Sviluppo del sistema di movimentazione della Faraday-Cup

Come è stato accennato nel capitolo 4, la Faraday-Cup è un dispositivo di diagnostica in grado di eseguire movimenti lineari per poter intercettare il fascio in maniera trasversale. Dunque lo sviluppo di un sistema dedicato alla movimentazione di tale strumento si rende necessario, sulla base delle specifiche funzionalità richieste.

In particolare analizzando il movimento richiesto per garantire un corretto funzionamento del dispositivo (Figura 6.7), si osservano due posizioni di riferimento:

 A: posizione di riposo nel quale lo strumento non risulta intercettato dal fascio

protonico;

 B: posizione di lavoro nel quale lo strumento è intercettato dallo spot per le

operazioni di scansione dello stesso.

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La box di grafite deve essere movimentata da una posizione di riposo fintantochè l’asse di riferimento della stessa va a coincidere con l’asse del fascio protonico; in quest’ultima configurazione la coppa della Faraday-Cup risulta completamente intercettata dal fascio protonico e vi rimane nel tempo sufficiente per le operazioni di scanning, per poi ritornare nella posizione iniziale di riferimento. Durante le operazioni di movimentazione della coppa, dalla posizione di riposo alla posizione di lavoro, il fascio protonico per qualche istante va ad intercettare le parti di sostegno della stessa, realizzate in tantalio; dunque è stata modificata la geometria della box di grafite al fine di fermare localmente il fascio per schermare tali componenti. La soluzione adottata per il sistema di movimentazione richiesto è rappresentata nella Figura 6.8.

Figura 6.8: vista del sistema di movimentazione adottato

Il dispositivo è costituito da un attuatore pneumatico rotativo in presa diretta con una madrevite, a sua volta supportata alle estremità con opportuni cuscinetti volventi; la scelta di un sistema rotativo si ritiene opportuna per garantire una certa precisione di posizionamento, superiore rispetto a quella conferita da un semplice attuatore lineare; per conoscere le caratteristiche del motore considerato si rimanda alla consultazione del datasheet presente negli allegati.

Dunque una chiocciola si rende necessaria per la trasformazione del moto rotatorio in moto lineare; quest’ultima è fissata ad una guida che si presta a garantire la rettilineità del movimento con un certo grado di precisione.

179 Sempre nella chiocciola è fissata l’asta di sollevamento al quale è saldamente collegata la Faraday-Cup in corrispondenza dell’estremità libera; un soffietto metallico, assieme alle guarnizioni opportunamente sagomate, si rendono necessari per assecondare il movimento dell’asta e per garantire le condizioni di vuoto in corrispondenza del passante, realizzato nella flangia di accoppiamento.

Inoltre il passo ridotto della madrevite è tale da impedire il moto retrogrado prodotto dal carico ad essa collegato; infatti nell’eventualità in cui venisse a mancare l’alimentazione dell’aria compressa, l’effetto dell’attrito statico che si realizza in corrispondenza del filetto, assicura la Faraday-Cup in una posizione fissa e l’effetto del peso non produrrebbe alcun movimento verticale.

Nella Figura 6.9 seguente è rappresentato il sistema di movimentazione accoppiato correttamente con la Faraday-Cup quando si trova nella posizione di lavoro. L’asta di sollevamento, come pure il blocco di sostegno del dispositivo di diagnostica, è realizzato in acciaio AISI 316, mentre la flangia di accoppiamento del sistema di azionamento è realizzata in lega di alluminio Al 6082.

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Il sistema di movimentazione sviluppato assicura un corretto funzionamento del dispositvo nelle fasi di azionamento. Nel prossimo paragrafo verranno descritte le analisi termiche condotte nella camera di diagnostica appena definita, al fine di valutare i livelli termici raggiunti nei singoli componenti e verificare il sistema di raffreddamento nella nuova configurazione.

6.5 Analisi termica

Una volta definita la nuova geometria della camera del sistema di diagnostica, è stato possibile eseguire delle analisi termiche per tenere conto dell’effetto combinato prodotto dalla Faraday-Cup e dal Beam-Profiler, al fine di verificare le temperature massime raggiunte nei singoli componenti in riferimento alle temperature limite di utilizzo dei rispettivi materiali.

Al riguardo è stato sviluppato un modello semplificato costituito dalla camera raffreddata, al quale sono accoppiati la Faraday-cup, il Beam-Profiler, il disco soppressore, il disco collimatore e tutti gli elementi di collegamento che si rendono necessari, ovvero i tubi di raccordo e le flange di accoppiamento (Errore. L'origine riferimento non è stata

trovata.).

181 Inoltre nei canali di raccordo, in riferimento al modello semplificato, sono stati inseriti degli schermi in grado di contrastare l’irraggiamento prodotto nei riguardi di alcune parti in acciaio ritenute critiche; questi sono realizzati da una serie di dischi in tantalio coassiali, opportunamente distanziati e forati per non ostacolare il raggiungimento del vuoto. In particolare è stato adottato uno schermo in corrispondenza del Beam-Profiler, per contenere le temperature raggiunte nel passante rotante e nel sostegno in acciaio, mentre un altro schermo è stato posizionato in prossimità della pompa turbomolecolare, al fine di limitare i livelli termici delle parti in acciaio.

Sulla base del modello semplificato descritto è stato realizzato un programma APDL che riassume i comandi per l’esecuzione dell’analisi mediante il codice di calcolo ANSYS.

Quindi dopo aver importato i files.IGS del modello 3D, sono state importate le caratteristiche dei materiali e definite le emissività delle parti interessate da scambio termico per irraggiamento. Al rigurdo, per la consultazione dei comandi implementati si rimanda alla lettura del listato presente in appendice. Nell’analisi termica si è scelto di discretizzare il modello con l’elemento volumetrico SOLID 90; tale elemento è costituito da 20 nodi, ognuno con un grado di libertà, la temperatura (Figura 6.11).

Figura 6.11: geometria dell’elemento SOLID 90

Il modello è stato discretizzato con una mesh ad elementi tetragonali, aventi come dimensione caratteristica pari a 8 mm per la camera esterna, 1 mm per la sonda rotante e 3

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Figura 6.12: rappresentazione della mesh generata

Per quanto riguarda il carico termico che rissume il sistema di raffreddamento della camera, analogamente a quanto fatto nell’analisi termica descritta nel capitolo 4, sono stati applicati dei carichi convettivi in prossimità dei canali della camera al fine di simulare il flusso dell’acqua deionizzata, utilizzata come fluido vettore e vincolata alla temperatura di

35° C.

Analogamente a quanto fatto precedentemente per il Beam-Profiler e per la Faraday-Cup, sono state applicate le potenze per unità di volume nelle porzioni intercettate dal fascio protonico. In particolare è stata assegnata a una potenza di 640 W in corrispondenza della porzione di filo intercettata dal fascio e una potenza di 8 kW nel blocco di grafite, in prossimità della parte investita dallo spot.

Nella Figura 6.13 è rappresentato l’andamento di temperatura che risulta dall’analisi svolta, mentre nella Tabella 6.1 seguente sono riassunte le temperature massime registrate nei singoli componenti.

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Figura 6.13: andamento delle temperature [°C] che risulta dall’analisi termica

Componente Materiale Tmax [°C] Tlim [°C]

Dischi collimatori Grafite C 763.59 2000

Camera e tubi di raccordo Al 6082 192.97 400

Sostegni sonda rotante Tantalio Ta 873.64 1700

Sostegno Beam-Profiler AISI 316L 252.67 600

Passante rotante AISI 316L 66.31 600

Schermo Beam-Profiler Tantalio Ta 401.24 1700

Schermo lato Pompa Tantalio Ta 534.84 1700

Tabella 6.1: temperature massime registrate nei singoli componenti

I risultati mostrano come i componenti siano verificati termicamente, giacché le temperature massime riscontrate non superano i rispettivi valori limiti.

1 11X Y Z thermal analysis 41.9553 407.608^773.26 1138.91^1504.571870.22^2235.872601.52^2967.183332.83 NOV 27 2014 09:45:22 NODAL SOLUTION STEP=1 SUB =48 TIME=5000 TEMP (AVG) RSYS=0 SMN =41.9553 SMX =3332.83

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Figura 6.14: andamento della temperatura [°C] riscontrato nella camera e nei tubi

Osservando in maggior dettaglio l’andamento delle temperature nella camera e nei tubi di raccordo (Figura 6.14), si notano dei livelli termici elevati in corrispondenza delle flange di accoppiamento dove sono collocate le guarnizioni in indio. Queste ultime hanno una bassa resistenza termica e in misura cautelativa viene considerata per tali componenti una temperatura massima di utilizzo pari a Tlim= 100 °C; per queste ragioni si rendono necessarie

delle flange raffreddate per contrastare i livelli termici raggiunti in prossimità di questi. Quindi, sulla base dei risultati ottenuti, il modello di riferimento è stato aggiornato per poter tener conto delle nuove flange raffreddate, posizionate in corrispondenza delle estremità dei tubi di raccordo (Figura 6.15).

1 11X Y Z thermal analysis 41.9553 58.7342^75.513292.2921^109.071125.85 ^142.629159.408^176.187192.966 NOV 27 2014 09:45:04 NODAL SOLUTION STEP=1 SUB =48 TIME=5000 TEMP (AVG) RSYS=0 SMN =41.9553 SMX =192.966

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Figura 6.15: particolare delle flange raffreddate solidali alla camera di diagnostica

Dunque è stata condotta un’ulteriore analisi termica in riferimento al modello aggiornato; in particolare sono stati aggiunti i carichi convettivi in corrispondenza delle flange, che riassumono il passaggio del liquido refrigerante, e sono stati aggiunti dei tubi di raccordo lungo l’asse del canale protonico per osservare l’effetto prodotto dall’irraggiamento nei riguardi dei componenti adiacenti.

Le dicretizzazione del modello, le proprietà dei materiali e i carichi termici assegnati sono rimasti invariati rispetto all’analisi precedente.

Nella figura è rappresentato l’andamento di temperatura che risulta nella camera e nei tubi di raccordo (Figura 6.16), mentre nella Tabella 6.2 seguente sono riassunti i livelli termici massimi registrati nei singoli componenti.

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Figura 6.16: andamento della temperatura [°C] riscontrato nella camera e nei tubi

Componente Materiale Tmax [°C] Tlim [°C]

Dischi collimatori Grafite C 768.1 2000

Camera e tubi di raccordo Al 6082 129.20 400

Sostegni sonda rotante Tantalio Ta 875.63 1700

Sostegno Beam-Profiler AISI 316L 251.35 600

Passante rotante AISI 316L 87.07 600

Schermo Beam-Profiler Tantalio Ta 402.59 1700

Schermo lato Pompa Tantalio Ta 531.32 1700

Tabella 6.2: temperature massime registrate nei singoli componenti

Dai risultati si evince come le temperature raggiunte nei tubi di raccordo, in corrispondenza delle flange, siano scese rispetto al caso precedente; in particolare si registrano temperature inferiori ai 100 °C in corrispondenza delle tenute realizzate in indio, che dunque risultano verificate termicamente.

1 11 X Y Z thermal analysis 41.9279 51.6246^61.321371.018 ^80.714890.4115^100.108109.805^119.502129.198 NOV 10 2014 17:54:06 NODAL SOLUTION STEP=1 SUB =263 TIME=5000 TEMP (AVG) RSYS=0 SMN =41.9279 SMX =129.198

187 Inoltre si può osservare un netto abbassamento delle temperatura in prossimità delle zone protette dagli schermi. Questo giustifica l’efficacia prodotta degli stessi nel contrastare l’irraggiamento, nonché permettono di abbassare le temperature dei componenti ritenuti critici. In particolare, osservando il gradiente termico riscontrato nel Beam-Profiler (Figura 6.17), si nota l’efficacia prodotta dallo schermo nei confronti del sostegno e del passante rotante, entrambi realizzati in acciaio.

Figura 6.17: andamento della temperatura [°C] riscontrato negli elementi del Beam-Profiler

Inoltre, sulla base dei risultati ottenuti, si è ritenuto opportuno applicare un ulteriore schermo in corrispondenza del sistema di movimentazione per limitare la temperatura raggiunta nella flangia di accoppiamento, dove è fissato il soffietto e la relativa tenuta.

Dunque è stato possibile sviluppare un sistema di diagnostica completo di tutti i componenti necessari per un corretto funzionamento, sulla base delle specifiche condizioni operative (Figura 6.18 e Figura 6.19).

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Figura 6.18: : vista in sezione del sistema di diagnostica

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