Analisi numerico strutturale e verifiche sperimentali di materiali compositi tradizionali e con sensoristica in fibra ottica inglobata

La presente attività prende in esame diverse tematiche, l’analisi di una particolare connettorizzazione di fibre ottiche, specialmente adatta per sensoristica inglobata in materiali compositi, una tipologia di sensori rimuovibili ed una soluzione alternativa per una struttura di supporto detector dell’esperimento CMS al CERN di Ginevra. Le attività discusse nel corso del presente lavoro sono stati condotte su strutture in materiale composito tradizionale o con sensoristica in fibra ottica inglobata.
Lo studio di connettorizzazione “embedded”, cioè inglobata, per strutture in materiale composito o per la realizzazione di smart patch è il frutto di un’evoluzione di successive soluzioni nell’ambito della connettorizzazione per fibra ottica; la ricerca di una alternativa alle attuali soluzioni commerciali nasce dall’avere sensori e connettori ottici perfettamente inseriti nelle strutture da monitorare, in grado di assicurare una corretta giunzione ottica della fibra e, allo stesso tempo, non perturbare il componente in cui sono montate. Il lavoro presenta un’idea in grado di dare soluzione a questo aspetto, l’obbiettivo ultimo è quello di avere componenti intelligenti (smart structures), in grado di eseguire autodiagnostiche durante la fase operativa, con sensoristica e connessione in fibra ottica perfettamente inserite nella struttura. L’attuale stato dell’arte nell’ambito delle giunzioni ottiche ha, infatti, come problemi quello di essere di grandi ingombri, talvolta superiori a quelli del componente in cui in connettore si va ad inserire e il non permettere di lavorare il materiale composito dopo l’introduzione dei giunti ottici. Il connettore magnetico, che si va a introdurre nel corso del presente elaborato, sembra essere la soluzione a questi problemi, le sue ridotte dimensioni e la possibilità di lavorare il composito anche nelle zone immediatamente a ridosso dello stesso sono aspetti innovativi e di interesse tecnologico caratterizzanti questi giunti.
La sensoristica FBG applicata su un supporto rimuovibile nasce dall’idea di avere un sistema di monitoraggio particolarmente indicato per componentistica in pressione a sezione costante (tubi, condutture o serbatoi cilindrici). Il vantaggio di avere questa tipologia di sensori rispetto ai tradizionali è legato da un lato dalla possibilità di poter recuperare il sensore al termine del monitoraggio, dall’altro a ridurre ulteriormente la perturbazione del componente monitorato. Gli svantaggi sono, invece, legati alla non solidarietà del sensore con la struttura a cui è fissato. Lo scopo che il presente lavoro si prefigge, è quello di dimostrare come il sensore riesca ad eseguire correttamente le misure anche se posto su un supporto rimuovibile. I test eseguiti hanno, infatti, messo a confronto diretto due diversi metodologie di misura, basata su comparazione laser, ha dimostrato come non ci siano sensibili variazioni nelle due rilevazioni. L’analisi riportata dimostra quindi la funzionalità del sensore rimovibile sia per sollecitazioni di tipo statico che per carichi dinamici.
La realizzazione del frame di supporto per l’esperimento CMS nasce dall’esigenza di dover potenziare i suoi detector, le RPC (Resistive Plate Chambers), in vista di un possibile upgrade dell’acceleratore. Il presente layout permette di alloggiare una doppia GAP, il nuovo design, invece, avrà spazio per due GAP aggiuntive raddoppiando, di fatto, l’efficienza del rivelatore. Un sistema di rivelazione che rimanga negli stessi ingombri del precedente, ma con un potere di rilevazione circa doppio, rappresenterebbe un passo avanti per lo studio degli eventi intercorrenti tra le particelle cariche e quindi la comprensione di quello che è successo durante il Big Bang.
Negli esperimenti che militano nel campo della fisica delle alte energie, è importante avere della componentistica con basso peso specifico nella zona d’interazione delle particelle per limitare le interferenze con le stesse. Si cerca, inoltre, 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 noto che un’elevata rigidezza è tipica di strutture massive caratterizzate da una ridotta trasparenza alle radiazioni. Ai due elementi sopra citati si aggiunge la necessità di realizzare strutture che non interagiscano con le particelle e che non generano campi magnetici, ovvero strutture amagnetiche. Questi tre aspetti tra loro contrastanti, sono alla base del dimensionamento strutturale del frame per l’esperimento CMS (Compact Muon Solenoid).