Configurazione della sorgente al plasma sviluppata per la rilevazione delle grandezze fisiche

Per permettere le rilevazioni descritte, in particolare quelle sui parametri su cui non si ha accesso dall’esterno della camera e cioè temperature e deformazioni, è necessaria una modifica del sistema sorgente: l’anodo e gli scudi termici non sono necessari visto che durante queste prove non occorre ionizzare nessun gas, perciò sono stati tolti assieme ai

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loro sistemi di supporto, così da avere un corridoio di osservazione in senso assiale. Per consentire l’accesso visivo al catodo in senso radiale è stato pensato di prolungare il canale dove è contenuta la FEBIAD con un distanziale forato realizzato in Acciaio inossidabile. Forando anche camera di supporto (d’Acciaio) e camera di scarica (realizzata in Molibdeno) nella giusta posizione è possibile creare una finestra di osservazione che permetta di osservare direttamente il catodo (il modello CAD della configurazione descritta è mostrato in Figura 4.2). Naturalmente, se ci fosse il coperchio della camera da vuoto ad impedire che si possa riuscire a “vedere” all’interno tutto questo sarebbe inutile: è stato perciò realizzato una transizione in Alluminio, forata a cui è stata collegata una finestra in Kodial® (“viewport”), che sarà descritta in seguito.

È stata necessaria anche una modifica al morsetto di Rame per la connessione elettrica: poiché il sistema si sposta indietro rispetto al piatto della camera è stato realizzato un collegamento appositamente prolungato per poter arrivare al puntone.

Figura 4.2: rappresentazione del modello CAD della versione della sorgente senza anodo e scudi termici, con foro radiale per l’osservazione della temperatura del catodo. Dall’assemblato della camera si nota come anche la connessione elettrica venga modificata per consentire l’accoppiamento.

La realizzazione dei componenti a geometria cilindrica è stata eseguita con lavorazioni al tornio, mentre le forature sono state realizzate con fresatrici o trapani.

Per quanto riguarda la lavorazione dei materiali refrattari, cioè Tantalio e Molibdeno, occorre porre particolare attenzione durante le operazioni che contemplano l’asportazione di truciolo, poiché le caratteristiche meccaniche sono differenti da quelle dei materiali più comunemente lavorati come Acciaio e Alluminio: il Molibdeno è un materiale molto duro ma fragile, perciò una lavorazione sbagliata potrebbe portare a crepe o difetti sulle

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superfici che abbassano la resistenza del componente: durante i processi occorrono utensili affilati e una lubrificazione continua. Inoltre per le lavorazioni con fresatrici a controllo numerico la profondità di passata (spessore di materiale asportato per ogni passaggio della fresa) è stata tenuta bassa, cioè qualche decimo di millimetro; anche la velocità di avanzamento dell’utensile non deve essere troppo elevata, sia per evitare di crepare il pezzo sia per fare in modo che gli utensili non flettano e la qualità finale sia migliore. Allo stesso modo non si sono potute impostare velocità di avanzamento troppo basse per evitare che l’utensile, facendo presa solo con la parte finale, subisca forti pressioni in una zona ristretta della lama e subisca usura eccessiva: l’usura va a compromette la precisione dell’operazione e la qualità della finitura del pezzo. Il Tantalio invece, già a temperatura ambiente, è un metallo con un comportamento fortemente plastico: la grande deformabilità fa sì che la lavorabilità sia bassa: applicare sforzi eccessivi agli oggetti costituiti da questo materiale provoca deformazioni permanenti che rendono la qualità finale del componente più bassa. Il riscaldamento degli utensili durante la lavorazione deve essere contrastato con la lubrificazione continua; nell’officina dei Laboratori Nazionali di Legnaro si fa uso di una miscela di acqua ed olio minerale. Il processo di tornitura è rappresentato in Figura 4.3.

Figura 4.3: processo di tornitura della camera di scarica in Molibdeno. Si può notare il tubo da cui esce il lubrificante per migliorare la finitura del pezzo.

Per la realizzazione del distanziale che ha lo scopo di estrarre la sorgente dal canale dov'è alloggiata, si è pensato di utilizzare Acciaio inossidabile, 304L o 316L, sono entrambi acciai al Cromo (18%) e Nichel (8%), nel 316 è presente anche Molibdeno

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(2.5%), con basso contenuto di Carbonio (la lettera L dopo il nome indica i cosiddetti acciai “low carbon”, con concentrazione di C minore dello 0.03%) e che hanno un buon comportamento alle alte temperature; con lo stesso materiale si sono realizzate anche flangia e camera di supporto. Prima di procedere con la foratura è stata realizzata anche una nuova camera di scarica, in Molibdeno, priva dei fori per il supporto dell’anodo. Queste parti sono state forate partendo dal componente più esterno, la camera di supporto, e centrando di volta in volta l’asse della fresatrice col foro realizzato precedentemente: in questo modo si è ottenuta la massima accuratezza sul controllo della posizione della finestra di osservazione in direzione radiale e si sono potute allineare le finestre sui vari componenti mantenendo i collegamenti filettati previsti nelle tavole costruttive originali della sorgente FEBIAD. Il processo di foratura con fresatrice a controllo numerico è rappresentato in Figura 4.4. L’ideale per favorire il montaggio dello strumento per le prove sarebbe rimuovere la maggior parte dei collegamenti filettati per consentire l’allineamento manuale dei componenti, ma la riprogettazione dei componenti è stata eseguita solamente dopo la messa a punto del sistema sperimentale.

Figura 4.4: foratura dei componenti con fresatrice a controllo numerico.

In Figura 4.5 è possibile osservare il corridoio di osservazione ottenuto attraverso l’allineamento dei vari fori che consente di accedere visivamente al catodo. L’oggetto viene disposto in modo che il bordo del catodo cada all’incirca al centro della cava ottenuta sulla camera di scarica.

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Figura 4.5: sorgente per le prove montata sul piatto della camera. È possibile osservare il corridoio di osservazioni ottenuto con fori allineati sui vari componenti.

Sono inoltre stati fatti degli aggiustamenti sui componenti che costituiscono la linea di trasporto della corrente. Per poter studiare le deformazioni che si verificano sul catodo quando la sorgente è montata accoppiandola con il bersaglio radioattivo è necessario porsi nelle stesse condizioni di vincolo: con la configurazione descritta nei Capitoli 2 e 3 la connessione elettrica in Tantalio non ha rigidezza flessionale elevata rispetto all’asse orizzontale (vedi Figura 4.6).

Figura 4.6: rappresenta della rigidezza flessionale della connessione elettrica. La parte curva viene considerata di rigidezza trascurabile perché formata da una serie di lamelle sottili, molto deformabili, mentre il foglio di Tantalio più spesso ha lo spessore b molto piccolo, quindi un momento d’inerzia basso rispetto all’asse x, cosa che favorisce le deformazioni sotto sforzi flessionali.

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È stato verificato durante le prove che a causa della bassa resistenza agli sforzi della connessione elettrica, la deformazione della faccia frontale del catodo è anomala: lo spostamento risulta essere in verso opposto a quello atteso, e la superficie tende a rientrare (l’effetto deleterio di questo fenomeno è stato ben osservato durante le prove di efficienza, e si può osservare in Figura 4.7).

Figura 4.7: catodo dopo essersi deformato in verso contrario di quello atteso.

Per impedire il verificarsi di questo fenomeno è stato pensato un sistema per bloccare le traslazioni della linea di trasferimento: il problema principale che rende difficoltosa questa operazione è la necessità di mantenere l’isolamento elettrico: si è pensato quindi di costruire un morsetto con due flange in Acciaio inossidabile, in cui inserire il componente con cui vincolare la linea di trasferimento. Tale componente, anch’esso di Acciaio, è accoppiato al morsetto per mezzo di isolatori cilindrici in Allumina, posizionati all’interno di apposite cave. Nel vincolo vengono avvitati quattro prigionieri, in cui è inserito un disco in Tantalio che va ad inserirsi nella vite di chiusura grazie ad una lamatura del foro passante. In questo modo si mantiene l’isolamento elettrico e le parti che si scaldano di più sono costituite da materiali altofondenti. Il sistema è presente nel modello CAD di Figura 4.2, ed in Figura 4.8 è mostrato quello reale montato assieme alla sorgente.

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Figura 4.8: foto del sistema di vincolo che blocca la traslazione della linea di trasferimento. Si notato gli isolatori in Allumina che separano il morsetto dal componente di supporto, a cui è collegato il disco in Tantalio. Le viti M3 presenti nella foto sono state sostituite da grani fermati con dei dadi.

In tutti i componenti sono state scavate delle cave di alleggerimento per consentire un miglior livello di vuoto e una minor riflessione per il flusso termico radiante che parte dai componenti incandescenti. Durante la lavorazione delle varie parti, è stato ritenuto più conveniente cercare di ottenere un miglior allineamento dei fori realizzando, nel vincolo centrale in Acciaio, un forellino di costruzione passante con lo scopo di riferimento per la lavorazione.

Il montaggio dell’elemento di bloccaggio è uno dei procedimenti più complicati per l’assemblaggio della sorgente e sarà descritto nell’Appendice B.

La camera da vuoto in cui è alloggiata la sorgente è già stata mostrata nel Capitolo 1 ed è composta da un piatto disposto in verticale su cui vengono fissati tutti i componenti relativi al bersaglio e alla sorgente. Il piatto viene raffreddato con acqua che circola alla temperatura di circa 18°C, e dalla sua superficie partono i puntoni di Rame che servono al trasporto della corrente agli elementi riscaldanti. Il coperchio, per poter eseguire le prove desiderate, deve essere montato dopo un elemento di transizione su cui sono scavate le cave per l’alloggiamento delle finestre.

Bisogna garantire la tenuta del vuoto anche nelle zone di contatto fra la transizione, il piatto della camera ed il coperchio: per risolvere questo problema si utilizzano delle

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guarnizioni in Viton® (detti O-ring) che possono essere acquistate della giusta misura oppure prodotte di taglia personalizzata incollando una corda del giusto diametro. Durante la fase di incollaggio bisogna fare attenzione che nella zona di adesione le due estremità siano piatte e combacino perfettamente, altrimenti si rileveranno delle infiltrazioni di aria all’interno della camera e non si potranno raggiungere alti livelli di vuoto: si può rendere regolare la superficie di quella zona lavorandola con della carta vetrata fine. In Figura 4.9 si può osservare la guarnizione inserita nella transizione in Alluminio.

Figura 4.9: distanziale con finestra di osservazione e otturatore. Sul bordo dell’oggetto si nota che è stata inserita la guarnizione per la tenuta del vuoto nella cava realizzata appositamente.

È importante garantire che la zona dove si trovano le guarnizioni in gomme non superi temperature di 100°C, poiché altrimenti si rovinerebbero rischiando di non garantire la tenuta, per questo si possono usare getti di aria compressa diretti sui punti di interesse.