Sviluppo dei “ledges”

Nella Figura 4.4 è riportato il disegno costruttivo per i ledge lato “read-out” dei moduli “single sided” del TIB, già descritti nel paragrafo 1.5.

Figura 4.4 Disegno costruttivo ledge “read out” per tubo da 3.5 mm

Questo componente consente lo smaltimento dell’ 80% della potenza generata nel modulo ed ha un’area di contatto simile a quella dell’ altro ledge (dummy ledge) a cui è affidato il restante 20% della potenza.

Per arrivare alla configurazione attuale di Figura 4.4 sono stati eseguiti numerosi tentativi per aumentare le superfici di contatto con i tubi della stringa, che sono incollati ai ledges, e con il modulo.

Lo scopo di questi tentativi è stato ridurre il più possibile la resistenza termica per diminuire la differenza di temperatura tra il fluido refrigerante e la superficie di contatto con il modulo. Questa resistenza può essere suddivisa in vari contributi:

• la convezione nel fluido;

• la conduzione nel tubo di alluminio, nella colla e nel ledge di alluminio; • la resistenza d’interfaccia dovuta al contatto tra il modulo ed il ledge.

I singoli contributi verranno analizzati in dettaglio nel capitolo 5; di seguito si illustra brevemente quali sono le vie percorribili per aumentare la conducibilità termica complessiva attraverso i ledges. Una possibilità è quella di aumentare il valore della pressione di contatto tra ledge e modulo, magari su un area maggiore, ridurre la rugosità delle superfici accoppiate e migliorarne la planarità. Un altro modo per ridurre la resistenza di contatto e’ l’inserimento di un materiale termoconduttore tra le due superfici; attualmente ci sono due possibilità in questo senso e sono: le paste conduttrici o i cuscinetti siliconici, caricati o no, od altri materiali simili. Entrambi sono stati scartati per motivi differenti: i primi non garantiscono valori di degasaggio e affidabilità richiesti per lunghi periodi di funzionamento; i secondi richiedono valori di pressione di contatto elevati, dell’ordine dei 100 KPa, non ottenibili nel nostro caso. La configurazione attuale utilizza soltanto due viti M1 per ciascun ledge, che premono su un area inferiore al 10% della superficie di contatto [Juvinall] con una forza esigua. Per questo motivo ci si è dovuti affidare molto di più alla qualità delle superfici di contatto stesse, richiedendo piccole rugosità ed elevata planarità. A tale scopo i ledges verranno anodizzati per migliorarne la finitura superficiale. Come appare anche dalla Figura 4.5, la reale superficie a contatto tra due componenti rugosi, anche con l’introduzione di adesivo termoconduttore, rimane modesta, se questo ha spessore comparabile con la planarità delle superfici affiancate [21].

Figura 4.5 Superficie di contatto reale con pellicola adesiva interposto. (1mil=25,4 µm)

Come è visibile nella Figura 4.6 non è possibile aggiungere ulteriori viti verso i bordi del modulo per la presenza del tubo di raffreddamento e per consentire l’accesso alle viti con i moduli adiacenti installati.

Figura 4.6 Fissaggio dei modulo sui ledges “read out”

Per evitare l’ allontanamento delle due superfici, a causa delle deformazioni meccaniche del modulo ,si deve studiare adeguatamente il collegamento dei ledges alla struttura in fibra di carbonio del cilindro, in maniera che vengano minimizzate assorbire. Queste possono produrre un meato di aria tra le due superfici di contatto di alcuni micrometri [6], che si comporta come uno strato di isolante.

I ledges hanno subìto modifiche significative, soprattutto dettate dal cambiamento della sezione del tubo della stringa: all’inizio la sede dove viene alloggiato il tubo era di sezione quadrata (Figura 4.7), per il tubo d ∅ 4 mm e spessore 0.5 mm avvolto dalla colla termoconduttrice (in viola in figura),

Viti M1 di fissaggio

Figura 4.7 Ledge read-out con cava aperta

In seguito si è provata la soluzione detta “chiusa” (Figura 4.8), ovvero la sede è stata sostituita da un foro passante che alloggiava il tubo, sempre da ∅ 4 mm.

Figura 4.8 Ledge read-out “chiuso”

La configurazione “chiusa” presenta un aumento della superficie di contatto, ma per essere efficiente necessita di un notevole spessore di alluminio intorno al tubo, come visibile in Figura 4.8. e difficoltà di montaggio.

Una stima eseguita dai progettisti dell’INFN di Pisa, derivante da un calcolo agli elementi finiti eseguito con il programma I-deas, indica una diminuzione del salto termico di quasi 4°C, su un totale di 14°C passando alla configurazione “chiusa”. Il calcolo, che ha funziona solamente comparativa tra le due soluzioni, è stato eseguito modellando soltanto il ledge ed il tubo, imponendo, come condizioni al contorno, sulla superficie superiore una potenza termica entrante, ed all’interno del tubo un coefficiente di scambio termico con la temperatura di riferimento pari a -25°C.

Figura 4.9 Analisi agli elementi finiti del ledge “read out aperto” con tubo ∅4

Figura 4.10 Analisi agli elementi finiti del ledge “read out chiuso” con tubo ∅4

Nei calcoli eseguiti con I-deas si è sfruttata la simmetria della geometria e dei carichi termici, modellando soltanto metà del ledge. La potenza applicata sulla superficie di contatto con il modulo rivelatore è uniformemente distribuita e pari a 2 watt (per un totale di 4 watt, del modulo “double sided”) per verificare il funzionamento nelle condizioni peggiori.

L’ipotesi di potenza uniformemente distribuita, anche se non realistica a causa delle reali deformazioni del modulo durante il raffreddamento [6], permette di eseguire il confronto tra le due configurazioni studiate.

2 watt

T=-25°C

2 watt

Per entrambi i calcoli si è imposta all’interno del tubo una temperatura del fluido di – 25°C e un coefficiente di scambio termico di 1700 W/m2K.

In entrambi i modelli si è considerata anche la zona d’incollaggio tra il tubo ed il ledge di alluminio, (indicata in viola nella Figura 4.8), composta da colla termoconduttrice (conducibilità termica 2 W/mK) in modo da valutare il suo contributo.

In Figura 4.9, con la configurazione aperta, la temperatura massima raggiunta dall’alluminio è –11.2°C a fronte dei –14.9°C riportati in Figura 4.10.

Dopo alcuni prototipi realizzati con i ledges di tipo chiuso si è dovuto abbandonare questa configurazione per le difficoltà tecniche dell’incollaggio e della formatura delle stringhe, che deve essere eseguita contemporaneamente all’assemblaggio dei ledges.

La soluzione finale, che utilizza le stringhe a sezione schiacciata, rappresenta un compromesso tra le due soluzioni analizzate anche se risente della diminuzione del diametro del tubo della stringa.