Studio e progettazione del sistema di raffreddamento dei rivelatori al silicio del Tracciatore interno (TIB) dell’esperimento CMS (Compact Muon Solenoid)

 
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Introduzione 
 
La fisica delle alte energie costituisce uno dei settori di punta della ricerca 
scientifica in Italia, sia per le numerose partecipazioni a progetti internazionali, che 
per l'entità dei finanziamenti stanziati. I programmi, in cui i ricercatori universitari e 
quelli dell'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) sono impegnati, prevedono la 
costruzione di grossi apparati sperimentali, da realizzarsi negli acceleratori di 
particelle dei maggiori laboratori mondiali. Fra questi spiccano per importanza il 
CERN di Ginevra [1] ed il Fermilab di Chicago [2].  
Queste macchine, formate da anelli sotterranei di enormi dimensioni, 
accelerano particelle subnucleari (protoni-antiprotoni nel Tevatron del Fermilab e 
protoni nel Large Hadron Collider (LHC) del CERN [3]). Gli esperimenti di fisica delle 
alte energie hanno lo scopo di rivelare ed analizzare particelle subnucleari prodotte 
dalle collisioni a 14 TeV nel centro di massa delle medesime. 
Il Compact Muon Solenoid (CMS) [4] è uno dei quattro rivelatori più importanti 
del Large Hadron Collider, con una massa totale di 17 000 tonnellate. La sezione di 
Pisa dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare ha la responsabilità della progettazione 
e della costruzione delle parti interne del suo tracciatore: il Tracker Inner Barrel (TIB) 
e il Tracker Inner Disk (TID). La progettazione di questi apparati è molto complessa 
per i requisiti geometrici e funzionali dei componenti e delle loro strutture di supporto 
[4]. 
Le tracce delle particelle vengono ricostruite rilevando il loro passaggio da unità 
di base, dette moduli di rivelazione. Queste circondano la spazio attorno al punto di 
collisione dei fasci incidenti. La struttura meccanica del rivelatore rappresenta una 
fonte di disturbo, in quanto, interagendo con le particelle primarie generate dallo 
scontro dei fasci, produce segnali spuri che potrebbero rendere impossibile la 
ricostruzione degli eventi. Nasce quindi l’esigenza di selezionare materiali strutturali 
a bassa sezione d’urto ed elevata resistenza meccanica per poter minimizzare le 
interazioni con le strutture. E’ inoltre necessario un accurato studio per ottimizzare le 
geometrie della struttura meccanica, rispettando i limiti di rigidezza imposti e 
garantendo al contempo un’elevata conducibilità termica dai rivelatori verso il fluido 
refrigerante. 
 
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Per determinare accuratamente la traiettoria delle tracce è necessario 
conoscere con precisione la posizione dei rivelatori, relativamente ad un determinato 
sistema di riferimento. Gli eventuali scostamenti, rispetto alla posizione nominale, 
dovuti alle tolleranze meccaniche di lavorazione, di montaggio o indotti dai carichi 
meccanici e termici devono essere accuratamente minimizzate e controllate. Inoltre, 
e’ necessario assicurare la stabilità dimensionale nel tempo specificato.  
Nel tracciatore interno si trovano varie sorgenti di calore dovute alla 
dissipazione della potenza elettrica per effetto Joule: l’elettronica di lettura, i cavi di 
alimentazione e dei rivelatori al silicio che, danneggiato dalle radiazioni, riduce la sua 
resistenza elettrica facendo aumentare le correnti parassite (“leakage currents”). È 
quindi indispensabile integrare nella struttura un sistema di raffreddamento attivo.  
La progettazione del sistema di raffreddamento deve garantire il rispetto dei 
limiti di temperatura necessari al funzionamento dei rivelatori con un impiego minimo 
di materiali strutturali e fluido circolante, a causa dei vincoli d’ingombro e dei requisiti 
di natura nucleare sopra citati. Si devono impiegare anche in questo caso materiali 
leggeri ed a basso numero atomico, ma dotati di un’elevata conducibilità termica. 
Un ulteriore requisito deriva dalla complessità e dalla fragilità dei moduli di 
rivelazione che richiede facilità di assemblaggio e di manutenzione per garantirne 
l’affidabilità nel tempo previsto per il funzionamento (10 anni). 
Nella presente tesi si è analizzato il comportamento termico dei moduli di 
rivelazione al silicio e si sono sviluppati i componenti del relativo sistema di 
raffreddamento. Tutte le attività sono state svolte tra l’INFN ed il CERN ed hanno 
richiesto una visione globale di tutti gli aspetti della progettazione del tracciatore, 
dalla meccanica all’elettronica, per poter interagire con tutti i gruppi di sviluppo che 
lavorano alla costruzione del TIB in Europa. 
Lo studio, condotto sia con modelli analitici, anche agli elementi finiti, sia 
mediante prove sperimentali, aveva lo scopo di ridurre le dimensioni dei canali di 
refrigerazione, per assorbire gli aumenti di spessore del modulo rivelatore, a seguito 
della revisione dei componenti elettronici. 
Analizzate le difficoltà oggettive di ridurre ancora le dimensioni dei tubi di 
raffreddamento, si è valutata la possibilità di utilizzare, in luogo di un sistema 
monofase, uno bifase. Sono noti infatti i vantaggi di quest’ultimo sistema: basse 
portate, basse perdite di carico e quindi possibilità di utilizzare canali di refrigerazione 
di sezioni più piccole (diametro dei tubi fino a10 volte minore). Il collegamento di oltre 
 
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600 canali bollenti in parallelo, rende però alti i rischi di instabilità nelle portate di 
efflusso, compromettendo la capacità di refrigerazione. Gli sforzi si sono dovuti 
quindi concentrare sullo sviluppo di un sistema monofase e sulla riduzione delle 
perdite di carico nei condotti dei quali, contemporaneamente, si dovevano ridurre le 
sezioni di passaggio.   
 Il lavoro svolto ha permesso di sviluppare il progetto del sistema di 
raffreddamento da una fase poco più che concettuale alla pre-produzione con il 
prototipo dello strato numero 3 (vedi oltre) attualmente in costruzione presso l’INFN 
di Pisa. Questo risultato è stato ottenuto tenendo conto delle molteplici connessioni 
che legano i componenti del sistema di raffreddamento alla meccanica strutturale e 
di precisione del tracciatore. Il lavoro ha dovuto quindi tenere in conto anche di tutti i 
problemi di ordine pratico e tecnologico che si incontrano nella realizzazione di 
apparecchiature altamente sofisticate, realizzate facendo ricorso a materiali 
innovativi come i compositi e le ceramiche. 
La parte sperimentale ha assunto un ruolo importante, anche in ambito 
internazionale, dove alcune delle esperienze condotte sono state raccolte e prese a 
riferimento anche da altri laboratori che collaborano al progetto del tracciatore. 
Oltre all’analisi del sistema di raffreddamento e delle sue prestazioni si sono 
sviluppate anche le procedure di controllo e le apparecchiature necessarie per 
provare e qualificare i componenti più importanti del sistema. 
Nel seguito della tesi sono state descritte le problematiche tipiche dei rivelatori 
utilizzati nella fisica delle alte energie (capitolo 1) ed in particolare quelle legate 
all’esperimento CMS (Compact Muon Solenoid) e dei suoi rivelatori. 
Nel capitolo 2, invece, è stata approfondita la descrizione del tracciatore interno 
(TIB Tracker Inner Barrel), in particolare le caratteristiche richieste ai materiali 
strutturali impiegati (resistenza alle radiazioni, alta rigidezza, bassa densità…) ed i 
motivi che ne giustificano l’adozione. Compresi i requisiti generali richiesti a tutti i 
componenti del TIB si è iniziato lo studio del sistema di raffreddamento dei moduli 
rivelatori al silicio (capitolo 3) con un analisi critica del fluido refrigerante ed 
approfondendo le sue interazioni con i materiali del circuito idraulico a seguito 
dell’irraggiamento (106 Gy). Nei capitoli 5 e 6 è stata sviluppata, per mezzo di 
considerazioni analitiche, la nuova configurazione del sistema di raffreddamento e 
sono state scelte le tecnologie necessarie per la sua realizzazione. Tutto questo è 
stato poi verificato sperimentalmente, come descritto nei capitoli 6 e 7. A seguito 
 
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dello studio di fabbricazione sono state messi a punto anche i metodi e le 
apparecchiature necessarie per la qualifica del sistema di raffreddamento stesso 
(capitolo 8). Le conclusioni su quanto è emerso dalle attività di tesi sono riportate nel 
capitolo 9. 
 
      Capitolo 1 
 
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1 Descrizione dell’esperimento CMS (Compact 
Muon Solenoid) 
 
In questo primo capitolo viene fornita una descrizione generale dell’esperimento 
Compact Muon Solenoid (CMS), affrontando dapprima le problematiche della fisica 
delle alte energie e poi, più in dettaglio, le loro implicazioni sugli aspetti meccanici 
degli apparati sperimentali oggetto di questo studio. In particolare, vengono descritti i 
sistemi di tracciatura, ovvero i sistemi di ricostruzione delle traiettorie delle particelle 
prodotte nelle interazioni, prendendo a riferimento il tracciatore al silicio di CMS. 
Verrà inoltre descritto il funzionamento di un rivelatore a semiconduttore 
evidenziandone le prestazioni e l’impatto sulla meccanica di supporto. 
 
 
 
Figura 1.1 Panoramica dell’area sperimentale di CMS 
      Capitolo 1 
 
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1.1. La fisica delle alte energie 
 
La fisica delle alte energie si occupa di studiare le leggi fondamentali della 
materia, le particelle elementari che la costituiscono e le loro interazioni. 
Gli strumenti di base per questa ricerca sono gli acceleratori, che producono per 
collisione nuovi stati della materia e suoi costituenti elementari e, grandi apparati 
sperimentali, costruiti intorno alle regioni di collisione degli acceleratori, per 
identificare le nuove particelle e studiarne le proprietà. 
Negli acceleratori più potenti si producono centinaia di particelle per evento e le 
collisioni si ripetono con frequenze tipiche fino 40MHz; i rivelatori devono trattare 
pertanto una mole di dati estremamente complessa e fornire risposte in tempi molto 
rapidi; per contenere gli eventi prodotti nelle interazioni di alta energia si richiedono 
apparati di grandi dimensioni che sono sottoposti ad alte dosi di radiazione e devono 
garantire uniformità di risposta e stabilità nel tempo su tempi caratteristici di molti 
anni. Tutto questo richiede una sforzo tecnologico enorme. Per questa ragione, 
sebbene il settore di indagine delle alte energie sia spesso considerato di stretta 
pertinenza della Fisica, l’Ingegneria svolge in esso un ruolo insostituibile nel proporre 
e sviluppare metodologie di misura ed apparecchiature atte a permettere il corretto 
svolgimento degli esperimenti progettati. Pur restando nell’ambito dell’Ingegneria 
Nucleare, le tecnologie utilizzate ed alcune delle problematiche ingegneristiche per la 
costruzione dei nuovi acceleratori e dei rivelatori sono analoghe a quelle che si 
presentano nei settori aerospaziali e dell’ingegneria avanzata in genere. 
I nuovi rivelatori di particelle sviluppati per l’esperimento CMS hanno una struttura 
cilindrica con un diametro di circa 14 e lunghezza di circa 20 m (Figura 1.2); il peso 
complessivo supera le 14.000 tonnellate. Gli apparati sono costituiti da vari moduli 
organizzati in unità funzionali (rivelatori) contenute all’interno del sistema. La struttura 
portante di CMS è un’enorme struttura in ferro che ospita le camere per muoni e che 
agisce come giogo di ritorno del campo magnetico solenoidale da 4T prodotto dal 
magnete superconduttore che contiene calorimetri e tracciatore. I rivelatori per muoni 
sono dedicati all’identificazione delle particelle più debolmente interagenti prodotte 
nelle collisioni. I calorimetri misurano l’energia rilasciata dai prodotti di reazione più 
      Capitolo 1 
 
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energetici. Il tracciatore ricostruisce la traiettoria delle tracce cariche piegate dal 
fortissimo campo magnetico e ne misura l’impulso. 
La “tracciatura” delle particelle cariche permette anche di ricostruire il punto di 
collisione ricostruendo i “vertici di interazione”. Tali vertici sono i punti in cui hanno 
origine più particelle. Essi vengono suddivisi in “primari” e “secondari”: i primari 
individuano il punto di collisione effettivo e i secondari, generalmente molto vicini ai 
primari, sono prodotti dal decadimento di particelle. 
I sistemi sono progettati in maniera da massimizzare il volume sensibile, sono 
modulari per garantire la possibilità di smontaggio dei componenti per esigenze di 
manutenzione e sono assemblati in maniera da garantire grande precisione di 
posizionamento ed alti livelli di stabilità nel tempo. Nelle Figure 1.2, 1.3 e 1.4 è 
illustrato lo schema del rivelatore di CMS che entrerà in funzione al CERN nei 
prossimi anni. 
 
 
Figura 1.2 Panoramica dell’esperimento CMS e dei suoi rivelatori