le migliori previsioni dello scambio termico nelle condizioni testate. Questi risultati dimostrano che il raffreddamento bifase a CO2 rappresenta una soluzione efficiente per i rivelatori LCLS. Essi forniscono inviluppi operativi validati e raccomandazioni sui modelli per la progettazione e l’integrazione di sistemi compatti di gestione termica ad alta potenza negli strumenti a laser a elettroni liberi.