L’apparato sperimentale per la riproduzione dei gradienti termici sui dischi

nulla la conduzione termica in quanto le superfici interessate dal contatto si trovano a temperature molto simili tra loro, rendendo trascurabile il flusso termico scambiato.

 Convezione: consiste nel trasporto del calore che si attua in presenza di movimento macroscopico relativo di particelle del fluido. Questa modalità di scambio di calore può essere trascurata in quanto il target lavora in condizioni di alto vuoto (10-6 mbar) dunque non ci sono al suo interno masse macroscopiche di fluido che possono operare trasmissioni di calore.

 Irraggiamento: avviene per propagazione di onde elettromagnetiche nello stesso modo della propagazione della luce. È questa l’unica modalità che effettivamente opera la trasmissione del calore all’interno della box target.

Si può quindi considerare, semplificando il modello, che i dischi dissipano l’energia termica solamente attraverso irraggiamento mentre la distribuiscono internamente al loro volume tramite conduzione. Per questo la conducibilità termica è fondamentale per conoscere l’intensità dei gradienti termici che vengono a generarsi in direzione radiale durante l’esercizio del target.

3.2 L’apparato sperimentale per la riproduzione dei gradienti termici sui dischi

Per eseguire i test sperimentali sui materiali di interesse per la produzione dei dischi target si utilizza un apparato sperimentale presente presso il Laboratorio di Alte Temperature ai Laboratori Nazionali di Legnaro. Tale dispositivo consente di simulare la formazione dei gradienti termici radiali sui dischi come quelli che verrebbero a generarsi durante l’esercizio della facility SPES.

In figura 3.1 viene rappresentato l’apparato sperimentale, composto da una camera per la tenuta del vuoto, un riscaldatore in grafite alimentato dalla corrente passante per i due morsetti in rame. Il provino viene posizionato sopra il riscaldatore, alla distanza voluta, e sostenuto con delle astine. Per velocizzare il riscaldamento del provino si può utilizzare uno schermo da posizionare sopra di esso.

Figura 3.1: Rappresentazione dell’apparato sperimentale presente nel laboratorio di Alte Temperature. A sinistra si vede l’intero apparato con la campana sollevata, in alto a destra si ha un dettaglio sui morsetti in rame e sul riscaldatore in grafite mentre in basso a destra si ha un dettaglio

sul posizionamento del provino

Più nel dettaglio, il riscaldatore ohmico in grafite, percorso dalla corrente fornita dai morsetti in rame, si riscalda per effetto Joule. La sua geometria consente di raggiungere temperature elevate (fino a 2000 °C) nella zona centrale consentendo così di realizzare uno spot circolare (diametro 20 mm) che provvede a riscaldare per irraggiamento il provino posizionato sopra. Si vuole ricordare che si ha trasmissione di calore solo per irraggiamento poiché si lavora in alto vuoto.

Con tale tecnica di riscaldamento si generano sui dischi i gradienti di temperatura radiali poiché l’irraggiamento viene concentrato sul centro del provino come mostrato in figura 3.2:

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Figura 3.2: Modalità di generazione dei gradienti termici radiali. Il riscaldatore trasmette il calore per irraggiamento concentrandolo sul centro del disco creando così una disomogeneità nella

distribuzione della temperatura

I gradienti di temperatura radiale che si formano sul disco comportano la nascita di differenti stati di deformazione sul corpo che generano tensioni che possono portare a rottura il disco stesso. Per descrivere al meglio l’apparato sperimentale, lo si suddivide in sottoassiemi ognuno dei quali opera una precisa funzione:

 La camera da vuoto: è sostanzialmente una campana che appoggiandosi ad una piastra di sostegno separa il suo volume interno dall’ambiente esterno consentendo di raggiungere valori di alto vuoto (fino a 10-5 mbar). L’alto vuoto è necessario per replicare al meglio le condizioni di esercizio in cui si troveranno i dischi all’interno della box target e per limitare la presenza di ossigeno che alle alte temperature comporterebbe l’ossidazione dei componenti.

Per un adeguato raffreddamento del sistema, la campana è percorsa da una serpentina esterna in rame entro la quale scorre acqua mantenuta a temperatura ambiente da un chiller esterno all’edificio.

Sulla campana sono presenti due finestre in vetro borosilicato, indicate in figura 3.3, per permettere l’installazione di un pirometro fisso per la rilevazione delle temperature in gioco sul disco durante il riscaldamento e per consentire all’operatore di esaminare l’interno della camera durante i test.

Figura 3.3: Foto dell’apparato sperimentale per la riproduzione dei gradienti termici radiali. Si indica la posizione delle due finestre, una utilizzata per le misure col pirometro e l’altra

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 Il sistema riscaldante: è composto dai morsetti in rame e dal riscaldatore ohmico in grafite POCO EDM-3. Questo, alimentato dai morsetti, viene percorso da corrente e per effetto Joule si scalda ed irraggia il calore sul provino generando su di esso il gradiente termico radiale. Alle estremità del crogiolo sono stati installati due schermi in tantalio per la riflessione di parte della potenza riscaldante irradiata.

A causa delle elevate temperature in gioco, i morsetti in rame sono provvisti al loro interno di un sistema di raffreddamento ad acqua che consente di mantenere la loro temperatura inferiore ai 50 °C anche durante l’esercizio.

L’alimentazione del sistema viene controllata in automatico da un computer presente in laboratorio attraverso un software Labview programmato ad hoc per questo apparato. L’operatore deve solamente creare delle rampe per l’esecuzione dei test, di salita e di discesa, composte da valori di tempo (in secondi), tensione (in volt) e corrente (in ampere) che l’alimentatore deve riprodurre. Il controllo dell’alimentazione avviene variando l’intensità della corrente e mantenendo costante la differenza di potenziale a 10 V, che è il massimo valore imponibile. Durante i tesi sono state usate rampe di corrente fino a 280 A con step da 5 A, ognuno della durata di 300 s che si è visto essere il tempo necessario per raggiungere la stabilità del sistema.

Il software raccoglie tutte le informazioni fornite dagli strumenti di misura installati sull’apparato sperimentale e le scrive in un file di testo oltre a mostrarli in tempo reale in una apposita finestra di controllo come quella mostrata in figura 3.4:

Figura 3.4: Finestra di lavoro del programma Labview che monitora i parametri dell’apparato sperimentale

 Il sistema di supporto: è quello che consente il posizionamento del provino alla distanza voluta dal riscaldatore. È composto da delle astine in tungsteno che si trovano infilate in degli appositi fori fatti su una base in grafite. I fori sono stati fatti per accomodare le astine nella configurazione per il sostegno dei provini di diametro 40 mm e nella configurazione da 30 mm. Le astine, nell’estremità a contatto col disco, sono state smussate per rendere il contatto puntuale in modo da limitare al massimo la trasmissione del calore per conducibilità. La base in grafite è collegata ad una piastra in grafite e ad una vite, sempre in grafite, che consente di regolarne l’altezza. Infatti, alzando o abbassando la base si può rispettivamente allontanare o avvicinare il disco al riscaldatore. Tutto il sistema è rappresentato in figura 3.5:

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Figura 3.5: Rappresentazione del sistema di supporto del provino. Le astine sono fisse nella base ed è possibile regolare l’altezza di questa tramite una vite

 Il sistema per il vuoto: è composto da tutto ciò che consente di mantenere l’alto vuoto all’interno della campana durante i test. La campana che separa il volume interno dall’ambiente esterno, due pompe che creano il vuoto all’interno della campana, gli strumenti per il monitoraggio del valore della pressione e tutti i condotti, i giunti e le valvole.

È necessario l’utilizzo di due pompe per arrivare ai valori di pressione desiderati (10-5 mbar). Dalla pressione atmosferica fino a 10-4 mbar agisce una pompa rotativa, per ridurre ulteriormente la pressione fino a 10-5 mbar viene impiegata una pompa diffusiva.

In figura 3.6 si possono vedere le due pompe utilizzate per questo apparato:

Figura 3.6: A sinistra di ha una foto della pompa rotativa e a destra una foto della pompa diffusiva, entrambe installate nell’apparato sperimentale presente nel laboratorio di Alte

Temperature

Più nel dettaglio, una pompa per vuoto rotativa è un tipo particolare di pompa a vuoto di tipo meccanico. Funziona mettendo in comunicazione un volume a bassa pressione con l'ambiente nel quale si intende fare il vuoto. Il volume a bassa pressione viene quindi riempito con il gas da espellere che viene svuotato all’esterno. È un processo che opera ciclicamente grazie all'uso di meccanismi rotanti a tenuta.

Invece, la pompa a diffusione è una pompa per alto vuoto priva di parti in movimento. Funziona tramite la diffusione dei vapori di un olio a bassa tensione di vapore. L'olio è contenuto in un recipiente inferiore dove viene anche riscaldato. Da tale recipiente diparte un condotto verticale che termina con una serie di ugelli rivolti verso il basso; il tutto è