Si è già evidenziata nel paragrafo precedente l’importanza del sistema di collimazione nella KEMS (Knud-sen Cell Mass Spectrometry) e, dunque, si analizzeranno ora le scelte effettuate in fase di progettazione ed il modello CAD realizzato.
Per ottenere una buona collimazione ristretta, si è deciso di adoperare un sistema a doppia schermatura, più efficiente del singolo schermetto.
Il collimatore deve essere realizzato in un materiale che resista bene alle alte temperature, data la sua estrema vicinanza alla cella di Knudsen, ed il suo foro deve essere ben allineato a quello della cella stessa. Lo stesso vale per il secondo schermetto, che viene posto al di sopra di esso.
Bisogna quindi prevedere un sistema per il supporto e la regolazione in posizione di entrambi i collima-tori.
Come introdotto precedentemente, al fine di respingere gli ioni che si formano prima della ionizzazione vera e propria tramite laser compromettendo le misure di efficienza, gli schermetti devono poter esser messi a potenziale.
Infine un ulteriore vincolo progettuale è dato dai ridotti spazi disponibili all’interno della camera TOF, come si può notare osservando la Fig. 5.3.
È necessario garantire dunque un facile assemblaggio all’interno della camera e soprattutto una buona accessibilità per quanto riguarda la regolazione ed il posizionamento degli schermetti da parte dell’ope-ratore: la regolazione deve poter avvenire dall’alto senza dover smontare altri componenti al di fuori del sistema di estrazione.
Schermo in Grafite
In Fig. 5.9 è presentato un primo prototipo di collimatore progettato precedentemente ai LNL [17]. Tale schermetto è in Tantalio, un materiale molto costoso e di difficile lavorazione, e possiede una geo-metria molto complessa di difficile realizzazione.
Capitolo 5
Si è optato quindi per una completa riprogettazione del collimatore, che è stato pensato in grafite EDM-3, la stessa utilizzata per la cella di Knudsen.
Tale materiale risulta essere decisamente più economico e di facile lavorazione del tantalio, e possiede elevate caratteristiche di resistenza alle alte temperature. Un ulteriore vantaggio dato dalla grafite EDM-3 è che essa è dotata di una rigidezza molto elevata, che aumenta addirittura all’aumentare della tempe-ratura. Ciò dovrebbe, una volta allineato il suo foro a quello della cella di Knudsen nella fase di regola-zione, garantire, una volta in esercizio, un ottimo mantenimento della posizione date le ridottissime de-formazioni in gioco.
Lo schermo progettato è rappresentato in Fig. 5.10.
Fig. 5.10 Separatore in grafite
Esso è lungo 128 mm e spesso 4,5 mm per garantire una certa resistenza strutturale, essendo la grafite un materiale fragile. Centralmente possiede una geometria circolare con una sorta di collare di spessore sempre pari a 4,5 mm e con diametro esterno ed interno pari rispettivamente a 32 mm e 20 mm. Vi è poi al suo interno una zona di diametro 10 mm e spessore 0,5 mm, che si raccorda con il collare esterno tramite uno smusso da 4 mm ed un raccordo di raggio 2 mm. Al centro del disco da 10 mm appena de-scritto vi è il foro per la collimazione, di diametro pari a 2 mm.
Lo schermetto presenta poi due alette inferiori lunghe 16 mm, che hanno il duplice scopo di evitare una eccessiva dispersione del cono di effusione (evitando quindi di sporcare eccessivamente la camera TOF) e di schermare termicamente i componenti del sistema di supporto e regolazione del collimatore (che verrà descritto successivamente in dettaglio) più vicini alla cella.
È importante notare come si sia cercato di evitare la presenza di spigoli vivi tramite numerosi raccordi al fine di evitare intensificazioni delle tensioni, che per un materiale fragile come la grafite sarebbero problematiche.
Sistema di supporto e regolazione del collimatore
Il sistema di supporto e regolazione del collimatore, rappresentato in Fig. 5.11, si compone di diversi elementi.
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Fig. 5.11 Sistema di separazione
Partendo dalla base abbiamo un primo componente in AISI 316L, accoppiato a dei blocchetti isolanti in MACOR (Fig. 5.12). Dall’immagine si può osservare come la tecnica di isolamento adottata sia la mede-sima utilizzata per il sistema di supporto e centraggio della cella di Knudsen: i 4 blocchetti quadrati in MACOR di lato 16 mm e spessore 5 mm possiedono un foro di diametro 4 mm, inferiore a quello del componente in acciaio, che è invece di 8 mm. In questo modo le viti in acciaio inox che fissano il supporto al piatto base della camera TOF non sono a contatto con il metallo del supporto del collimatore e quindi lo isolano elettricamente, consentendo in questo modo di poterlo mettere a potenziale.
Capitolo 5
Il componente a forma di T possiede poi sulla superficie superiore un foro cieco filettato M8x1, nel quale viene avvitato un componente cilindrico in AISI 316L di diametro 8 mm, lungo 75 mm filettato nell’ul-timo tratto di 15 mm anch’esso con filettatura M8x1.
Esso costituisce una guida verticale lungo la quale un terzo componente, rappresentato in Fig. 5.13, può scorrere ed essere fissato. Tale componente è realizzato in AISI 316L e possiede un foro di diametro 8 mm che realizza l’accoppiamento con il pezzo cilindrico, ed una fessura che va dalla superfice esterna fino al foro stesso e che garantisce una maggiore deformabilità e quindi capacità di serraggio per poterlo bloccare tramite una vite M3 una volta effettuato il posizionamento del pezzo: ciò costituisce il sistema di regolazione verticale del collimatore. La regolazione verticale consente una distanza massima dalla superficie superiore della cella di Knudsen pari a 13 mm.
Il suo spessore è di 8 mm ma possiede un gradino alto 4 mm, e nella zona di spessore 8 mm vi è un foro passante M4x.7: il gradino funge da guida per un altro componente regolabile in posizione che viene avvitato tramite una vite M4.
Fig. 5.13 Componente per la regolazione verticale del sistema di supporto e posizionamento del collimatore
Tale pezzo è presentato in FIGURA: è costituito anch’esso di acciaio AISI 316L e permette una regola-zione di 6 mm per lato lungo la direregola-zione trasversale rispetto alla cella di Knudsen, grazie ad un’asola di diametro 3 mm. Vi è poi un foro filettato M4x.7 che serve per il montaggio dello schermetto in grafite.
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Fig. 5.14 Componente per la regolazione trasversale del sistema di supporto e posizionamento del collimatore
Come si è detto in precedenza, però, si è ritenuto opportuno dotare il sistema di separazione di due schermetti isolati tra di loro in modo da poter essere messi a potenziale. Si è quindi progettato un si-stema per il montaggio e l’isolamento di un ulteriore schermetto.
Tale sistema è rappresentato in Fig. 5.15: è costituito di MACOR e presenta un foro M4 centralmente. Presenta una zona di spessore ridotto (2,5 mm) nella quale è praticato il foro appena citato, che viene interposta tra il componente in AISI 316L della precedente immagine ed il separatore in grafite. Vi è poi un’altra zona che sporge esternamente e si sviluppa in altezza seguendo il profilo laterale dello schermo in grafite e superandolo in altezza di 1 mm, nella quale è praticato un foro passante M3x.5 che seve per il montaggio (e l’isolamento) del secondo schermetto.
Capitolo 5
Schermo in Tantalio
Per quanto riguarda lo schermetto superiore, si è optato per realizzarlo con un sottile foglio di Tantalio dello spessore di 1 mm.
Questa scelta è stata effettuata per far fronte ad una mancanza di spazio disponibile nella camera TOF a causa della vicinanza del sistema di estrazione, che non avrebbe consentito una soluzione con doppio schermo di grafite.
Inoltre il primo separatore funge da schermo termico riducendo la temperatura sul secondo, che quindi è meno soggetto a deformazioni e resta allineato più facilmente anche ad alte temperature di esercizio. Lo schermo, rappresentato in Fig. 5.16, viene montato ai componenti in MACOR prima descritti tramite una vite M3, e presenta due asole di diametro 3 mm che consentono una regolazione di 8 mm per lato. La geometria asimmetrica è stata utilizzata per cercare di limitare il più possibile le deformazioni e il disallineamento.
Fig. 5.16 Schermo in tantalio