Scelta dei materiali ed analisi strutturale per supporti di rivelatori di particelle dell’esperimento BTeV a FermiLAB (U.S.A.)

In tutti gli esperimenti che militano nel campo della fisica delle alte energie, è importante avere della componentistica di basso peso specifico nella zona d’interazione delle particelle; questo permette di avere una ridotta massa attraversata con conseguente alta trasparenza alle radiazioni. Il lavoro svolto consiste essenzialmente nella scelta dei materiali e nel calcolo strutturale,
condotto al calcolatore, di un supporto di rivelatori di particelle. Nel caso preso in esame, a fianco alla necessità di avere un componente con alta trasparenza alle radiazioni, si è cercata anche una buona rigidezza della struttura poiché destinata a supportare rivelatori di tracking di particelle ad alta precisione da tenere in posizione fissa onde evitare di limitare la loro sensibilità con
l’introduzione di indeterminazioni sulla loro collocazione. I due aspetti considerati sono, per l’attuale stato dell’arte, difficilmente conciliabili; è risaputo, infatti, che un’elevata rigidezza è tipica di strutture massive caratterizzate, come facilmente comprensibile, da una ridotta trasparenza alle radiazioni. Ai due elementi sopra citati deve aggiungersi anche la necessità di
realizzare strutture amagnetiche che non interagiscano con le particelle per la creazione di campi magnetici.
Lo studio inizialmente condotto ha mirato a coordinare questi tre aspetti, si è pertanto fatta un’analisi dei materiali attualmente conosciuti al fine di individuare quelli che meglio sono conformi alle specifiche.
La scelta di realizzare un supporto in materiale espanso, pur rispettando le due specifiche d’amagnetismo e trasparenza, crea problemi legati alla funzione strutturale richiesta dall’interfaccia. In conformità a quest’ultima considerazione si è pensato di realizzare una struttura composita costituita da un sandwich scatolato con pelli in pre-preg unidirezionale realizzato in epossidico con rinforzo in fibra lunga di carbonio e core in rohacell. Il primo passo è stato la formulazione di varie ipotesi di sezioni alternative; tra le possibilità presentate, si è scelta quella ritenuta più valida. Questa
soluzione, sviluppata dal gruppo BTeV dell’INFN, è stata presentata come alternativa al supporto progettato dal Fermilab in quanto considerata essere di maggior rigidezza a parità di massa attraversata.
Il calcolo agli elementi finiti condotto è stato orientato alla valutazione delle proprietà meccaniche del supporto, in un primo tempo con l’applicazione di sollecitazioni semplici (sforzo assiale, momento flettente e torcente), quindi con la simulazione di carichi reali legati ai sensori da applicare. In quest’occasione si è cercato di valutare quella che è
la struttura più rigida ottenibile variando l’orientazione delle pelli di composito.
Come seconda analisi si è passato allo studio del supporto a cui il supporto in esame va ad ancorarsi; ciò ha permesso di avere un’idea più precisa dell’entità delle sollecitazioni del componente, per effetto delle azioni agenti sull’interfaccia. Si è eseguito in questo modo uno studio più generale delle sollecitazioni a cui questo componente è sottoposto. Nello sviluppare questa
sezione si è avuta la possibilità di avere un riscontro più attendibile mediante la realizzazione ed il testing di un prototipo reale del frame, questo ha permesso di eseguire una taratura su banco del modello realizzato al calcolatore ed una verifica dello stesso. Il passo successivo è stato quello di
effettuare un parallelo tra le due soluzioni, la prima sviluppata in Italia e l'altra americana, si sono eseguiti dei confronti sulla base delle differenti rigidezze a parità di massa introdotta nel cammino delle particelle.
Durante il lavoro di tesi si è seguita e documentata anche la fase che porterà alla realizzazione dello stampo dell’interfaccia; in questa sede si sono valutate le varie metodologie di realizzazione e si sono scelte quelle ritenute più valide, in quanto permettono o di facilitare la realizzazione e l’assemblaggio delle singole parti oppure sono in grado di migliorare la struttura dal punto di vista dell’aumento di rigidezza o della riduzione della massa.