Influenza dell’adesivo usato per la costruzione del modulo

modulo

Come è stato ampiamente spiegato, una delle richieste fondamentali per tutti i componenti che dovranno operare nel tracciatore di CMS è l’elevata affidabilità considerando un utilizzo di 10 anni, possibilmente senza richiedere alcun intervento di manutenzione.

Per questo l’arduo compito di realizzare una struttura innovativa, in cui le parti di precisione micrometrica sono realizzate in fibra di carbonio incollata (senza

lavorazioni meccaniche), costringe i progettisti ad affidarsi comunque a tecniche consolidate e prodotti ben noti per realizzare il progetto.

L’uso intensivo della fibra di carbonio per ridurre il peso ed aumentare la trasparenza alle radiazioni ha dato origine ad una struttura che ha un basso coefficiente di dilatazione termica (il coefficiente di dilatazione termica della fibra di carbonio utilizzata è prossimo a -0.6x10-6 1/K, mentre il laminato nelle nostre configurazione ha valori attorno .1 10-6 1/K). Questo garantisce una maggiore stabilità meccanica rispetto alle variazioni termiche, migliorando la risoluzione dello strumento una volta installato e allineato, d’altra però rende difficoltoso l’accoppiamento con tutti gli altri materiali che, dopo il montaggio, sono sottoposti ad una variazione di temperatura di almeno 30°C.

Per ridurre le sollecitazioni è quindi preferibile utilizzare per tutte le giunzioni con materiali diversi dalla fibra di carbonio degli accoppiamenti flessibili, che riducano sia tensioni che deformazioni indotte (tipicamente si hanno degli effetti simili alle lamine bimetalliche). A tale scopo si sono utilizzati degli adesivo siliconici o epossidici flessibili a basso modulo elastico per gli incollaggi. Dopo le prove meccaniche e’ necessaria una convalida sperimentale delle prestazioni termiche. Con questa si vuole verificare l’influenza delle deformazioni meccaniche sulle prestazioni termiche; Infatti le conducibilità termiche della colla epossidica “Araldite” e di quella siliconica sono molto simili, per cui le differenze nelle distribuzioni di temperatura sono da attribuire al fatto che il contatto termico del modulo con i ledges dipende anche da dalle deformazioni del modulo.

Le prove sperimentali condotte hanno pienamente confermato le aspettative dimostrando la sostanziale equivalenza termica dei due adesivi, visto che le deformazioni rilevate sui due tipi di moduli non sono così diverse [6].

Per avere un confronto più accurato tra i due tipi di moduli è stata effettuata una serie più estesa di prove sperimentali, variando la potenza termica applicata, visto che dai risultati di queste prove sarebbe scaturito un prototipo ufficiale del modulo “single sided” del TIB.

Sono state quindi controllate le prestazioni del sistema con un nuovo circuito di raffreddamento, con i tubi di diametro 3 mm e spessore 0.25 mm completamente schiacciati e con i ledges nella configurazione definitiva.

L’incollaggio del circuito idraulico sul supporto in fibra di carbonio è stato eseguito con una attrezzatura che è concettualmente simile a quella che verrà utilizzata per il montaggio finale sui cilindri del tracciatore.

In Figura 6.12 si è riportato il circuito idraulico realizzato per i tests di tipo C e D (Tabella 6.1) ed in Figura 6.13 il dettaglio del ledge “read out” e del tubo schiacciato.

Figura 6.12 Circuito idraulico per tests C e D moduli “single sided”

Figura 6.13 Dettaglio ledge e tubo 3*0.25 per tests moduli single sided”

Dopo l’installazione del circuito nella scatola di prova si sono eseguite le misure con i carichi termici riportati in Tabella 6.3 alternativamente sui due moduli M16 ed M15. I valori delle potenze indicate sono ottenuti moltiplicando il valore nominale di progetto per il coefficiente di sicurezza indicato. Si è applicato un modesto valore di sicurezza

sulle potenze generata sull’ibrido visto che il valore preso a riferimento è conservativo rispetto ai ben noti valori di assorbimento dei chips; sul silicio invece sussistono maggiori incertezze dovute alla natura della correlazione usata per calcolare la potenza parassita sul rivelatore dopo l’irraggiamento (paragrafo 3.3.1).

Potenza chips watt Fattore di sicurezza Potenza silicio watt Fattore di sicurezza 2 1 0.4 2 2 1 0.7 3 2.3 1.15 0.7 3

Tabella 6.3 Carichi termici applicati per i tests C e D su moduli SS

Per chiarezza si riportata la mappa delle sonde di temperatura poste sui moduli (Figura 6.6), per la didascalia valgono ancora le indicazione della Tabella 6.2.

Figura 6.6 Mappa delle termocoppie su modulo SS per tests C e D

B Tubo di uscita fluido (2 cm dal ledge read out) C Tubo di entrata fluido (2 cm dal ledge read out) D Silicio “read out”, faccia superiore

G Ibrido

3 Frame sopra al ledge read out lato uscita fluido 8 Frame sopra al ledge read out lato ingresso fluido 5 Silicio “dummy”, faccia superiore

4 Frame sopra al ledge dummy

6 Aria, alla Z del modulo

Tabella 6.4 Legenda sensori di temperatura test C,D

3

8

G

5

I

C

B

6

(air)

4

D

I risultati ottenuti sono mostrati nelle Figura 6.14, Figura 6.15 e Figura 6.16 seguenti sono riportati, per ogni condizione di carico, il confronto diretto delle temperature al variare del tipo di colla.

Silicone vs. Epoxy 2+0.4 W REFERENCE LOAD -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 °C 2+0.4 Silicone -25.1 -16.1 -16.3 -21.9 -23.1 -12.1 -12.3 -14 -18.6 -10.6 -13.5 2+0.4 Epoxy -25.3 -16.4 -15.1 -21.5 -23.9 -9 -12.2 -13.3 -12.3 -9.2 -14.5 Tven 8 3 B C G D 5 4 6 I Figura 6.14 Silicone vs. Epoxy 2+0.7 W -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 °C 2+0.7 Silicone -25 -15.4 -16.5 -22.3 -23.3 -9.5 -10.4 -12.8 -15.7 -10.6 -13 2+0.7 Epoxy -25 -15.8 -14.6 -21 -23.4 -8.2 -9.7 -11.2 -11.6 -8.6 -12.8 Tven 8 3 B C G D 5 4 6 I Figura 6.15

Silicon vs Epoxy 2.3+0.7 W -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 °C 2.3+0.7W Silicone -25.1 -15.3 -16.3 -22.1 -23.4 -8.4 -10.2 -12.9 -15.9 -10.8 -12.9 2.3+0.7 Epoxy -25 -14.7 -13.5 -20.9 -23.5 -5.7 -9 -10.9 -11.5 -8.3 -12.1 Tven 8 3 B C G D 5 4 6 I Figura 6.16

In conclusione: dall’analisi dei tre grafici precedenti si nota un sostanziale accordo tra gli andamenti misurati in tutti i casi e con i carichi minori si ha la corrispondenza quasi perfetta di ogni temperatura ad esclusione di quella sul ledge “dummy” (4) che però potrebbe dipendere da un cattivo posizionamento della termocoppia stessa sul modulo M15.

In generale, si nota un leggero vantaggio nelle prestazioni termiche del modulo realizzato con colla siliconica da imputare alla minore deformazione e quindi al migliore contatto meccanico tra il frame ed i ledges. Questo effetto è tanto più marcato quanto più alti sono i gradienti di temperatura ed è per questo che nella condizione di massimo carico il vantaggio del modulo M16 e’ più evidente.

Da questa analisi si conferma che con l’utilizzo della colla siliconica per la costruzione del modulo TIB si hanno migliori prestazioni termiche.