Requisiti delle strutture meccaniche

La posizione dei moduli di rivelazione e la loro stabilità dimensionale nel tempo è definita dalle strutture di supporto dei moduli stessi. Le strutture devono inoltre contenere il sistema di raffreddamento, contribuendo alla sua efficienza in modo da rispettare i limiti massimi imposti alle temperature sui vari componenti del sistema: l’elettronica di lettura, il rivelatore al silicio ecc.

Inoltre, deve essere garantita l’accessibilità a tutti i componenti per poter eseguire le riparazioni e le manutenzioni in tempi compatibili con la durata delle fermate programmate dell’acceleratore di particelle (LHC).

La quantità totale di materiale impiegato deve essere minimizzata per migliorare le prestazioni del tracciatore aumentando sia l’efficienza (rapporto tra le tracce rilevate e quelle prodotte dall’evento) che l’efficacia del sistema (ricostruzione corretta delle tracce rilevate). La riduzione di materiale strutturale è particolarmente importante nelle zone ad alta densità di particelle, in prossimità del fascio di interazione, (PD e TIB), per non perturbare eccessivamente le traiettorie delle particelle appena generate, perdendo il minimo numero di eventi, potenzialmente interessanti.

La geometria della struttura, le tolleranze di fabbricazione e la successiva stabilità dimensionale sono definiti nei requisiti geometrico-dimensionali necessari per la ricostruzione accurata delle tracce; i requisiti termici sono invece imposti dal funzionamento dei rivelatori al silicio e dall’affidabilità dall’elettronica di lettura.

Si devono inoltre definire e rispettare le interfacce fra le strutture meccaniche in fibra di carbonio ed i componenti che vi dovranno essere alloggiati (sistema di raffreddamento, fibre ottiche, cablaggi elettrici e componenti elettronici) nonché le interfacce con gli altri rivelatori che compongono complessivamente CMS.

Le strutture di supporto dei moduli di rivelazione devono avere deformazioni limitate visto che alterando la disposizione spaziale dei rivelatori al silicio si falsa la ricostruzione della traccia, ed oltre certi limiti, si possono produrre risultati non più validi.

Le tensioni che si originano nei materiali, anche se modeste, devono inoltre essere attentamente valutate per evitare che, con il passare del tempo, si abbiano fenomeni di micro-creep, con rilascio di tensioni interne alla matrice del composito o negli adesivi strutturali e conseguenti deformazioni. Nel seguito del paragrafo verranno brevemente analizzati i requisiti richiesti ai materiali candidati alla realizzazione delle strutture del tracciatore ed in particolare del TIB.

• Requisiti geometrico-dimensionali

La geometria dei sistemi di tracciatura è molto complessa a causa dell’elevato numero di moduli presenti e della loro particolare disposizione spaziale.

I livelli di precisione necessari nel posizionamento dei rivelatori sulla struttura non sono comunque spinti a valori estremi: il massimo spostamento assunto come requisito di specifica è di ±50 µm rispetto alla posizione nominale. Tale valore è ottenibile sulla base delle tecnologie esistenti, come si può verificare alla luce degli ottimi risultati forniti da progetti simili già realizzati, come SVX II, il tracciatore interno del progetto CDF (Collider Detector at Fermilab) [5], che presenta precisioni di quest’ordine di grandezza, anche se è di dimensioni globali minori.

Ciononostante, poiché gli errori commessi nella realizzazione delle strutture, realizzate con macchine utensili a controllo numerico, sono già dell’ordine dei 30 µm,

±50 µm per le strutture in fibra di carbonio che sono realizzate incollando insieme decine di particolari con l’ausilio di dime di precisione, in acciaio.

Si può quindi concludere che non è possibile realizzare una struttura di supporto che posizioni meccanicamente nello spazio i rivelatori al silicio con la precisione richiesta per non vanificare la loro alta risoluzione spaziale (10 µm, paragrafo 1.5). Per risolvere questo problema si deve perciò effettuare una misura della posizione reale di tutti i rivelatori dopo la loro installazione sulla struttura. Questa procedura viene definita “allineamento software” del sistema, ed utilizza raggi cosmici o delle tracce note negli eventi di fisica secondo la procedura descritta in seguito. Questo aggiustamento viene eseguito periodicamente, prima di partire con l’acquisizione dei dati o durante gli “shut down” tra gli esperimenti. L’operazione è basata su alcune iterazioni: si inizia con i rivelatori posizionati nello spazio con l’incertezza della struttura meccanica di supporto, che come detto prima è dell’ordine dei ± 50 µm. I dati acquisiti dai rivelatori al passaggio delle particelle cariche vengono analizzati e la posizione nello spazio dei singoli rivelatori viene “virtualmente cambiata” iterativamente fino a minimizzare il χ2 dei “fit” che ricostruiscono le tracce, che sono di forma esattamente nota (rettilinea per i raggi cosmici se il campo magnetico è assente).

Nel corso dell’esperimento, il sistema di acquisizione dati ricostruisce le tracce considerando i rivelatori nella loro posizione corretta, così come ricavata durante il processo di allineamento. La struttura deve quindi essere in grado di garantire una stabilità meccanica dell’ordine di ±5 µm nell’intervallo di tempo di funzionamento in condizioni stazionarie (6 ÷ 12 mesi) tra 2 allineamenti successivi, al fine di ottenere sempre una buona attendibilità sulle tracce acquisite.

È stato provato che con alcune iterazioni e qualche migliaio di tracce è possibile ottenere, con l’allineamento via software, una precisione migliore di 4 ÷ 5 µm nella conoscenza della posizione spaziale di ogni singolo modulo.

• Condizioni ambientali operative

Tali condizioni rappresentano i vincoli da considerare durante tutta l’attività di progetto e condizionano inevitabilmente la scelta dei materiali da utilizzare.

• Temperatura

Durante il funzionamento, il calore prodotto dall’elettronica di lettura e dai rivelatori stessi porterebbe in tempi brevi la temperatura del tracciatore a valori inaccettabili, che andrebbero ad inficiarne il corretto funzionamento e, inoltre, a danneggiare i rivelatori a semiconduttore, come già descritto nel capitolo 1. La temperatura massima accettabile nel sistema è determinata dal tipo di componenti elettronici utilizzati e dal livello di radiazione a cui sono stati sottoposti i rivelatori: con l’aumentare dell’irraggiamento la temperatura di esercizio dei rivelatori al silicio dovrebbe essere progressivamente abbassata (fino a –10°C) per garantirne il corretto funzionamento (paragrafo 3.3.1).

Per il progetto termico del sistema si impone che durante il funzionamento la temperatura di tutti i componenti sia sempre inferiore a quella massima ammissibile per l’esercizio a fine vita operativa (10 anni di irraggiamento). E’ stata quindi considerata una temperatura a regime dell’aria circostante il TIB pari a –10°C, uguale a quella massima raggiungibile dai moduli di silicio.

A tale scopo, all’interno del volume dei tracciatori viene mantenuto un flusso di azoto alla temperatura di –10°C (flussaggio) per rimuovere l’umidità e l’eventuale calore trasferito all’ambiente per convezione naturale. Nonostante ciò, il sistema di raffreddamento dei rivelatori viene comunque dimensionato affinché tutto il calore generato venga rimosso dal fluido refrigerante nel rispetto delle temperature massime ammissibili.

• Umidità

L’ambiente all’interno dei tracciatori deve essere mantenuto il più possibile secco durante il funzionamento (umidità relativa < 5%). Questa è una condizione molto importante, perché l’eventuale presenza di acqua o ghiaccio sui moduli di silicio o sulle microsaldature porterebbe inevitabilmente a cortocircuiti che comprometterebbero il funzionamento dei moduli stessi.

Come precedentemente accennato, il valore desiderato del’umidità relativa sarà ottenuta con il “flussaggio” di azoto secco. Non è da escludere tuttavia che nei periodi di “shut down” dell’esperimento la struttura possa essere temporaneamente posizionata in ambienti relativamente umidi per l’esecuzione delle operazioni di manutenzione.

• Condizioni ambientali di “shut down”

Nei periodi in cui l’apparecchiatura non acquisisce dati (“shut down”) sono previste opere di manutenzione all’apparato sperimentale, queste vengono eseguite con la strumentazione spenta. Anche in questi periodi, nonostante che i rivelatori siano spenti, le temperature dei moduli non possono salire oltre i –10°C se non per pochi giorni. Per evitare di raffreddare anche le strutture meccaniche e risparmiare spazio nelle celle frigorifere è necessario smontare i moduli dalle strutture in fibra di carbonio e prevedere per queste ultime la permanenza in ambienti con presenza di umidità a temperatura ambiente per periodi di almeno 6 mesi ogni 3 anni.

Per rimettere invece in servizio il tracciatore si segue approssimativamente la procedura riportata di seguito:

q si inizia il flussaggio di azoto nel volume del tracciatore; q si misura il punto di rugiada all’interno del rivelatore;

q dopo il raggiungimento di una prefissata temperatura di rugiada (inferiore a –25°C), si avvia il sistema di raffreddamento con la certezza di non avere condensa.