I materiali isolanti che sono stati considerati per la progettazione del collimatore sono: • Allumina (Al2O3);
• Nitruro di boro (BN); • Nitruro di alluminio (AlN).
Sono stati considerati questi materiali perché svolgono la funzione di isolante elettrico, non di isolante termico Una condizione auspicabile per la scelta dell’isolante è la lavorabilità del materiale: sia l’allumina, sia il nitruro di boro, sia il nitruro di alluminio sono materiali ceramici caratterizzati da notevole durezza e fragilità: per questo
Singolo “petalo” di grafite con superfici laterali inclinate per non far passare le particelle del fascio Unione di tutte le parti in grafite. In rosso si nota lo spazio tra un “petalo” e quello adiacente Distanza di 1 mm tra un petalo e quello successivo
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motivo, ad esempio, non sono state fatte filettature al loro interno. I diversi elementi del collimatore sono stati collegati per mezzo di flange che, oltre a non richiedere la creazione di filetti sull’isolante, impediscono anche alla polvere di grafite rilasciata durante l’esercizio di creare un collegamento elettrico con il rame.
Per non rischiare di danneggiare il materiale fragile, inoltre, sono stati inseriti degli anelli di acciaio inossidabile attorno alle flange per impedire alla testa della vite di insistere direttamente sugli altri materiali (vedi Figura 2.28). Il materiale isolante scelto per la progettazione del collimatore è il nitruro di boro. Le ragioni che hanno a questa scelta sono state le seguenti:
1. Con isolante in ALLUMINA si hanno temperature massime sulla grafite e sul canale da vuoto troppo elevate. Il costo, inoltre, è certamente superiore visto che è possibile produrli solo per sinterizzazione; 2. Con isolante in NITRURO DI ALLUMINIO le temperature sono molto inferiori sia rispetto all’allumina,
sia rispetto al nitruro di boro, in quanto il coefficiente di conducibilità termica è maggiore. I costi elevati e l’immediata disponibilità di nitruro di boro presso i Laboratori, però, hanno orientato la scelta su quest’ultimo materiale.
Nei seguenti digrammi (Figura 2.26 e Figura 2.27) sono rappresentate le temperature massime del collimatore e quelle del canale da vuoto in funzione dello spessore del canale da vuoto e dello spessore dell’isolante, indicato nei grafici con ‘si’.
È stata valutata la temperatura massima della grafite (Figura 2.26), durante la scelta del materiale isolante, per avere un’idea delle temperature massime raggiunte nel collimatore: avere temperature molto elevate nella grafite potrebbe essere svantaggioso perché potrebbero generarsi tensioni interne al materiale a causa dei gradienti termici.
È stato valutato anche il comportamento del canale da vuoto (Figura 2.27) perché l’aumento della sua temperatura potrebbe dar vita a fenomeni di ossidazione e perdita di durezza nell’Al5083. Quest’ultimo aspetto è fondamentale per il corretto funzionamento di tutta la facility, in quanto le guarnizioni utilizzate per garantire la tenuta del vuoto lavorano correttamente quando la durezza del materiale di cui sono fatte è minore rispetto a quella dei materiali tra cui sono poste.
Sia nel caso del collimatore, sia nel caso del canale da vuoto le temperature massime aumentano con lo spessore del materiale isolante (nitruro di boro).
Nelle Figura 2.26 e Figura 2.27 sono stati riportati solamente i risultati ottenuti dalle simulazioni con canale da vuoto in Al5083 e isolante in nitruro di boro, poiché saranno questi i materiali scelti per il sistema.
Il modello utilizzato in ANSYS per svolgere le simulazioni è rappresentato in Figura 2.13.
Figura 2.26: Andamento della temperatura massima presente sul collimatore al variare dello spessore del canale da vuoto e dello spessore dell’isolante (si)
0 100 200 300 400 500 600 700 800 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 Te m p era tu re m ass im a G RAFIT E [° C]
Spessore del canale da vuoto [mm]
Temperatura massima del collimatore in grafite POCO
EDM-3
(isolante: BN; calanale da vuoto: Al5083)
si = 15 mm si = 25 mm si = 35 mm
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Figura 2.27: Andamento della temperatura massima misurata sul canale da vuoto al variare dello spessore del canale e dell’isolante (si)
Le temperature massime sul collimatore e sul canale da vuoto si hanno quando: 1. Lo spessore dell’isolante è pari a 35 mm;
2. Lo spessore del canale da vuoto è 0.05 mm.
Considerando le temperature massime di utilizzo dei materiali, indicate nel paragrafo 2.3.1, si può concludere che il dimensionamento del collimatore è verificato anche nella condizione più critica: la grafite POCO EDM-3, infatti, può lavorare a temperature molto superiori rispetto a 700°C.
Sono stati considerati spessori del canale da vuoto compresi tra 0.05 mm e 0.5 mm per valutare che le temperature raggiunte non abbaino effetti negativi sugli altri componenti adiacenti al collimatore; in particolare, queste simulazioni, che presentano spessori molto ridotti del canale da vuoto, servono per verificare che i soffietti presenti lungo la linea protonica e posti in prossimità del collimatore, non raggiungano temperature eccessivamente elevate. Lo spessore delle flange dell’isolante, lo spessore degli anelli in acciaio e la lunghezza delle viti utilizzate per collegare l’isolante al rame influenza lo spessore minimo di questo materiale: durante la progettazione del collimatore è stato considerato uno spessore minimo di 31 mm per lo strato di isolante. Così facendo sono garantiti giochi sufficienti per l’inserimento delle viti per il collegamento del pezzo con gli altri componenti del collimatore. Questo aspetto sarà fondamentale anche per la progettazione del componente in rame e per la definizione del sistema di raffreddamento, oltre ad influenzare anche la sequenza di montaggio del collimatore: per poter assemblare l’assieme l’isolante dovrà essere collegato prima alla grafite, poi al rame (vedi Figura 2.28).
0 20 40 60 80 100 120 140 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 Te m p era tu re m ass im e d el CANAL E DA VU OT O [° C]
Spessore del canale da vuoto [mm]
Temperatura massima del CANALE DA VUOTO in
Al5083 (isolante: BN)
si = 15 mm si = 25 mm si = 35 mm
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