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

In questo lavoro sono stati effettuati studi approfonditi circa le prestazioni termofluidodinamiche del sistema di raffreddamento dei rivelatori al silicio installati nel “tracker inner barrel” (TIB) dell’esperimento CMS (compact muon solenoid), che nei prossimi anni entrerà in funzione presso i laboratori internazionali del CERN di Ginevra.
L’esperimento CMS è installato sull’acceleratore attualmente più potente del mondo, LHC (large hadron collider) e quindi tutti i suoi componenti, il cui periodo di funzionamento è previsto per un tempo di circa 10 anni, saranno sottoposti ad una dose di radiazioni che non ha precedenti nella fisica delle alte energie (tra 104 e 105 Gy per anno, date principalmente da neutroni veloci ad energia superiore a 100keV).
Questi intensi campi di radiazione rendono molti aspetti della progettazione dei rivelatori di CMS simili a quelli dei componenti impiegati negli impianti nucleari di potenza. Inoltre, come negli impianti nucleari a neutroni termici, anche in questi rivelatori è importante assicurare un basso assorbimento parassita, che si traduce in requisiti di trasparenza alle radiazioni: si deve minimizzare l’assorbimento di ogni tipo di particella da parte delle strutture, per non perdere le informazioni necessarie alla ricostruzione dell’evento occorso nella collisione dei fasci.
Oltre ai requisiti di trasparenza alle radiazioni, e quindi di leggerezza, il sistema di raffreddamento in questione deve soddisfare stringenti vincoli geometrici dati dall’elevato impacchettamento dei rivelatori nelle zone poste in prossimità del volume di interazione dei fasci.
Il lavoro, svolto durante la tesi, ha portato allo sviluppo di un circuito di refrigerazione che soddisfi i limiti di temperatura imposti per il funzionamento dei rivelatori al silicio, con una configurazione più leggera di quella precedentemente proposta presso l’INFN di Pisa; ciò nonostante la complicazione introdotta in itinere dall’adozione di un substrato dell’elettronica di lettura in FR4, in luogo di quello in allumina, che aveva conducibilità termica 100 volte superiore.
Le analisi svolte con una serie di modelli numerici, di diverse complessità, hanno permesso di individuare i punti critici del sistema, e un’approfondita campagna sperimentale, svolta in parte all’INFN di Pisa ed al CERN di Ginevra, ha confermato tali previsioni.
La configurazione del circuito di refrigerazione che ne è scaturita è attualmente in fase di realizzazione e sarà installata nel primo prototipo dello strato 3 del TIB, in costruzione presso l’INFN di Pisa.
L’attività condotta con la collaborazione di esperti nei vari settori tecnologici coinvolti, ha permesso di analizzare le problematiche legate alla realizzazione del sistema di raffreddamento, come la saldatura dell’alluminio su spessori sottili, la prova ed il collaudo dei componenti, prima e durante l’installazione, attraverso sistemi automatizzati ed ha condotto alla progettazione di detti sistemi.