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Documento PDF - Università degli Studi di Padova

1. 3 5 V 8 2 4 Y SUPPRESSION POWER SUPPLY DOSE PROCESSOR 447 1 Corpo metallico della Faraday Cup 2 Camera della Faraday Cup la superficie interna puo essere rivestita 3 Astuccio metallico che avvolge il corpo della Faraday Cup pu essere posto a potenziale negativo e quindi svolgere la funzione di elettro sopressore quando non presente l elettrodo di soppressione 4 Diaframma o piatto frontale che definisce la sezione di ingresso alla camera 5 Mezzi isolanti a bicchiere o ad anello 6 Elettrodo soppressore ad anello produce un campo elettrico che respinge all interno della camera gli elettroni secondari che tenderebbero a sfuggire attraverso l apertura di ingresso 112 UN JN 3 FARADAY BIAS SUPPLY Figura 4 1 schematizzazione della Faraday Cup 7 Assembramento di magneti che producono il campo magnetico all interno della camera per inibire la fuga degli elettroni in quanto ne costringono la traiettoria Possono non essere presenti in quanto rafforzano l effetto soppressore gi realizzato dagli elettrodi soppressori 8 Cavo conduttore W Ampiezza dell apertura di ingre
2. Tabella A 7 comportamento di alcune leghe nel processo di anodizzazione Generalmente si opera determinando direttamente la densit di corrente necessaria e di conseguenza che il voltaggio applicato per avere un miglior controllo della velocit di ricoprimento Le diverse leghe richiedono differenti voltaggi per far circolare la stessa densit di corrente 221 La corrente richiesta per unit di spessore del film dipende principalmente dall effetto degli elementi di lega sulla conduttivit dello strato stesso Leghe allo Zinco o Magnesio possiedono alte conduttivit e perci produrranno a parit di corrente circolante film pi spessi di leghe al Rame In figura mostrato il rapporto tra il voltaggio di cella da applicare e il tempo necessario per ottenere un film di un certo spessore con una densit di corrente di 3A dm in acido solforico al 15 Leghe diverse si comporteranno perci in modo diverso interessante anche notare che la curva dell Alluminio puro di posiziona circa a met della serie E possibile perci distinguere le leghe in due grandi gruppi Gruppo 1 Lega eterogenea Basso voltaggio Al Cu Lega omogenea Alto voltaggio Al Cu Mg Gruppo 2 Lega eterogenea Alto voltaggio Al Mg Lega omogenea voltaggio Al Mg Si e Al Mg Zn Lo spessore massimo ottenibile dipende oltre che dalla durata del trattamento e dalla corrente impiega
3. 4 RA 7 Nazionali d Legnaro Figura D 2 nodi della Grid in Italia Un interfaccia web per eseguire la simulazione sfruttando i servizi messi a disposizione da Grid stata assicurata da un portlet dedicato sull IGI web portal che un gateway potente e facile da usare per il calcolo distribuito e la memorizzazione delle risorse 250 In un tipico caso d uso l utente fornisce i file di input iniziali e 1 parametri di configurazione per poi attendere i risultati fino a quando il calcolo terminato Questo processo pu richiedere diverse ore anche giorni utilizzando le risorse disponibili per eseguire questa applicazione Un aspetto fondamentale delle simulazioni lunghe la verifica dell evoluzione dei calcoli in fase di running quindi stata creata una struttura che sfrutta i Grid Storage Elements per rendere i file log temporanei disponibili per la consultazione in fase di running Nei paragrafi successivi verr illustrata la procedura per registrarsi al portale D 2 Richiesta del certificato INFN CA Per poter procedere alla richiesta di certificato occorre possedere innanzitutto e Un account di posta elettronica INFN nome cognome Inl infn it e Un documento d identit valido carta d identit e Il codice fiscale A questo punto possibile recarsi dalla Registration Authority di competenza un ufficio della sede in cui si allocati In caso non si conoscesse l ubicazione necessario col
4. temperatura assoluta del cilindro esterno Dunque i parametri che regolano lo scambio termico e che influenzano in maniera significativa le temperature massime raggiunte nella faraday cup rappresentata dal cilindro interno sono il rapporto tra i raggi r r e l emissivit della camera esterna ipotizzando costanti l emissivit della grafite 4 e il flusso termico scambiato 412 Nell analisi preliminare svolta stata considerata per la camera esterna un valore di riferimento dell emissivit pari a 0 3 Aumentando tale valore assieme al rapporto T2 possibile abbattere in maniera significativa le temperature massime raggiunte nella faraday cup entro valori pi contenuti ricordando che per la grafite un valore ragguardevole di riferimento per la temperatura massima limite si aggira inotrno ai 2000 C Per aumentare il valore dell emissivit della camera in alluminio si ricorrono a trattamenti superficiali localizzati 124 Questi sono opportunamente descritti nell appendice A1 assieme ai risultati ottenuti dalle analisi eseguite per diverse casistiche al variare delle dimensioni e dell emissivit del modello 4 5 2 Sistema di raffreddamento della camera La camera deve poter smaltire una potenza termica teorica massima di 8 XW Dovendo prevedere un sistema di raffreddamento lo si dimensiona come se dovesse smaltire tutta la potenza termica questo modo di procedere in vantaggio di sicurezza nel caso
5. 1 nut 2 insulator 3 petal 4 connection screw 5 positioningscrew Figura 6 22 vista sezione del quarto disco collimatore nell ultima versione sviluppata Quindi i petali preesistenti hanno subito ulteriori lavorazioni per poter essere modificati secondo la nuova versione concepita rappresentata nella Figura 6 23 seguente Figura 6 23 vista del quarto disco collimatore nell ultima versione 191 La soluzione del quarto disco collimatore nella nuova versione risulta pi rigida durante le fasi di assemblaggio e gli isolatori distanziatori garantiscono un buon parallelismo tra le parti affacciate 6 7 Assemblaggio del Front End protonico Dopo aver definito i dispositivi del Front End protonico si rende necessario l accoppiamento delle parti per verificare l assemblaggio del sistema completo nonch individuare eventuali problemi durante le operazioni di montaggio in relazione agli ingombri delle geomtrie sviluppate Quindi nel telaio sono stati accoppiati il sistema di pompaggio la camera di diagnostica e il sistema multi collimatore gi sviluppati e descritti precedentemente Figura 6 24 Figura 6 24 vista dei dispositivi sviluppati accoppiati al telaio Per completare la realizzazione dell assieme rappresentato si rendono necessari opportuni organi di collegamento all ingresso e all uscita del sistema In particolare tali componenti devono assicurare una certa flessibilit di movi
6. DEFINE ELEMENT TYPE PREP7 ET 1 SOLID90 FINISH GEOMETRY IMPORT AUX15 IOPTN IGES NODEFEAT IOPTN MERGE YES IOPTN SOLID YES IOPTN SMALL YES IOPTN GTOLER DEFA IGESIN cooled flange igs IGESIN cooled flange cpy 1 195 IGESIN disk 1 108 IGESIN disk 2 gs IGESIN disk 3 105 IGESIN disk 4 gs IGESIN disk 4 cpy l igs IGESIN disk 4 cpy 2 igs IGESIN disk 4 cpy 3 igs IGESIN flangia igs IGESIN flangia l gs IGESIN guscio igs IGESIN isolatore corto igs IGESIN isolatore corto cpy 1 108 IGESIN isolatore corto cpy 2 gs IGESIN isolatore corto cpy 3 105 IGESIN isolatore corto cpy 4 105 IGESIN isolatore corto cpy 5 105 282 calls the macro for Copper N 28 calls the macro for Alluminum N 31 calls the macro for Stainless Steel N 50 calls the macro for Molibdenum N 30 lexits normally from a processor lenters the model creation preprocessor defines a local element type lexits normally from a processor lenters the IGES file transfer processor set option for IGES import Itransfers IGES data from a file into ANSYS IGESIN isolatore_corto_cpy_6 igs IGESIN isolatore corto cpy 7 gs IGESIN isolatore corto cpy 8 105 IGESIN isolatore corto cpy 9 105 IGESIN isolatore corto cpy 10 105 IGESIN isolatore corto cpy ll igs IGESIN isolatore corto cpy 12 108 IGESIN isolatore corto cpy 13 igs IGESIN isolatore corto 14 108 IGESIN isolatore corto cpy 15 105 IGESIN isolatore_lungo igs IG
7. Dove rappresenta la variazione di temperatura tra ingresso ed uscita che si instaura tra la camera che cede calore e il fluido vettore che lo assorbe ed definita come 4 10 AT 4 10 77 Avendo considerato una temperatura massima cautelativa per l alluminio Tmax 100 C si ha che AT Tmax Ty 100 58 50 41 50 C AT Tmax T 100 20 80 C 58 66 C Dunque la superficie di scambio S risulta Q 8000W _ _ _ _ __ 5 a AT og 6584 88 W m 58 66 C 0 020712 5 Considerazioni di carattere geometrico e costruttivo permettono di realizzare un sistema di raffreddamento costituito da 4 piste longitudinali rappresentate da 4 fori passanti nel corpo centrale della camera e da canali circonferenziali e radiali in prossimit delle testate Il sistema di raffreddamento completo rappresentato nella Figura 4 8 Inoltre delle ulteriori placche opportunamente sagomate si rendono necessarie per la chiusura del condotto stesso al riguardo sono previste delle battute di riferimento al fine di garantire un buon accoppiamento delle placche stesse con la camera in vista delle operazioni di saldatura 128 Figura 4 8 vista esplosa della camera con sistema di raffreddamento La lunghezza approssimata complessiva del circuito di raffreddamento risulta di L 3 015 Nella verifica termica tale valore viene confrontato con la lung
8. 1500 1000 500 0 0 74 1 2 3 4 t s n Figura 5 19 andamento della massima temperatura del filo nel tempo 160 Nella Figura 5 18 si nota come 11 livello termico massimo raggiunto nel filo si trovi in corrispondenza della porzione intercettata dal fascio inoltre rispetto all analisi termica svolta precedentemente il filo raggiunge una temperatura massima di 3332 83 C che paragonata alla massima temperatura pervenuta precedentemente 3329 72 C risulta di poco superiore a causa dell irraggiamento indotto dalla Faraday Cup non presente nell analisi precedente Dai risultati dell analisi transitoria si nota come il periodo di permanenza del filo nella zona intercettata dal fascio non deve eccedere il tempo massimo di 0 74 s per non superare la temperatura limite di utilizzo fissata a 2000 C inoltre si nota come il raggiungimento del regime termico avvenga in un tempo ridotto e questo giustifica la bassa inerzia termica del componente A questo punto possibile calcolare la velocit di rotazione minima di azionamento che si rende necessaria per garantire un funzionamento del dispositivo in condizioni di sicurezza sulla base del tempo di azionamento richiesto per eseguire il movimento In particolare per ragioni di sicurezza nei calcoli che seguiranno verr adottato un tempo di azionamento massimo t max 0 7 s al quale corrisponde una temperatura di surriscaldamento del filo pari a 1939 14 C Per
9. 308 15 FARADAY CUP TUBO ESTERNO Caso Materiale 1 2000 ri m Materiale 2 r2 m L m A C 0 855 0 033 A 6083 VAR 0 120 0 200 B Ta 0 258 0 036 A 6083 VAR 0 120 0 160 C C 0 855 0 032 A 6083 VAR 0 120 0 160 D C 0 855 0 042 A 6083 VAR 0 120 0 160 Tabella A 2 Dati di progetto per le casistiche esaminate RISULTATI Jada 2600 analisi _ 2400 analisi B Z analisi C 2200 analisi D 2000 1800 1600 1400 1200 1000 0 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 1 0 emissivit 2 Figura A 3 andamento delle temperature nei diversi casi 209 Ancora una volta il parametro emissivit influenza in modo significativo lo scambio termico radiativo inoltre nella Figura A 3 si notano differenti andamenti di temperatura per i diversi casi considerati In particolare nell analisi B si osservano temperature complessivamente maggiori tale aspetto legato alla minor emissivit associata al tantalio pertanto l utilizzo di questo materiale risulta essere sfavorevole nei confronti dello scambio termico laddove l obiettivo sia quello di smaltire il calore generato a differenza della grafite che invece permette di scambiare potenza termica con maggior efficienza e questo giustifica le temperature minori raggiunte nella faraday cup analisi A C e D Inoltre le temperature elevate che si possono osservare nell analisi C rispetto alle ana
10. P n 5 9 K E E 7 9 B Integrator i 2 1 U Conversion a A d x d 2 z o n 5 A H 8 2 0 0 e 6 E D a 0 g Underrange Bit q E RN NE ME z optional Overrange Bit _ a Figura 5 4 diagramma a blocchi del sistema di acquisizione dati per un sistema a 146 griglia e I processo di elaborazione del segnale risulta pi complesso nella soluzione a filo in quanto la posizione della sonda dev essere sincronizzata istante per istante e Nel profilo a griglia la massima corrente acquisita limitata dalla potenza del fascio che si vuole intercettare onde evitare di compromettere 1 filamenti mentre la minima corrente richiesta dev essere stimata in riferimento alla geometria del sistema tenendo conto del diametro del fascio e del disturbo prodotto dall elettronica utilizzata per l elaborazione del segnale Nei paragrafi seguenti verranno analizzate in dettaglio le architetture del Beam Profiler nella soluzione a filo rotante tale soluzione risulta pi appetibile nel caso specifico poich unisce la necessit di avere una soluzione compatta costruttivamente semplice e al tempo stesso funzionale che riesce a rispondere alle esigenze richieste 5 2 2 Soluzione a filo rotante Il Beam Profiler nella soluzione a filo rotante tuttora utilizzato in diversi laboratori per osservare la posizione e la forma dei fasci di particelle proven
11. box esterna ESIZE 0 006 300 MAT 50 VSEL S VOLU 1 ALLSEL BELOW VOLU VMESH I sostegno ESIZE 0 004 300 MAT 50 VSEL S VOLU 4 ALLSEL BELOW VOLU VMESH 4 sostegno ESIZE 0 004 300 MAT 50 VSEL S VOLU 6 ALLSEL BELOW VOLU VMESH 6 lamina superiore ESIZE 0 004 300 310 lexits normally from a processor lenters the model creation preprocessor geometry model scaling scaling geometry from mm to m glue selected volumes compressed entity number lexits normally from a processor lenters the model creation preprocessor sets the element type attribute pointer 1 mesh with tetrahedral shaped elements when meshing define element lenght and number of elements define material mesh selected volume MAT 26 VSEL S VOLU 5 ALLSEL BELOW VOLU VMESH 5 ESIZE 0 004 300 MAT 29 VSEL S VOLU 2 ALLSEL BELOW VOLU VMESH 2 l lamina inferiore ESIZE 0 004 300 MAT 26 VSEL S VOLU 7 ALLSEL BELOW VOLU VMESH 7 l connettore elettrico ESIZE 0 006 300 MAT 28 VSEL S VOLU 3 ALLSEL BELOW VOLU VMESH 3 IRRADIANCE PROCESS SPCTEMP 1 50 method C RADOPT 0 001 0 10000 0 5 HEMIOPT 100 STEF 5 67e 8 TOFFST 273 15 IVFOPT OFF ALLSEL ALL VSEL ALL VSEL R MAT Ta ALLSEL BELOW VOLU SFA ALL RDSF Ta l ALLSEL ALL defines
12. collegamento dei componenti e nel contempo di assicurare una tenuta stagna Figura B 5 Figura 5 particolari del ramo di by pass sinistra e del ramo principale destra 240 Successivamente questi sono stati assemblati alle pompe e alla gate valve mediante opportuni collettori e tubi a T Per quanto riguarda le teste misuratrici del tripletto sono state alloggiate in prossimit delle teste flangiate con opportuni canali a in particolare il misuratore di alto vuoto stato fissato nel condotto rettilineo in modo da aver minori variazioni di sezione curve occlusioni nel ramo di collegamento con il tripletto queste infatti possono pregiudicare 1 valori ottenuti dalla misurazione mentre il misuratore di basso vuoto essendo meno sensibile stato fissato nel canale secondario Figura B 6 Figura B 6 Misuratori di alto vuoto Ga2 a sinistra e di basso vuoto Gb2 in basso opportunamente collegati alla testa flangiata del tripletto I misuratori sono stati connessi mediante opportuni cavi elettrici ad un unit di controllo adibita alla misurazione delle pressioni registrate Figura B 7 Un display permette di monitorare in tempo reale i valori misurati delle 4 teste Gal Gb1 Ga2 Gb2 mentre il monitoraggio della pressione in Gb0 viene eseguita su un modulo separato analogo al precedente TPG 300 PFEIFFER VACUUM Figura B 7 Unit di controllo con interfaccia display per il monitor
13. degli altri due 28 Figura 1 19 Gli anelli Borromeici I nuclei ad anello sono anche chiamati nuclei Borromeici proprio perch se uno dei loro costituenti viene a mancare gli altri divengono immediatamente instabili e si possono a loro volta allontanare facilmente Attualmente per la misura della distribuzione di protoni sulla base di esperimenti di spettroscopia atomica si usano fasci radioattivi di bassa energia e luce laser collineata per la determinazione della distribuzione di tutti i nucleoni vengono invece impiegati fasci radioattivi ad alta energia Produzione di elementi superpesanti Gli elementi naturali sono circa 90 dall Idrogeno all Uranio negli ultimi anni l utilizzo di reazioni di fusione nucleare ha permesso la sintesi di nuovi elementi di elevato peso atomico estendendo il numero dei costituenti della Tavola Periodica sino all elemento avente numero atomico 2 e prospettando un ulteriore estensione a 6 In particolare questi elementi chiamati superpesanti nei quali si ha una fortissima repulsione colombiana sembra riescano a formarsi attorno alla cosiddetta Isola di Stabilit una combinazione di 114 protoni e 84 neutroni che sembra garantire la stabilit del nucleo La recente disponibilit di fasci intensi costituiti da nuclei instabili ricchi di neutroni n rich accoppiati a target stabili anch essi ricchi di neutroni potrebbe sbarrare definitivamente la strada ad uno stu
14. piccoli si ottengono con acido ossalico e solforico mentre l acido cromico in virt della bassa solubilit dell ossido formato produce pori molto piccoli e dispersi I pori si trovano al centro di una struttura planare a celle esagonali con base di forma quasi semisferica sullo strato barriera create dalla crescita in direzione radiale delle pareti dei pori stessi Inizialmente infatti queste celle si formano in singole file lungo i bordi grano lungo 1 quali lo strato barriera offre meno resistenza al passaggio della corrente A questo punto comincia la crescita longitudinale delle celle in direzione del campo elettrico applicato dovuta al trasporto di Ossigeno a causa dei gradienti di concentrazione e temperatura che si instaurano tra il fondo della cella e la superficie esterna a contatto con l elettrolita In seguito si raggiunge una situazione di maggior ordine con celle d uguale diametro e lunghezza 218 Le dimensioni delle celle sono di particolare importanza nel determinare la porosit e altre caratteristiche del rivestimento anodico In generale all aumentare del voltaggio applicato la dimensione delle celle aumenta e perci il numero di pori diminuisce Tabella 6 Elettrolita Volt 10 pori cm 15 76 Acido Solforico 15 10 20 52 30 18 20 35 Acido Ossalico 2 25 C 40 11 60 6 20 22 Acido Cromico 3 50 40 8 60 4 20 19 Acido F
15. ra D DE s 2 5 Dove D il diametro del fascio che irradia il disco i esimo D rappresenta il diametro del foro ed s lo spessore uguale per tutti i dischi Figura 2 9 5 gt lt EH De Di Db Figura 2 9 rappresentazione del volume strutturale al quale viene applicata la potenza Pi esima 47 Le potenze per unit di volume applicate ai dischi risultano dalla seguente espressione 2 6 n La Tabella 2 2 riassume i calcoli fatti per definire il carico termico applicato ai dischi Disco 1 Disco 2 Disco 3 Disco 4 Pi W 632 12 740 52 697 53 929 83 Vi mm 7873 08 2925 45 1610 51 1501 93 Hi W mm 0 08 0 25 0 43 0 62 Tabella 2 2 definizione dei carichi termici Hi applicati ai dischi collimatori Dai risultati delle temperature si pu osservare una temperatura massima Tmax 897 5 C in corrispondenza del terzo disco in prossimit della superficie irradiata dal fascio protonico Figura 2 10 Avendo impiegato la grafite come materiale per 1 dischi collimatori la temperatura massima registrata ampiamente al di sotto dei limiti raccomandati presenti in letteratura che si aggirano attorno ai 2000 C dunque sulla base di questi risultati sebbene siano indicativi poich si basano su un modello semplificato possibile garantire la verifica termica dei dischi 545 113 623 421 101 728 780 036 858 344 584 267 662 575 740 882 819 19
16. sperimentalmente a diverse temperature mediante termografia Materiale Temperatura C Emissivia Acciaio laminato a freddo 93 0 8 Acciaio grezzo 1099 0 61 Acciaio lucido 538 0 14 Acciaio non ossidato 100 0 08 Acciaio ossidato 25 0 8 Acciaio 301 lucido 949 0 55 Acciaio 303 ossidato 1093 0 87 Acciaio 310 laminato 1149 0 81 Acciaio 316 lucido 949 0 66 Acciaio 321 427 0 32 Acciaio 321 lucido 816 049 Acciaio 321 semi ossidato 427 0 76 Acciaio 347 ossidato 1094 0 91 Acciaio 350 427 0 27 Acciaio 350 lucido 982 0 35 Acciaio 446 lucido 816 0 37 Alluminio opaco 17 0 89 Alluminio laminato opaco 27 0 89 Alluminio laminato lucido 0 04 Ossido di alluminio 227 0 63 Allumina 10u 1010 0 3 205 Allumina 50u 1565 0 18 Allumina 100u 1010 0 5 Acqua 0 98 Grafite 510 0 98 Molibdeno 1093 0 18 Molibdeno ossidato 427 0 84 Tabella A 1 valori di emissivit di alcuni materiali alle temperature di riferimento Dai valori in tabella si evince come la formazione degli strati ossidati superficiali determinino un incremento netto di emissivit nei diversi materiali Tale aumento risulta essere particolarmente vantaggioso nelle applicazioni termiche per lo smaltimento di potenze termiche giacch consente di migliorare lo scambio termico netto a parit di geometria e temperatura dei corpi coinvolti dall irraggiamento A 4 Influ
17. www vatvalve com 280 APPENDICE F Listati dei comandi impiegati nelle analisi FEM Introduzione Nella presente appendice sono riportati 1 listati dei comandi impiegati nelle analisi FEM eseguite con il codice di calcolo ANSYS e analisi termo strutturale del sistema multi collimatore capitolo 2 e analisi termo elettrica del petalo capitolo 3 e analisi termo strutturale della faraday cup capitolo 4 e analisi termica del beam profiler capitolo 5 e analisi termica camera di diagnostica capitolo 6 Per le descrizioni delle stesse si rimanda alla lettura dei capitoli indicati F 2 Analisi termo strutturale del sistema multi collimatore Parte TERMICA FINISH CLEAR ALL Resets the ANSYS database to the conditions at the beginning of the problem CONFIG NRES 1000000 Assign maximum number of results sets substeps allowed on the result file TITLE thermal structural analysis MATERIALS IMPORT define materials propeties from macro files mac PREP7 lenters the model creation preprocessor c Ta USE M26Ta mac calls the macro for Tantalum N 26 USE M29C_ATJ mac calls the macro for Graphite N 29 415083 USE M23A15083_X mac calls the macro for Alluminium alloy N 23 M27W USE M27W mac calls the macro for Wolframio N 27 281 M28Cu USE M28Cu mac AI203 USE M31A1203_XX mac 55316 USE M50SS316 mac Mo USE M30Mo mac FINISH
18. CONV airl air2 SFA 741 CONV airl air2 SFA 744 CONV airl air2 SFA 745 CONV airl air2 SFA 751 CONV airl air2 SFA 748 CONV air air2 SFA 752 CONV airl air2 SFA 821 CONV airl air2 SFA 822 CONV airl air2 SFA 825 CONV airl air2 SFA 826 CONV airl air2 SFA 196 CONV airl air2 SFA 197 CONV airl air2 SFA 198 CONV airl air2 SFA 199 CONV airl air2 FINISH SOLVER PROCESS SOLU SOLCONTROL ON ANTYPE TRANS AUTOTS ON KBC 1 DELTIM 0 0001 0 0001 1000 OUTRES NSOL ALL lenter alfa W m2 C lenter fluid temperature C tubes flanges shell lenters the solution processor specifies whether to use optimized nonlinear solution defaults land some enhanced internal solution algorithms Ispecifies the analysis type and restart status luse automatic time stepping Ispecifies stepped or ramped loading within a load step specifies the time step sizes to be used for this load step controls the solution data written to the database 299 TIME 5000 sets the time for a load step ALLSEL ALL SAVE ALL SOLVE starts a solution SAVE ALL saves all current database information FINISH lexits normally from a processor POST PROCESS INPUT Temp txt read paths and plot temperature results on TEMP results dat INPUT Struct txt read paths and plot stress and displacement results on SD results dat POST PROCESS Temp txt TEMPERATURES PLOT See TEMP results dat POSTI
19. CONV vall val2 lenter alfa W m2 C enter fluid temperature C 345 SFA 222 CONV vall val2 SFA 221 CONV vall val2 FINISH FINISH SOLVER PROCESS SOLU SOLCONTROL ON ANTYPE TRANS AUTOTS ON KBC 1 DELTIM 0 0001 0 0001 1000 OUTRES NSOL ALL TIME 5000 ALLSEL ALL SAVE ALL SOLVE SAVE ALL FINISH lexits normally from a processor lenters the solution processor specifies whether to use optimized nonlinear solution defaults some enhanced internal solution algorithms specifies the analysis type and restart status luse automatic time stepping specifies stepped or ramped loading within a load step specifies the time step sizes to be used for this load step controls the solution data written to the database sets the time for a load step Istarts a solution saves all current database information lexits normally from a processor APDL per la generazione del file stazionario dat POSTI SET LAST ALLSEL ALL GET ntotnodi NODE 0 COUNT CFOPEN IC stazionario dat VWRITE PREP7 VWRITE ALLSEL ALL Voc nn 0 DO i l ntotnodi nn NDNEXT nn lenter the post processor consider the last solution step define a parameter generate a file do cicle GET ntemp NODE nn TEMP VWRITE IC nn TEMP ntemp 1 ENDDO CFCLOS 346 write nodal temperature on file APPENDICE G Tavole costruttive dei componenti sviluppati In q
20. SFA 168 CONV vall val2 SFA 169 CONV vall val2 SFA 170 CONV vall val2 SFA 171 CONV vall val2 SFA 172 CONV vall val2 enter alfa W m2 C enter fluid temperature C 297 SFA 173 CONV vall val2 SFA 174 CONV vall val2 SFA 175 CONV vall val2 SFA 176 CONV vall val2 SFA 177 CONV vall val2 SFA 178 CONV vall val2 SFA 179 CONV vall val2 SFA 180 CONV vall val2 SFA 181 CONV vall val2 SFA 182 CONV vall val2 SFA 183 CONV vall val2 SFA 184 CONV vall val2 SFA 185 CONV vall val2 SFA 186 CONV vall val2 SFA 187 CONV vall val2 SFA 188 CONV vall val2 SFA 189 CONV vall val2 SFA 190 CONV vall val2 cooled circuit FLANGES SFA 17 CONV vall val2 SFA 18 CONV vall val2 SFA 19 CONV vall val2 SFA 20 CONV vall val2 SFA 21 CONV vall val2 SFA 22 CONV vall val2 SFA 23 CONV vall val2 SFA 24 CONV vall val2 SFA 25 CONV vall val2 SFA 26 CONV vall val2 SFA 7 CONV vall val2 SFA 8 CONV vall val2 SFA 9 CONV vall val2 SFA 10 CONV vall val2 SFA 11 CONV vall val2 SFA 12 CONV vall val2 SFA 13 CONV vall val2 SFA 14 CONV vall val2 SFA 15 CONV vall val2 298 SFA 16 CONV vall val2 external convective loads SET airl 5 SET air2 25 SFA 527 CONV airl air2 SFA 528 CONV airl air2 SFA 532 CONV airl air2 SFA 533 CONV airl air2 SFA 441 CONV airl air2 SFA 442 CONV airl air2 SFA 445 CONV airl air2 SFA 434 CONV airl air2 SFA 433 CONV airl air2 SFA 437
21. a F quindi possibile definire l area del segmento circolare C 4 A 1 F A 1 F nR C 4 Uguagliando le due espressioni si ottiene una relazione che esprime la dipendenza dell angolo 0 in funzione del grado di riempimento F C 5 sen0 2n 1 C 5 Per poter risalire al valore dell angolo 0 bisogna ricorrere quindi ad un metodo iterativo al riguardo si pu utilizzare il metodo di Newton Raphson per stimare la convergenza Si considera quindi la funzione nella scrittura C 6 f 0 C 0 sen C 2n 1 F C 6 La derivata prima risulta C 7 f 0 1 cos C 7 245 Il metodo di Newton Raphson prevede di calcolare l terazione successiva come C 8 f SUCH 5 0541 On partendo da un valore iniziale di tentativo dell angolo 0 Sostituendo le espressioni precedenti e semplificando si ottiene la formulazione finale C 9 On 04441 0 C 9 TUE T n 1 cos 0 m 0 003 0 003 0 002 0 002 0 001 0 001 0 000 errore relativo mm 0 001 0 001 0 002 iterazioni Figura C 2 diagramma di convergenza Una volta raggiunta la convergenza Figura C 2 si ottiene un valore dell angolo che permette di risalire ai parametri costruttivi della cava di alloggiamento 10 D 2R 0 5 2 10 h R d p R d 246 Quindi in riferimento a
22. al fine di assicurare la durata degli organi meccanici intemi 900 903 Dimensioni Modelli con albero di uscita liscio con linguetta UNI 6604 forma 6 mm per 15M 2 10 mm per 20M 28M 13 mm per MM 14 mm per 24 mm per Dimensioni di ingombro mm 15M1900D D6 15 5500 06 15M375D D6 15M260D D6 15M140D D6 15M35D D6 15M70D D6 15 16008 06 15M440R D6 15M300R D6 15M220R D6 15M120R D6 15M80R D6 15M52R D6 20 20000 010 20 4300 010 20 2600 010 20M105D 010 20M60D 010 20M1650R 010 20M400R 010 20M250R D10 20M100R 010 20MS8R 010 28M1700D D10 28M600D D10 28M480D D10 28 3300 010 28M265D D10 28 1550 010 28 1200 010 28M100D D10 28M55D D10 28M1300R D10 28M415R D10 28M345R D10 28M235R D10 28M190R D10 28M110R D10 28M30R D10 28M70R D10 28M40R D10 165 5 134 5 134 5 134 5 134 5 165 5 165 5 165 5 11 11 m m m 142 142 142 142 m m m m m 142 142 142 Modelli 15M 11 2 Modelli 20M 5 k6 388 i ENTRATA NON REVERSIBILE ENTRATA 210 h6 a 1 TI 1 3 SCARICO 18 GAS ___LINGUETTA UNI 6604 FORMA Ax2x16 273 E 5 Passante rotante Azienda VG SCIENTA Codice prodotto ZRD 91 Riferimenti http www vgscienta com 2 1 Specification Speed 500rpm maximum Torque
23. analisi mediante il codice di calcolo ANSYS Quindi dopo aver importato i files IGS del modello 3D sono state importate le caratteristiche dei materiali e definite le emissivit delle parti interessate da scambio termico per irraggiamento Per la consultazione dei comandi implementati si rimanda alla lettura del listato presente in appendice Nell analisi termica si scelto di discretizzare il modello con l elemento volumetrico SOLID 90 tale elemento costituito da 20 nodi ognuno con un grado di libert la temperatura Figura 5 11 Tetrahedra Option MLN O P UV WX J Pyramid Option X M Ew Y AB i KLS Q R J Prism Option Figura 5 11 geometria dell elemento SOLID 90 Il modello stato discretizzato con una mesh ad elementi tetragonali aventi come dimensione caratteristica pari a mm per il filo rotante e 3 mm per i restanti componenti Figura 5 12 Figura 5 12 rappresentazione della mesh generata 154 Per quanto riguarda la definizione dei carichi termici in riferimento al passante rotante stata assegnata la temperatura di 35 C alla superficie che si trova a contatto con la flangia di collegamento per poter riassumere il sistema di raffreddamento presente nella camera Per quanto riguarda la potenza temica per unit di volume assegnata al filo in riferimento alla Figura 5 13 particolare della porzione del filo intercettata dal fascio protonico stata considerata la por
24. che estrinseci come i droganti e le impurit atomiche per tale motivo sia la ricerca di base che quella applicata stanno concentrando notevoli sforzi nello studio dei difetti e dell attivazione elettrica dei droganti in diversi semiconduttori Analogamente agli isotopi stabili gli isotopi radioattivi influenzano le propriet elettroniche ed ottiche dei semiconduttori in base alla loro natura chimica ed alla loro posizione all interno del reticolo cristallino in particolare poich le propriet elettroniche ed ottiche dei semiconduttori dipendono oltre che dal tipo di semiconduttore anche dalle sue dimensioni si dimostrato che in semiconduttori molto piccoli tali propriet possono essere sensibilmente alterate da un difetto presente con concentrazione minore di 10 2 atomi cm Per controllare in maniera affidabile le prestazioni dei semiconduttori sono quindi necessarie tecniche sperimentali che combinino un alta sensibilit chimica con un alta sensibilit per la determinazione di basse concentrazioni di difetti 30 Per decenni la principale tecnica di rilevazione delle impurezze all interno di un cristallo stata il channeling in tale tecnica un fascio di ioni viene guidato lungo le righe atomiche o lungo i piani del cristallo canali tuttavia non possibile determinare concentrazioni di difetti inferiori a 10 5 La sensibilit di tale tecnica pu essere profondamente aumentata impiantando all inter
25. critici In particolare osservando il gradiente termico riscontrato nel Beam Profiler Figura 6 17 si nota l efficacia prodotta dallo schermo nei confronti del sostegno e del passante rotante entrambi realizzati in acciaio NODAL SOLUTION R15 0 STEP 1 Flangei NOV 10 2014 SUB 263 18 07 35 5000 TEMP AVG RSYS 0 Pivot x 81 6262 SMX 3335 12 Rod X Rotary drive Wire Shield BP Sustain 81 6262 804 625 1527 62 2250 62 2973 62 443 126 1166 12 1889 12 2612 12 3335 12 thermal analysis Figura 6 17 andamento della temperatura C riscontrato negli elementi del Beam Profiler Inoltre sulla base dei risultati ottenuti si ritenuto opportuno applicare un ulteriore schermo in corrispondenza del sistema di movimentazione per limitare la temperatura raggiunta nella flangia di accoppiamento dove fissato il soffietto e la relativa tenuta Dunque stato possibile sviluppare un sistema di diagnostica completo di tutti i componenti necessari per un corretto funzionamento sulla base delle specifiche condizioni operative Figura 6 18 e Figura 6 19 187 188 Figura 6 18 vista sezione del sistema di diagnostica Figura 6 19 sistema di diagnostica assemblato 6 6 Modifiche apportate al sistema multi collimatore Il sistema multi collimatore opportunamente descritto nel capitolo 2 ha subito delle modifiche marginali per poter sopperire
26. dalla quarta potenza della temperatura assoluta del corpo emittente per questo motivo le analisi che tengono conto dello scambio termico per irraggiamento sono altamente non lineari Nel caso di due superfici 1 e j che si scambiano calore per irraggiamento il flusso termico pu essere calcolato grazie alla formula A 1 seguente uccelli ii ica 1 du ie aie 4 1 Ai i Ai Fij Aj 8 Dove qi flusso termico scambiato tra le superfici i e j per irraggiamento Ai area della superficie 1 Aj area della superficie j i emissivit emisferica globale della superficie 1 j emissivit emisferica globale della superficie fattore di forma ij ovvero frazione della totale potenza radiante che partendo dalla superficie i raggiunge direttamente la superficie j Os costante di Stefan Boltzmann Ti temperatura assoluta della superficie 1 Tj temperatura assoluta della superficie j 202 Nel caso in cui la superfice Aj sia molto pi grande della superficie Ai l equazione precedentemente riportata pu essere semplificata e riscritta nel modo seguente A 2 qi Ai amp Fi 0s T TH A 2 con Fij 1 i Ei 4 3 Emissivit L emissivit di un materiale di solito indicata con la frazione di energia irraggiata da quel materiale rispetto all energia irraggiata da un corpo nero che sia alla stessa temperatura dunque una misura d
27. inferiore quando nel sistema circolava una corrente di 500 A Figura 3 31 Figura 3 31 particolari della lamina danneggiata Analogamente a quanto si verificato nel primo test la rottura del componente da imputare al surriscaldamento prodotto non appena si compromesso uno dei contatti elettrici In particolare grazie alla Figura 3 32 ottenuta poco prima della rottura del componente stato possibile individuare la causa del danneggiamento prodotto nonch ipotizzare una possibile dinamica di come sia potuto verificarsi il guasto Figura 3 32 foto scattata poco prima della rottura della lamina inferiore 105 In riferimento alla Figura 3 32 possibile notare in corrispondenza alla placca superiore una maggior luminescenza del materiale nella parte destra questa dovuta alla maggior corrente circolante che preferisce passare attraverso i contatti elettrici che offrono una minor resistenza In particolare si osserva come la vite di collegamento in acciaio nella parte destra si sia fusa a ridosso della placca in tantalio determinando un miglior contatto elettrico rispetto a quella di sinistra A questo punto il ciruito elettrico risultato sbilanciato e la corrente inviata circolata in maniera preponderante nella parte destra del petalo fintantoch non si raggiunto il collasso del materiale questa volta avvenuto per la placca inferiore che la stessa utilizzata nel test precedente Tuttavia stato possi
28. joint the selected volumes compressed entity number lexits normally from a processor lenters the model creation preprocessor sets the element type attribute pointer 1 mesh with tetrahedral shaped elements when Dimension 3 D MSHKEY 0 ESIZE 0 003 300 MAT 50 VSEL S VOLU 3 ALLSEL BELOW VOLU VMESH 3 ESIZE 0 003 300 MAT 26 VSEL S VOLU 2 ALLSEL BELOW VOLU VMESH 2 ESIZE 0 003 300 MAT 31 VSEL S VOLU 4 ALLSEL BELOW VOLU VMESH 4 ESIZE 0 002 300 MAT 26 VSEL S VOLU 7 ALLSEL BELOW VOLU VMESH 7 ESIZE 0 001 300 27 VSEL S VOLU 6 ALLSEL BELOW VOLU VMESH 6 ESIZE 0 001 300 MAT 27 VSEL S VOLU 1 ALLSEL BELOW VOLU VMESH I ESIZE 0 001 300 rotary drive isolatore free meshing define lenght and number of elements division define material mesh selected volumes 323 27 VSEL S VOLU 5 ALLSEL BELOW VOLU VMESH 5 ESIZE 0 002 300 MAT 26 VSEL S VOLU 8 ALLSEL BELOW VOLU VMESH 8 sustain ESIZE 0 003 300 MAT 26 VSEL S VOLU 9 ALLSEL BELOW VOLU VMESH 9 BE GB AI IIDC Pi dee IRRADIANCE PROCESS SPCTEMP 1 50 defines a free space ambient temperature for radiation using the Radiosity method C RADOPT 0 001 0 10000 0 5 HEMIOPT 100 STEF 5 67e 8 TOFFST 273 15 IVFOPT OFF ALLSEL ALL VSEL ALL VSEL R MAT Ta ALLSEL BELOW VOLU SFA ALL RDSF Ta 1 ALLSEL ALL VSEL ALL VSE
29. mentre nella Tabella 6 2 seguente sono riassunti i livelli termici massimi registrati nei singoli componenti 185 ANSYS NODAL SOLUTION R15 0 STEP 1 NOV 10 2014 SUB 263 17 54 06 TIME 5000 TEMP AVG RSYS 0 SMN 41 9279 SMX 129 198 41 9279 61 3213 80 7148 51 624 1 018 129 198 thermal analysis Figura 6 16 andamento della temperatura C riscontrato nella camera e nei tubi Componente Materiale Tmax C Trim C Dischi collimatori Grafite C 768 1 2000 Camera e tubi di raccordo Al 6082 129 20 400 Sostegni sonda rotante Tantalio Ta 875 63 1700 Sostegno Beam Profiler AISI 316L 251 35 600 Passante rotante AISI 316L 87 07 600 Schermo Beam Profiler Tantalio Ta 402 59 1700 Schermo lato Pompa Tantalio Ta 831 32 1700 Tabella 6 2 temperature massime registrate nei singoli componenti Dai risultati si evince come le temperature raggiunte nei tubi di raccordo in corrispondenza delle flange siano scese rispetto al caso precedente in particolare si registrano temperature inferiori ai 100 C in corrispondenza delle tenute realizzate in indio che dunque risultano verificate termicamente 186 Inoltre si pu osservare un netto abbassamento delle temperatura in prossimit delle zone protette dagli schermi Questo giustifica l efficacia prodotta degli stessi nel contrastare l irraggiamento nonch permettono di abbassare le temperature dei componenti ritenuti
30. percorso da una corrente elettrica si riscalda ovvero libera o dissipa una parte dell energia elettrica sotto forma di calore Anche nella lampadina 11 principale effetto del passaggio di corrente il calore che fa diventare incandescente il filamento sviluppando di conseguenza energia luminosa detto effetto Joule dal nome del fisico inglese James Prescott Joule 1818 1889 che lo scopr il fenomeno per cui il passaggio di corrente elettrica attraverso un conduttore accompagnato dallo sviluppo di calore 21 La potenza dissipata da un resistore percorso da corrente di intensit e ai cui estremi applicata una differenza di potenziale AV data da 3 1 1 3 1 Dalla prima legge di Ohm si ha 3 2 AV R I 3 2 Quindi la potenza si pu scrivere 3 3 PERE 3 3 84 La quantit di energia elettrica che viene trasferita al resistore nell intervallo di tempo At quindi R I At Se tutta questa energia viene trasformata in calore si ricava la quantit di calore Q prodotto da un conduttore di resistenza R attraversato da una corrente 1 nell intervallo di tempo At 3 4 Q R I At 3 4 Il calore prodotto per effetto Joule quindi direttamente proporzionale alla resistenza del conduttore e al quadrato dell intensit della corrente che lo attraversa Quindi possibile definire la resistenza elettrica come l attitudine di un conduttore a trasformare l energia elettrica che lo percorr
31. ripartito nelle porzioni dei dischi intercettate dal fascio radiattivo e dei carichi convettivi che riassumono il sistema di raffreddamento a liquido della camera mentre l ambiente esterno lambisce la superficie esterna della stessa Il modello stato discretizzato con elementi tetragonali e quadrangolari laddove stato possibile Figura 2 19 Per la convergenza dei valori ottenuti sono bastate 4 analisi con diverso grado di raffinamento della mesh sufficienti a garantire un errore relativo di troncamento e lt 0 5 C Nella Tabella 2 4 sono riportate le dimensioni medie degli elementi utilizzati nella discretizzazione del modello Dimensione media elemento mm Componente Analisi BI Analisi B2 Analisi B3 Analisi B4 Dischi 4 3 2 1 Isolatori 3 2 1 0 5 Viti 3 2 1 0 5 10 8 6 4 Flange 10 8 6 4 Tabella 2 4 dimensioni medie degli elementi utilizzati nelle diverse analisi Figura 2 19 particolari della mesh adottata nell analisi di convergenza analisi B4 62 Nelle figure seguenti sono rappresentati gli andamenti termici dei diversi componenti che costituiscono il dispositivo che risultano dall analisi termica Figure Figura 2 20 Figura 2 21 e Figura 2 22 P 43 2327 57 7651 85 46 8658 50 4989 54 132 45 0492 48 6823 52 3154 55 94 59 5816 Figura 2 20 campo di temperatura riscontrato nella camera raffreddata C 927 498 973 043 1018 59 1064 13 1
32. to DIN VDE 0335 Chem composition AL303 Type of body Bulk density Open porosity Limit of application Thermal expansion 20 1000 C Thermal conductivity 20 100 C Thermal shock resistance Spec electric resistance at RT 600 C Max production length for tubes Chemical analysis Bulk density Open porosity Limit of application oxidizing s reducing vacuum Thermal conductivity 20 100 C Thermal expansion 20 1000 C AluSIK 90 TA MagSIK 96 TC ZirSIK 95 TA Dim AluSIK 60 ZA 10A Mullite C610 60 impervious g cm 2 7 0 1600 5 5 W mK 5 good 103 10 mm 3000 AL503 90 g cm 2 5 27 T 1750 1600 W mK 3 105 75 AluSIK AluSIK 80 GA 60 ZB AluSIK B0 ZA H HE Corundum Sillimanite C530 80 60 porous porous 2 4 2 3 27 22 1500 1400 5 8 6 5 2 1 5 very good good 105 10 3000 3000 MgO 96 ZrO 95 CaO 4 2 8 4 3 25 25 2400 2400 1700 2100 1600 2200 13 2 9 6 4 99 GB AluSIK 99 ZA TEH Sintered alumina 799 99 7 impervious 3 8 0 1750 25 medium good 104 108 3000 CarSIK CarSIK 70 ZA 90 ZA Mullite Mullite bonded bonded SiC SiC 70SiC 90 SiC porous porous 2 1 2 2 25 25 1400 1450 5 5 7 25 very good very good 2200 1900 Addition of SiC to mix Above values were established on test pieces and identify the characteristic data of our products Transfer of these values into practic
33. 0 4501 SET CURRENT 7 1 200 SET CURRENT 8 0 6000 lexits normally from a processor define a vector parameter lenters the model creation preprocessor 313 SET CURRENT 8 1 200 SET CURRENT 9 0 6001 SET CURRENT 9 1 250 SET CURRENT 10 0 7500 SET CURRENT 10 1 250 SET CURRENT 11 0 7501 SET CURRENT 11 1 300 SET CURRENT 12 0 9000 SET CURRENT 12 1 300 SET CURRENT 13 0 9001 SET CURRENT 13 1 350 SET CURRENT 14 0 10500 SET CURRENT 14 1 350 SET CURRENT 15 0 10501 SET CURRENT 15 1 400 SET CURRENT 16 0 12000 SET CURRENT 16 1 400 SET CURRENT 17 0 12001 SET CURRENT 17 1 450 SET CURRENT 18 0 13500 SET CURRENT 18 1 450 SET CURRENT 19 0 13501 SET CURRENT 19 1 500 SET CURRENT 20 0 15000 SET CURRENT 20 1 500 SET CURRENT 21 0 15001 SET CURRENT 21 1 550 SET CURRENT 22 0 16500 SET CURRENT 22 1 550 SET CURRENT 23 0 16501 SET CURRENT 23 1 600 SET CURRENT 24 0 18000 SET CURRENT 24 1 600 THERMAL AND ELETRICAL LOADS TUNIF 50 C DA 7 TEMP 50 DA 33 TEMP 50 DA 34 TEMP 50 314 assigns a uniform temperature to all nodes defines DOF constraints on areas C defines DOF constraints on areas C defines DOF constraints on areas C DA 7 VOLT 0 defines DOF constraints on areas V power generation Joule effect current load for the main clamp A ASEL S AREA 33 34 ALLSEL BELOW AREA NSLA S 1 areas cp 1 volt all of freedo
34. 0 125 Nm maximum at 500rpm 0 5Nm maximum at 10rpm Thrust 10N maximum axial and radial Pressure Range Atmosphere to 10 mbar Bakeout Temperature 250 C maximum without dismantling 400 C after disassembly Mounting Flange 34mm OD Angular Range 360 continuous Angular Resolution 19 2 2 Construction The vacuum envelope of the RD91 family of drives is of stainless steel construction which incorporates a metal bellows and wobble drive which are designed for operation in high or ultra high vacuum environments The RD91 has an anodised aluminium handwheel graduated in 50 divisions a position lock and a 1 vernier scale are fitted as standard see figure 1 2 3 Bakeout 2 3 1 Bakeout up to 250 C The RD91 may be baked at temperatures up to 250 C without any dismantling Ensure that the position lock is released before bakeout After bakeout allow the drive to cool for at least a further 6 hours after the external housing has reached room temperature before operating The in vacuum components cool slowly and may be damaged if operated whilst still hot 2 3 2 High Temperature Bakeout from 250 C to 400 C Prior to bakeout at temperatures between 250 C and 400 C some disassembly of the rotary drive is required Note In order to retain the orientation of the shaft with respect to the handwheel it is necessary that the position lock screw ring the stainless steel bearing housing beneath it and the stainless steel flange body all reta
35. 0 13 0 5 0 5 0 360 VSBA 65 ALL DELETE DELETE VDELE 63 1 DISK 1 generate beam with radius rb intersection with disk and splitting volumes delete beam DISK 2 DISK 3 DISK 4 Petal 1 DISK 4 Petal 2 DISK 4 Petal 3 285 VSEL S VOLU 66 ALLSEL BELOW VOLU CYLIND 0 r3 0 5 0 5 0 360 VSBA 66 ALL DELETE DELETE VDELE 63 1 FINISH MESHING PROCESS PREP7 TYPE 1 MSHAPE 1 3D MSHKEY 0 external DISCS ESIZE 0 004 300 MAT 29 VSEL S VOLU 73 ALLSEL BELOW VOLU VMESH 73 VSEL S VOLU 74 ALLSEL BELOW VOLU VMESH 74 VSEL S VOLU 75 ALLSEL BELOW VOLU VMESH 75 VSEL S VOLU 76 ALLSEL BELOW VOLU VMESH 76 VSEL S VOLU 77 ALLSEL BELOW VOLU VMESH 77 VSEL S VOLU 78 ALLSEL BELOW VOLU VMESH 78 286 DISK 4 Petal 4 lexits normally from a processor lenters the model creation preprocessor sets the element type attribute pointer 1 mesh with tetrahedral shaped elements when Dimension 3 D free meshing lenght and number of elements division external discs discs material mesh selected volume VSEL S VOLU 79 ALLSEL BELOW VOLU VMESH 79 ESIZE 0 004 300 VSEL S VOLU 72 ALLSEL BELOW VOLU VMESH 72 VSEL S VOLU 71 ALLSEL BELOW VOLU VMESH 71 VSEL S VOLU 68 ALLSEL BELOW VOLU VMESH 68 VSEL S VOLU 69 ALLSEL BELOW VOLU VMESH 69 VSEL S VOLU 67 ALLSEL BELOW VOLU VMESH 67 VSEL S VOLU
36. 1 Definizione preliminare del sistema di movimentazione 5 6 2 Definizione del sistema di acquisizione dei segnali Conclusioni Bibliografia al Capitolo 5 Modellazione del Front End protonico 6 1 6 2 6 3 6 4 6 3 6 4 6 5 6 5 Introduzione Definizione del sistema di supporto Definizione del sistema di pompaggio Definizione del sistema di diagnostica 6 2 1 Sviluppo della camera raffreddata 6 2 2 Sviluppo del sistema di movimentazione della Faraday Cup Analisi termica Modifiche apportate al sistema multi collimatore Assemblaggio del Front End protonico Conclusioni Bibliografia al Capitolo 6 Conclusioni e Sviluppi Futuri Appendice A Trattamenti superficiali finalizzati all incremento dell emissivit globale dei materiali Appendice B Allestimento del test sperimentale eseguito nel tripletto 143 143 143 144 147 150 153 157 163 163 165 168 169 171 171 171 174 176 176 177 180 189 192 195 197 199 201 237 Appendice C Determinazione delle dimensioni teoriche per gli alloggiamenti degli anelli di tenuta O Ring realizzati in indio Appendice D Porting del pacchetto software Ansys sull IGI Grid portal Appendice E Datasheet dei normalizzati commerciali scelti Appendice F Listati dei comandi impiegati nelle analisi FEM Appendice G Tavole costruttive dei componenti sviluppati Ringraziamenti 243 249 267 281 347 349 SOMMARIO Dall inizio del ventesimo secolo l
37. 10 vista della lamina superiore e degli elementi di supporto in acciaio La lamina inferiore stata fissata al puntale elettrico inferiore mediante un connettore realizzato in rame opportunamente sagomato Figura 3 11 il puntale isolato elettricamente rispetto alla camera e al telaio mediante opportuni isolatori realizzati in ed collegato al generatore di potenza che invia la potenza elettrica desiderata Figura 3 11 vista della lamina inferiore e del connettore in rame 89 Il sistema ohmico resistivo assemblato completo di tutti gli elementi rappresentato in Figura 3 12 In corrispondenza della lamina superiore si pu notare la presenza di un isolatore in battuta con le teste delle viti di collegamento Questo elemento accoppiato ad una vite solidale al sostegno superiore si rende necessario per evitare che la lamina superiore si deformi durante il test Figura 3 12 In questo modo le dilatazioni termiche radiali prodotte nel petalo mettono in tensione il filetto e l isolatore sottostanti simulando le reali condizioni operative mentre la lamina inferiore conferisce una bassa rigidezza al sistema Figura 3 12 vista del sistema ohmico resistivo assemblato Figura 3 13 particolare dell isolatore utilizzato nella lamina superiore 90 3 3 Fasi preliminari del test sperimentale Una volta verificato l assemblaggio del sistema ohmico resistivo stato smontato ogni singolo elemento assie
38. 149E 03 209 03 268 03 faraday cup thermal analysis Figura 4 18 campo di deformazione risultante mm ANSYS NODAL SOLUTION R15 0 STEP 1 NOV 4 2014 SUB 1 08 19 16 TIME 1 SEOV AVG RSYS 0 DMX 268E 03 SMN 28817 7 SMX 297E 08 28817 7 3E 07 08 198 08 264 08 333 07 993E 07 165E 08 231 08 297 08 faraday cup thermal analysis Figura 4 19 tensioni di Von Mises risultanti Pa 139 Dai risultati ottenuti si evince come le dilatazioni radiali massime che si instaurano nei dischi 0 23 mm siano inferiori al giuoco radiale previsto tra i dischi stessi e la box di grafite pari a 0 5 mm Figura 4 18 mentre le tensioni massime di Von Mises riscontrate rimangono al di sotto della tensione amissibile 29 7 MPa lt 33 MPa dunque l intero sistema risulta verificato in termini di tensioni e dilatazioni termiche prodotte 4 6 Conclusioni In questo capitolo si affrontata una progettazione completa della Faraday Cup partendo da un modello preliminare fino allo sviluppo di un sistema completo e dettagliato La forma finale stata definita sulla base dei risultati pervenuti dalle analisi termo strutturali eseguite che hanno offerto la possibilit di sviluppare una soluzione che rispetti i requisiti richiesti per un corretto funzionamento In particolare e Si visto come l emissivit risulti essere un parametro determinante per il flusso termico di irraggiamento
39. 1827 06 2064 33 1708 42 NODAL SOLUTION 2301 6 2538 82 97 2420 24 2657 51 faraday cup thermal analysis Figura 4 14 vista in sezione andamento delle temperature nei dischi C 134 Questo innalzamento di temperatura registrato nei dischi rispetto all analisi precedente giustificato dalla presenza del tubo in tantalio che ricopre la box in grafite Tale ricoprimento infatti funge da schermo nei confronti dell irraggiamento e la potenza termica prodotta non viene smaltita in maniera efficiente verso l esterno Infatti il valore dell emissivit assoluta del tantalio risulta essere notevolmente pi basso rispetto a quella della grafite Tabella 4 2 Ta 1000 0 0 146 C 1000 0 815 Tabella 4 2 confronto fra le emissivit assolute del tantalio e della grafite valutate a 1000 C Per poter smaltire la potenza termica verso la camera esterna in maggior misura opportuno limitare l estensione del tubo in tantalio in modo da non ostacolare l irraggiamento prodotto dalla box in grafite verso la superficie interna del guscio favorendo cos l abbassamento delle temperature raggiunte dai componenti interni Dunque stata modificata la geometria del sostegno in tantalio in modo da lasciar scoperta per quanto possibile la superficie della box in grafite per favorire lo scambio termico di irraggiamento Figura 4 15 Figura 4 15 particolare della Faraday Cup modificata
40. 19 ALLSEL BELOW VOLU VMESH 19 ESIZE 0 002 300 MAT 26 VSEL S VOLU 20 ALLSEL BELOW VOLU VMESH 20 carcatt FLANGE ESIZE 0 004 300 MAT 26 VSEL S VOLU 17 ALLSEL BELOW VOLU VMESH 17 VSEL S VOLU 5 ALLSEL BELOW VOLU VMESH 5 n a BUSSOLA ESIZE 0 002 300 MAT 29 VSEL S VOLU 16 340 ALLSEL BELOW VOLU VMESH 16 ESIZE 0 004 500 MAT 50 VSEL S VOLU 6 ALLSEL BELOW VOLU VMESH 6 ESIZE 0 004 300 MAT 50 VSEL S VOLU 4 ALLSEL BELOW VOLU VMESH 4 ESIZE 0 003 300 MAT 26 VSEL S VOLU 10 ALLSEL BELOW VOLU VMESH 10 VSEL S VOLU 9 ALLSEL BELOW VOLU VMESH 9 VSEL S VOLU 11 ALLSEL BELOW VOLU VMESH 11 VSEL S VOLU 12 ALLSEL BELOW VOLU VMESH 12 VSEL S VOLU 13 ALLSEL BELOW VOLU VMESH 13 VSEL S VOLU 14 ALLSEL BELOW VOLU VMESH 14 SOSTEGNO ROTARY DRIVE SCHERMI 341 HEAT GENERATORS PREP7 INPUT IC_stazionario dat 0 1 BFV 22 HGEN 9 13E7 BFV 8 HGEN 6 4E9 IRRADIANCE PROCESS SPCTEMP 1 50 method C RADOPT 0 001 0 10000 0 5 HEMIOPT 100 STEF 5 67e 8 TOFFST 273 15 IVFOPT OFF ALLSEL ALL VSEL ALL VSEL R MAT Ta ALLSEL BELOW VOLU SFA ALL RDSF Ta 1 ALLSEL ALL VSEL ALL VSEL R MAT W ALLSEL BELOW VOLU SFA ALL RDSF W 1 ALLSEL ALL VSEL ALL VSEL R MAT AI203_ ALLSEL BELOW VOLU SFA ALL RDSF A1203_XX 1 ALLSEL ALL VSEL ALL VSEL R MAT C_ATJ ALLSEL BELOW VOLU SFA ALL RDSF C_ATJ 1 342 lenters the model creation preprocess
41. 193 CONV airl air2 SFA 247 CONV airl air2 SFA 248 CONV airl air2 SFA 245 CONV airl air2 SFA 249 CONV airl air2 SFA 246 CONV airl air2 SFA 236 CONV airl air2 SFA 239 CONV airl air2 SFA 237 CONV airl air2 SFA 238 CONV airl air2 SFA 25 CONV airl air2 SFA 26 CONV airl air2 SFA 27 CONV airl air2 SFA 229 CONV airl air2 SFA 230 CONV airl air2 SFA 179 CONV airl air2 SFA 177 CONV airl air2 SFA 178 CONV airl air2 SFA 180 CONV airl air2 344 SFA 181 CONV airl air2 SFA 200 CONV airl air2 SFA 201 CONV airl air2 SFA 202 CONV airl air2 SFA 203 CONV airl air2 SFA 199 CONV airl air2 cooled circuit SHELL SET val1 5757 64 SET val2 34 4 5 204 12 5 209 12 SFA 205 CONV vall val2 SFA 208 CONV vall val2 SFA 206 CONV vall val2 SFA 210 CONV vall val2 SFA 211 CONV vall val2 SFA 207 CONV vall val2 SFA 213 CONV vall val2 SFA 212 CONV vall val2 SFA 252 CONV vall val2 SFA 253 CONV vall val2 SFA 250 CONV vall val2 SFA 251 CONV vall val2 SFA 255 CONV vall val2 SFA 256 CONV vall val2 SFA 259 CONV vall val2 5 258 12 SFA 257 CONV vall val2 SFA 254 CONV vall val2 SFA 225 CONV vall val2 SFA 223 CONV vall val2 SFA 224 CONV vall val2 SFA 216 CONV vall val2 SFA 214 CONV vall val2 SFA 215 CONV vall val2 SFA 217 CONV vall val2 SFA 219 CONV vall val2 SFA 218 CONV vall val2 SFA 220
42. 45 49 53 61 67 2 9 1 Modello teorico per la definizione degli elementi elastici 2 10 Conclusioni Bibliografia al Capitolo 2 Test termico sperimentale del collimatore EN 3 2 3 3 3 4 3 5 3 6 Introduzione Descrizione dell apparato sperimentale 3 2 1 Descrizione del forno 3 2 2 Progettazione del sistema ohmico resistivo Fasi preliminari del test sperimentale Analisi termo elettrica Esecuzione del test sperimentale Conclusioni Bibliografia al Capitolo 3 Progettazione e verifica termo strutturale della Faraday Cup 4 1 4 2 4 3 4 4 4 5 4 6 Introduzione Descrizione della Faraday Cup Caratteristiche e parametri di progetto della Faraday Cup Sistemi di soppressione l elettro soppressore e i magneti permanenti Progettazione dettagliata della Faraday Cup 4 5 1 Analisi termica preliminare 4 5 2 Sistema di raffreddamento della camera 4 5 3 Modellazione e analisi termiche 4 5 4 Analisi strutturale Conclusioni Bibliografia al Capitolo 4 73 77 78 79 79 79 80 84 91 94 99 107 109 111 111 111 113 116 121 122 125 129 137 140 141 5 Progettazione preliminare del Beam Profiler 5 1 5 2 5 3 5 4 5 5 5 6 5 7 Introduzione Descrizione del dispositivo 5 2 1 Architettura delle sonde 35 22 Soluzione a filo rotante Sviluppo di un modello preliminare Analisi termica Valutazione della velocit di rotazione del filo Progettazione dettagliata 5 6
43. 5 15 sono disponibili diverse architetture di motore in base al massimo angolo di movimentazione richiesto In particolare si nota come ad ogni scansione sia richiesto al motore di eseguire un movimento angolare di 80 per passare da una posizione di riposo alla successiva inoltre nella scansione successiva la sonda pu raggiungere la nuova posizione di riposo adottando lo stesso verso di avanzamento utilizzato precedentemente completando un giro completo oppure invertendolo per tornare nella posizione iniziale Nel caso specifico stato scelto di sviluppare in maniera preliminare vista la semplicit costruttiva un attuatore pneumatico rotativo a palette capace di garantire un movimento angolare di 270 una soluzione commerciale di riferimento rappresentata in Figura 5 21 163 Figura 5 21 particolare di motore pneumatico rotativo commerciale 7 sinistra e vista esplosa di una possibile soluzione costruttiva destra La Figura 5 22 mostra la soluzione preliminare del motore rotativo sviluppata per la movimentazione richiesta essa costituita da una camera realizzata da un blocco di alluminio opportunamente sagomato all interno del quale viene insufflata dell aria in pressione la spinta esercitata dall aria compressa in corrispondenza del setto mobile mette in rotazione l albero di acciaio fino a raggiungere la posizione di fine corsa Inoltre le testate terminali sono utilizzate per supportare l albero nella
44. 897 498 Figura 2 10 andamento delle temperature che risulta dall analisi termica preliminare C 48 Da questa prima analisi preliminare stato possibile stimare il campo di temperature raggiunto nei dischi con un modello estremamente semplificato del sistema multi collimatore tuttavia come accennato precedentemente risulta essere di enorme importanza per lo sviluppo che seguir poich rappresenta un punto di partenza per la progettazione dettagliata che comporta la definizione dei materiali delle geometrie e delle forme adottate per tutti i componenti necessari a garantire il corretto funzionamento del dispositivo in questione Nei paragrafi successivi saranno descritte tutte le modifiche apportate nel dispositivo in corso di progettazione opportunamente giustificate in base alle specifiche di progetto che si intendono perseguire e ai vincoli tecnologici di realizzazione 2 7 Progettazione dettagliata Dai risultati ottenuti dall analisi termica preliminare stata sviluppata la geometria del collimatore con maggior dettaglio cercando il pi possibile di predominare la semplicit costruttiva in termini di e compattezza minimizzare gli ingombri in vista dell installazione nel canale protonico e accessibilit facilit di assemblaggio e manutenzione e realizzazione utilizzo di forme semplici e realizzabili dal punto di vista tecnologico La progettazione del sistema multi collimatore ha visto dapprima la def
45. CONV airl air2 SFA 127 CONV airl air2 SFA 128 CONV airl air2 SFA 129 CONV airl air2 SFA 137 CONV airl air2 SFA 138 CONV airl air2 SFA 139 CONV airl air2 SFA 140 CONV airl air2 cooled circuit SHELL SET vall 5757 64 SET val2 34 4 SFA 236 CONV vall 12 SFA 220 CONV vall val2 SFA 230 CONV vall val2 SFA 191 CONV vall val2 SFA 214 CONV vall val2 enter alfa W m2 C enter fluid temperature C enter alfa W m2 C enter fluid temperature C Ishell VOLU 54 327 SFA 215 CONV vall val2 SFA 175 CONV vall val2 SFA 176 CONV vall val2 FINISH SOLVER PROCESS SOLU SOLCONTROL ON ANTYPE TRANS AUTOTS ON KBC 1 DELTIM 0 0001 0 0001 1000 OUTRES NSOL ALL TIME 5000 ALLSEL ALL SAVE ALL SOLVE SAVE ALL FINISH POST PROCESS INPUT Temp txt INPUT Struct txt POST PROCESS Temp txt TEMPERATURES PLOT See TEMP results dat POSTI SET last PATH 1 2 30 30 lexits normally from a processor lenters the solution processor Ispecifies whether to use optimized nonlinear solution defaults land some enhanced internal solution algorithms specifies the analysis type and restart status luse automatic time stepping Ispecifies stepped or ramped loading within a load step specifies the time step sizes to be used for this load step controls the solution data written to the database sets the time for a load step Istarts a solution saves
46. DISPLACEMENTS TREF 50 lassigns the reference temperature to calculate strain C VCLEAR 1 clear volumes VCLEAR 4 VCLEAR 5 VCLEAR 6 DA 7 ALL displacements on areas DA 28 ALL DA 29 ALL DA ALL CSYS 1 lactivate Cylindrical with global Cartesian Z as the axis of rotation NROTAT ALL LSEL S LINE 722 radial displacements on plates NSLL S 1 D ALL UX 0 FINISH lexits normally from a processor Pio SD i i Lo pilo dl SOLVER PROCESS SOLU lenters the solution processor ANTYPE 0 TOFFST 273 15 temperature offset from K to C AUTOTS ON luse automatic time stepping NSUBST 100 1000 20 control the number of substep OUTRES ALL ALL controls the solution data written to the database TIME sets the time for a load step SAVE ALL SOLVE starts a solution SAVE ALL saves all current database information 316 FINISH lexits normally from a processor F 4 Analisi termo strutturale della Faraday Cup Parte TERMICA FINISH CLEAR ALL CONFIG NRES 1000000 TITLE faraday cup thermal analysis MATERIALS IMPORT PREP7 Ta USE M26Ta mac USE M29C ATJ mac AIS083 USE M23AI5083 X mac M27W USE M27W mac M28Cu USE M28Cu mac c AI203 USE M31AI203 XX mac 55316 USE M50SS316 mac Mo USE M30Mo mac FINISH DEFINE ELEMENT TYPE PREP7 ET 1 SOLID90 FINISH GEOMETRY IMPORT AUX15 IOPTN IGES NODEFEAT IOPTN MERGE YE
47. Gal Ga2 teste misuratori di alto vuoto B 2 Descrizione dello schema A pompe spente le valvole manuali di sicurezza Vs1 e Vs2 risultano aperte come pure la valvola elettromagnetica Vb2 nel ramo di by pass della gate valve mentre la valvola Vb1 e la gate valve Va nel ramo principale risultano chiuse In questa configurazione il ramo di by pass in collegamento con il volume del tripletto mentre viene inibito il ramo principale e In questa configurazione viene accesa la pompa primaria Figura B 2 essa permette di raggiungere una pressione a regime teorica di almeno 107 mbar nel ramo di by pass e quindi nel tripletto il basso vuoto cosi raggiunto misurato in 3 punti dello schema dai misuratori Gb0 Gb1 e Gb2 e an FN Ga2 4 Gal 2 Gb2 4 J vs2 Y vst c MED Vb2 AN Gbo A L J i Figura B 2 realizzazione del basso vuoto nelle parti indicate in rosso 238 Una volta raggiunto il basso vuoto nei tratti interessati nelle condizioni di regime viene aperta la valvola Vb1 e chiusa la valvola Vb2 mentre la pompa primaria continua a funzionare In questo modo si va ad escludere il ramo di by pass per poter assicurare nel ramo principale le condizioni di basso vuoto alla mandata della pompa turbomolecolare giacch quest ultima pu funzionare con una pressione teorica di almeno 0 mbar allo scarico Il bas
48. Indirizzo https portal italiangrid it group spes wiki wiki Main FrontPage section FrontPage Guida utilizzo portale per software Ansys ItalianGrid Indirizzo http www italiangrid it 265 266 APPENDICE E Datasheet dei normalizzati commerciali scelti Introduzione In questa appendice vengono riportati i datasheet dei componenti commerciali presenti nel front end protonico dove sono riportate le caratteristiche tecniche e i parametri funzionali di maggior interesse assieme ai relativi riferimenti bibliografici E 2 Connettore elettrico Azienda Kurt J Lesker Company Codice prodotto IFTDG012001 Riferimenti http www lesker com SMB Feedthroughs Weldable Single Ended These instrumentation feedthroughs have SMB coaxial connectors on the air side The alumina insulated 416 stainless steel conductor is rated at 500V with a grounded shield and at 1000V with a floating shield at a maximum current of 0 5A An air side SMB cable plug is included with the feedthrough but vacuum side connectors are not Feedthroughs ofthis type are designed for welding into a suitably prepared through hole in a flange Specifications Table Conductor Material Stainless Steel type 416 Insulator Material Alumina Cable RG 174U Connection Push Clip Vacuum Application HV or UHV Temperature Range E for metal seals Weld Adapter CF To 450 C Temperature Range for ela
49. Inoltre le analisi termo strutturali eseguite nel dispositivo in fase di sviluppo si rendono necessarie per poter progettare un dispositivo funzionale nelle condizioni operative e non troppo distante dal design che assumer nella sua forma finale 4 2 Descrizione della Faraday Cup La Faraday Cup un dispositivo che intercetta un fascio di particelle cariche e ne misura l intensit di corrente Il nome in onore di Michael Faraday 1791 1867 chimico e fisico britannico che contribu ai campi dell elettromagnetismo e dell elettrochimica in particolare egli scopr il fenomeno della rotazione elettromagnetica dell induzione elettromagnetica del fenomeno del diamagnetismo e dell effetto magneto ottico Nella sua forma pi semplice la Faraday Cup consiste in una camera metallica conduttrice elettricamente isolata che intercetta trasversalmente le particelle del fascio un cavo elettrico ad essa collegato conduce la corrente che si stabilisce nella coppa verso l esterno dove il segnale rilevato viene opportunamente elaborato da strumenti di misura Figura 4 1 La rilevazione pu avvenire in modo semplice con l impiego di un amperometro posto tra il cavo conduttore e la terra oppure mediante un voltmetro od un oscilloscopio che visualizza l andamento della differenza di potenziale misurata ai capi di un resistore calibrato posto tra il cavo conduttore e la terra 111 ION BEAM GENERATOR lj zo
50. Laboratori di Oak Ridge USA 1 2 Il progetto SPES SPES un progetto multidisciplinare il cui scopo quello di costruire un apparato sperimentale per la produzione di fasci di ioni radioattivi il cosiddetto RIB Radioactive Ion Beam al fine di indagare sui nuclei atomici instabili oggetto di studio della fisica nucleare che sono presenti in grandi quantit durante le fasi terminali della vita delle stelle da cui derivano gran parte degli elementi chimici conosciuti in natura La maggior parte delle propriet dei nuclei atomici conosciute oggigiorno derivano dagli studi condotti sui nuclei che si trovano nella cosiddetta valle di stabilit beta oppure da nuclei con carenze di neutroni Nuclei atomici con combinazioni fortemente asimmetriche di protoni e neutroni si pensa siano in grado di rivelare nuove funzioni della struttura nucleare Gli obiettivi del progetto SPES sono suddivisi in 4 aree interdisciplinari distinte e SPES a prevede l acquisizione l installazione e la messa in servizio di un ciclotrone avente elevata corrente di uscita 0 7 mA ed alta energia erogata fino a 70 MeV unitamente alla definizione delle infrastrutture per l acceleratore e per le stazioni sperimentali Il ciclotrone sar dotato di due porte di uscita una configurazione molto adatta per la duplice missione che si prefigge il progetto ovvero la ricerca di base e le applicazioni tecnologiche In particolare uno dei due fasci sar dedicato alla
51. Lminz21 91 Figura 3 7 schematizzazione semplificata del petalo 85 Al riguardo in maniera approssimata si considera una sezione media A lungo la traiettoria radiale 3 5 A t L 12 44 19 530 28 mm 3 5 dove t rappresenta lo spessore del petalo ed L la larghezza media del petalo calcolata come 3 6 Lmin Lmax 66 46 21 91 2 2 44 19mm 3 6 Nota la resistivit elettrica della grafite alla temperatura di riferimento possibile calcolare la resistenza elettrica del componente in riferimento alla sezione media calcolata A e alla traiettoria radiale r percorsa dalla corrente 3 7 Pc 1000 C 7 0193 10 31 51 1073 r Dunque nota la potenza termica P in riferimento all espressione 3 3 possibile calcolare la corrente massima teorica circolante nel petalo Imax 77430 mex 142175107507 E bene ricordare che il calcolo eseguito risulta indicativo poich si basa su un modello semplificato tuttavia si rivelato di fondamentale importanza per poter stimare con buona approssimazione la massima corrente circolante nel petalo che si rende necessaria per raggiungere il livello termico desiderato 1000 C Al riguardo sono state eseguite diverse analisi agli elementi finiti per poter stimare in modo pi accurato le temperature raggiunte in base alle correnti circolanti e alla resistenza elettrica prodotta dall intero apparato tali analisi ve
52. SMX 1370 74 822 383 944 24 1066 1 1187 95 1309 81 883 311 1005 17 1127 03 1248 88 1370 74 petal sperimental analysis Figura 3 28 campo di temperature del componente danneggiato che risulta dall analisi FEM C 102 Si ripetuto nuovamente il test sperimentale con l accortezza di applicare pi lamine in tantalio sovrapposte per la placca superiore 4 lamine con spessore 0 3 in modo da aumentare la sezione di flusso alla corrente che vi circola e abbattere il surriscaldamento prodotto Figura 3 29 Le modalit e l esecuzione con il quale stato eseguito il test sono rimaste invariate mentre si cercato di migliorare il pi possibile i contatti elettrici in prossimit delle interfacce tra il petalo e le lamine Quindi una volta allestito l apparato sperimentale raggiunto un livello di vuoto soddisfacente per l esecuzione del test ed acceso il generatore di potenza stata fatta passare nuovamente una corrente variabile da 0 a 600 A con un incremento di 50 A ogni 0 minuti per il raggiungimento del regime termico del sistema mentre il pirometro e il voltmetro misuravano rispettivamente la temperatura superficiale del petalo e la differenza di potenziale tra il puntale elettrico e la camera Figura 3 29 particolare della placca superiore adottata per il nuovo test La Tabella 3 4 seguente riassume 1 risultati ottenuti dal secondo test sperimentale in termini di temperature e di potenziali e
53. VO membership request confirmed You have succesfully confirmed your VO membership request The VO administrator has been informed of your request and will handle it as soon as possible Figura D 7 schermata che informa l utente della avvenuta richiesta alla VO 254 D 4 Registrazione al portale GRID Dopo aver concluso la procedura per l iscrizione alla VO si pu connettersi al sito https portal italiangrid it e da l cliccare su Register Now in alto a destra sulla schermata Per prima cosa va inserita l organizzazione di appartenenza in questo caso sar l Universit di Padova in caso si scelga di registrarsi tramite account INFN assicurarsi prima di avere completato la procedura di associazione IR portei Vivi or rer 5 P Registrabon pome im We are gomg D retrieve you personal data fom your gt Piazze in The next page select your Organization or click en Omer lt Institute oufton in case Of protiems please delete cache and cookies fom your bioeser or restart your browser Figura D 8 accesso al portale GRID Select your organization The Service you are trying to reach requires that you authenticate with your home organization enter the name below Enter institution name Search Rememberforsession Show Institute List Figura D 9 schermata per l inserimento dell istituto di appartenenza Viene richiesto di identific
54. VOLU VMESH 35 VSEL S VOLU 36 ALLSEL BELOW VOLU VMESH 36 VSEL S VOLU 37 ALLSEL BELOW VOLU VMESH 37 VSEL S VOLU 38 ALLSEL BELOW VOLU VMESH 38 VSEL S VOLU 39 ALLSEL BELOW VOLU VMESH 39 VSEL S VOLU 40 ALLSEL BELOW VOLU VMESH 40 VSEL S VOLU 41 ALLSEL BELOW VOLU VMESH 41 ESIZE 0 006 300 323 MAT 29 VSEL S VOLU 28 ALLSEL BELOW VOLU VMESH 28 ESIZE 0 006 300 MAT 26 VSEL S VOLU 5 ALLSEL BELOW VOLU VMESH 5 ESIZE 0 006 300 26 VSEL S VOLU 4 ALLSEL BELOW VOLU VMESH 4 ESIZE 0 008 300 MAT 30 VSEL S VOLU 2 ALLSEL BELOW VOLU VSWEEP 2 ESIZE 0 008 500 MAT 50 VSEL S VOLU 10 ALLSEL BELOW VOLU VMESH 10 ESIZE 0 008 500 MAT 50 VSEL S VOLU 1 ALLSEL BELOW VOLU VMESH I ESIZE 0 010 300 MAT 23 VSEL S VOLU 3 ALLSEL BELOW VOLU VMESH 3 324 tube_ext soppressor HEAT GENERATORS PREP7 TUNIF 0 BFV 31 HGEN pc vc BFV 29 HGEN p1 v BFV 12 HGEN p2 v BFV 13 HGEN p3 v BFV 14 HGEN p4 v BFV 15 HGEN p5 v BFV 16 HGEN p6 v BFV 17 HGEN p7 v BFV 18 HGEN p8 v BFV 19 HGEN p9 v BFV 11 HGEN p10 v IRRADIANCE PROCESS SPCTEMP 1 50 method C RADOPT 0 001 0 10000 0 5 HEMIOPT 100 STEF 5 67e 8 TOFFST 273 15 IVFOPT OFF ALLSEL ALL VSEL ALL screws VSEL R MAT Ta ALLSEL BELOW VOLU SFA ALL RDSF Ta 1 ALLSEL ALL VSEL ALL insulator VSEL R MAT AI203_ ALLSEL BELOW VOLU SFA ALL RDSF AI2O3 ALLSEL ALL lenters the model creation p
55. all current database information lexits normally from a processor read paths and plot temperature results on TEMP results dat read paths and plot stress and displacement results on SD results dat lenter the post processor consider the last solution step ISHAFT path PPATH 1 0 1100000E 01 0 1020000 0 000000 2 0 1100000 01 0 2520000 0 000000 PDEF TEMP 328 map temperature onto path PAGET shaft table create table parameter ALLSEL CFOPEN TEMP results dat APPEND write results on file VWRITE SHAFT C VWRITE Position m Temp C C 10x C VWRITE shaft 1 4 shaft 1 5 F6 3 13X F10 2 1 2 15 CFCLOS PATH 3 2 30 30 IFRAME path PPATH 1 0 5200000E 01 0 3181554E 01 0 5000000E 02 PPATH 2 0 5000000E 01 0 3181554E 01 0 5000000E 02 PDEF TEMP PAGET frame table ALLSEL CFOPEN TEMP results dat APPEND VWRITE FRAME C VWRITE Position m Temp C C 10x C VWRITE frame 1 4 frame 1 5 F6 3 13X F10 2 2 15 CFCLOS PATH 4 2 30 30 IDISK path 1 0 6700000 01 0 000000 0 1600000 01 PPATH 2 0 6700000E 01 0 000000 0 7500000E 01 PDEF TEMP PAGET disk table ALLSEL CFOPEN TEMP results dat APPEND VWRITE DISK C VWRITE Position m Temp C 329 10 VWRITE disk 1 4 disk 1 5 F6 3 13X F10 2 1 2 15 CFCLOS PATH 5 2 30 30 ISUPPRESSOR path PPATH 1 0 6000000E 01 0 0
56. are considerably better than standardized Should you require smaller tolerances please send us your inquiry Those data stipulated for the coarse degree of accuracy do not apply for the first production for which instead we have to come to a special agreement Manufacturing method customary 270 Sintered alumina tubes AluSIK 99 ZA type C 799 TEH Order No Diameter mm R 200 1 x 0 5 R 201 15 08 202 z Ek 1 R 203 i ES R 204 4 x 2 R 205 Sx R 206 6 x 3 R 207 yx R 208 B x R 209 10 x6 R 210 Uu x 7 211 12 x 8 R 212 15 x 10 5 213 17 12 R 214 20 x 15 R 215 24 x 18 R 216 27 x 20 R 217 30 x 23 R 218 32 x 25 R 219 39 x R 220 38 x 30 Ri 223 42 x 34 R 222 46 x 38 R 223 50 x 40 R 224 58 x 48 R 225 65 x 55 R 226 70 x 60 R 227 L 78 7X B5 E 4 Motore pneumatico Azienda FIAM Codice prodotto 28M40R D10 INFN Riferimenti http www fiamairtools com 271 272 Modelli Reversibili 28M345R D10 28M235R D10 28M130R D10 28M110R D10 28M90R D10 28M70R D10 28M40R D10 185213101 185213901 185213501 186211412 186211212 186211112 186212112 186212812 186212412 186212313 186212212 187210102 187211302 187211202 187212102 187212702 187213302 187213202 La coppia massima consentita ad uso continuativo di 4 Nm per 15M da 4 a 5 Nm per 20M 8 Nm per 28M La coppia indicata il massimo valore con cui si pu utilizzare il motore
57. assicurare che il fascio intercettato non lo oltrepassi in senso longitudinale per non pregiudicare il funzionamento del dispositivo stesso 122 Al riguardo tramite il codice di calcolo SRIM stato possibile valutare lo spessore minimo sufficiente a fermare completamente il fascio a 40 MeV di energia assegnando le propriet del materiale che caratterizzano il bersaglio Dall analisi svolta come per il collimatore risultato che lo spessore minimo sufficiente ad assorbire completamente il fascio radiattivo si aggira attorno a 0 mm in misura cautelativa stato considerato uno spessore maggiorato pari a 2 mm in vantaggio di sicurezza Quindi sulla base di un modello semplificato analogamente a quanto fatto per il collimatore stata eseguita un analisi termica preliminare mediante codice di calcolo ANSYS per valutare le massima temperatura raggiunta dal blocco di grafite per effetto dell irraggiamento prodotto AI riguardo stata modellata una camera esterna in lega di alluminio Al 6082 rappresentata da un cilindro cavo alla quale stata applicata la sola convezione naturale con l aria ambientale in corrispondenza della superficie esterna mentre alla faraday cup rappresentata dal blocco di grafite interno disposto coassialmente stata applicata una potenza di 8 XW in prossimit del volume intercettato dal fascio Db 32 mm Nell analisi termica si scelto di discretizzare il modello con elementi volumetrici S
58. assicurare una certa flessibilit di movimento nelle fasi preliminari di allineamento dei dispositivi per favorire il centraggio degli stessi rispetto all asse del canale protonico e Durante il funzionamento del sistema i supporti devono assicurare un posizionamento rigido dell intero apparato nonch garantire un ancoraggio saldo di tutti 1 componenti che lo costituiscono e L ingombro massimo del sistema assemblato deve rispettare la massima estensione assiale disponibile che risulta pari a 2099 50 mm 171 Dunque sulla base degli ingombri prodotti dai singoli elementi stato definito un sistema di supporto compatto capace di rispondere alle specifiche condizioni richieste Figura 6 1 Figura 6 1 vista esplosa del sistema di supporto sviluppato La soluzione sviluppata costituita da una tavola flottante realizzata in lega di alluminio Al 6082 nel quale sono realizzate delle tasche di riferimento e dei fori filettati per favorire rispettivamente il posizionamento e l accoppiamento degli elementi di supporto e di allineamento del sistema In particolare tre portali si rendono necessari per realizzare il sostegno dei dispositivi e ciascuno di essi si compone di due parti una parte fissa vincolata alla tavola mentre una parte mobile risulta estraibile per permettere l installazione dei dispositivi nelle fasi di montaggio e manutenzione Gli elementi di centraggio invece anch essi solidali alla tavola sono c
59. corretta posizione e delle guarnizioni metalliche opportunamente sagomate si rendono necessarie per sopperire ai trafilamenti di portata dell aria verso l esterno e garantire la tenuta della camera Figura 5 22 rappresentazione del motore rotativo sviluppato 164 Nella Figura 5 23 rappresentato il sistema di movimentazione completo provvisto di tutti i componenti di supporto necessari L albero del motore pneumatico presenta due terminali di collegamento uno dedicato alla movimentazione del passante rotante il quale risulta solidale al filo rotante mentre l altro risulta in presa diretta con un potenziometro resistivo quest ultimo interamente realizzato in metallo utilizzato come trasduttore elettrico per risalire istante per istante alla posizione angolare del sistema per la consultazione delle caratteristiche elettriche del componente scelto si rimanda alla lettura del datasheet presente in allegato Inoltre sono stati definiti gli elementi di supporto che sostengono i componenti del sistema realizzati in lega di alluminio A 6082 ed una flangia di collegamento si rende necessaria per l accoppiamento del sistema con la camera principale mentre una guarnizione in indio opportunamente sagomata assicura la tenuta della camera stessa Pheumatic actuator Figura 5 23 vista del sistema di movimentazione completo 5 6 2 Definizione del sistema di acquisizione dei segnali Il processo di acquisizione dei segn
60. definire la geometria dei dischi viene calcolata dapprima l intensit del fascio incidente sulla superficie in ingresso di ogni disco e i valori dei raggi Ri vengono scelti in modo tale da ripartire la potenza massima teorica e garantire una distribuzione che sia pressoch equivalente nei 4 dischi cos da prevedere gradienti termici poco dissimili nei diversi stadi Inoltre lo spessore dei dischi deve assicurare che le porzioni di fascio intercettate non oltrepassino 1 dischi stessi per non pregiudicare la funzionalit del collimatore Al riguardo tramite il codice di calcolo SRIM possibile valutare lo spessore minimo sufficiente ad assorbire la radiazione incidente in funzione delle caratteristiche del fascio e delle propriet del materiale che caratterizzano il bersaglio Dall analisi svolta lo spessore minimo sufficiente ad assorbire completamente il fascio radiattivo si aggira attorno a 0 mm in misura cautelativa stato considerato uno spessore maggiorato pari a 2mm in vantaggio di sicurezza 41 Si perviene dunque ad un modello semplificato del multi collimatore che vede la camera esterna rapprentata da un cilindro cavo all interno del quale sono disposti coassialmente 1 4 dischi collimatori equispaziati tra loro Figura 2 4 Aluminium shell Figura 2 4 schema semplificato del multi collimatore La Tabella 2 1 riassume i dati costruttivi adottati mentre nella Figura 2 5 sono rappresentate le potenze termiche
61. degli isolatori Per consultare il listato dei comandi implementati e le caratteristiche dei materiali si rimanda all appendice Per l analisi di convergenza analogamente a quanto fatto per l analisi termica sono state utilizzate diverse mesh di riferimento aventi diverse dimensioni dell elemento al fine di convalidare i valori ottenuti e rafforzare l attendibilit degli stessi Nella Tabella 2 7 sono riportate le dimensioni medie degli elementi utilizzati nella discretizzazione del modello 69 La Dimensione media elemento mm Componente Analisi C1 Analisi C2 Analisi C3 Analisi C4 Dischi 4 3 2 1 Isolatori 3 2 1 0 5 Viti 3 2 1 0 5 10 amp 6 4 Flange 10 8 6 4 Tabella 2 7 dimensioni medie degli elementi utilizzati nelle diverse analisi Per valutare la convergenza dei risultati sono stati valutati gli sforzi e le deformazioni nei punti lungo gli stessi percorsi generati nell analisi termica precedente in particolare per l arresto della convergenza si coinsidera un errore di troncamento di 30 MPa Trascurando gli effetti prodotti nella camera esterna e nelle flange sono risultati i seguenti valori di sforzi e deformazioni Tabella 2 8 01 max MPa Componente Materiale Analisi Analisi C2 Analisi C3 Analisi C4 Petalo disco 4 Grafite 25 44 25 40 25 42 25 41 Isolatori Alumina 644 34 1701 77 652 87 670 43 Viti Tantalio 262 44 314 54 288
62. del collimatore preliminare gi sviluppato in precedenza e prese come riferimento per la progettazione del nuovo modello Misura di corrente il sistema dev essere in grado di misurare la corrente associata al fascio intercettato per poter conoscerne le caratteristiche nel tempo quali la forma e la posizione nello spazio istante per istante Definizione dei dischi collimatori Inanzitutto stato svolto uno studio preliminare per definire una geometria semplificata dei dischi e stimare le dimensioni indicative in base alla massima potenza teorica di riferimento e alle caratteristiche del fascio protonico all ingresso Di seguito si richiamano le propriet del fascio considerato Energy 40 MeV u Power 8 kW Spot size 50 mm Lo spot size centrato circolare e con distribuzione di potenza teoricamente gaussiana in uscita dal collimatore shaping Infatti si pu ipotizzare con buona aprossimazione una distribuzione gaussiana dell intensit del fascio protonico in ingresso transitando poi attraverso il sistema collimatore ne vengono escluse le zone periferiche di conseguenza le code della distribuzione vengono tagliate 39 La parte del fascio che viene lasciata passare perci calibrata con distribuzione di potenza teoricamente gaussiana In coordinate polari la funzione f p 0 che rappresenta l andamento gaussiano descritto dall equazione 2 1 E pu EE 2 1
63. di Padova B Wolf Handbook of ion sources CRC Press 1995 P Mazzoldi M Nigro Voci Fisica Volume II EdiSES Napoli 2001 L Rossetto Appunti delle lezioni di Termodinamica Applicata Universit degli Studi di Padova 141 142 CAPITOLO 5 Progettazione preliminare del Beam Profiler 5 1 Introduzione In questo capitolo ci si propone di progettare un dispositivo in grado di intercettare il fascio protonico misurandone l intensit di corrente noto dagli esperti con il nome di Beam Profiler Nel progetto SPES tale strumento di diagnostica collocato lungo l asse del fascio protonico ed utilizzato per conoscere le caratteristiche del fascio in maniera preliminare prima che questo intercetti la Faraday Cup gi definita nel capitolo precedente Innanzitutto si ritiene necessario approfondire la conoscenza di questo dispositivo fornendo le dovute informazioni sullo strumento circa le caratteristiche di funzionamento e le architetture pi comunemente adottate nelle applicazioni pratiche prima di proseguire con la progettazione dettagliata del progetto specifico Inoltre le analisi termiche eseguite nel dispositivo in fase di sviluppo si rendono necessarie per poter progettare uno strumento funzionale in base alle condizioni operative richieste e non troppo distante dal design che assumer nella sua forma finale 5 2 Descrizione del dispositivo In generale il beam profiler un dispositivo
64. di alluminio un materiale ceramico estremamente duro e le propriet meccaniche sono influenzate dal grado di purezza presenta una resistenza a compressione estremamente elevata fino a 4000 MPa e una buona resistenza a trazione 300 MPa Tantalio Ta un metallo refrattario le sue propriet meccaniche decadono all aumentare della temperatura e il suo carico di rottura a trazione vale 285 MPa mentre il carico di snervamento vale 70 MPa In riferimento alle tensioni di rottura og e di snervamento presenti in letteratura possibile definire dei valori di riferimento per le tensioni ammissibili Gaam dei diversi materiali impiegati secondo la seguente relazione 2 18 Olim Ys 2 18 dove y rappresenta il coefficiente di sicurezza viene assunto in misura cautelativa un valore pari 1 5 mentre fa riferimento alla tensione limite del materiale in particolare per i materiali avente comportamento fragile come la grafite e l allumina tale valore viene associato alla tensione di rottura og mentre per i materiali duttili come l alluminio e il 68 tantalio si considera come tensione limite di cedimento il carico di snervamento og La Tabella 2 6 riassume 1 calcoli fatti nei diversi casi e riporta i valori delle tensioni ammissibili dei diversi materiali Materiale MPa Grafite C 33 Lega 4 6082 80 Allumina 4 2 200 Tantalio Ta 113 T
65. di diagnostica utilizzato per risalire alle caratteristiche di un fascio sorgente mediante l intercettazione dello stesso ad opera di un opportuna sonda A differenza della Faraday cup tale strumento non si presta a fermare completamente il fascio dunque non distruttivo nei confronti di esso ma si limita ad intercettarlo parzialmente in un certo intervallo di tempo sufficiente per poter eseguire la scansione dello stesso e risalire alle caratteristiche in termini di forma e posizione La sonda del Beam Profiler presente in diverse soluzioni di forme e materiali usati inoltre la scelta di una certa architettura dipende dalle caratteristiche del fascio intercettato e dalle applicazioni specifiche in cui deve operare 143 Nel paragrafo successivo verranno analizzate le due configurazioni maggiormente conosciute nel settore per poter essere confrontate ovvero la soluzione a griglia e quella a filo rotante 5 2 1 Architettura delle sonde Le soluzioni comunemente adottate per la sonde del Beam Profiler sono nelle configurazioni a griglia o a filo rotante In entrambi i casi viene captato un segnale di corrente elettrica proporzionale all intensit del fascio intercettato In particolare per energie del fascio inferiori ai 2 MeV u le particelle sono fermate completamente e il segnale elettrico acquisito dalle sonde risulta proporzionale alle cariche degli ioni fermati tuttavia nella maggior parte dei casi non prevista la sopp
66. di dissipazione del calore che vengono a sovrapporsi come per esempio lo scambio termico radiativo verso l ambiente esterno 53 L ipotesi di considerare tutto il flusso di calore termico entrante dissipato per convezione attraverso dei canali di raffreddamento si dimostra valida in quanto il calore dissipato per convezione prevalente rispetto a quello dissipato per irraggiamento Infatti in presenza del raffreddamento per sola convezione forzata la temperatura dell oggetto viene mantenuta relativamente bassa e perci l irraggiamento che ha dipendenza con la quarta potenza della temperatura inifluente Il fluido vettore utilizzato per il raffreddamento acqua trattata Viene ipotizzata la temperatura d ingresso ti 20 C e la velocit media di deflusso attraverso 1 canali u 1m s La velocit scelta in ragione del fatto che esiste un range consigliato per le velocit di deflusso che per canali in alluminio Umin 1m S Umax 1 5 m s Al di sotto di tale range si incorre in pericolo di sporcamento dei canali mentre al di sopra vi pericolo di erosione Nel caso specifico l acqua di raffreddamento trattata ai fini di limitare la conduzione e scorre in canali scavati all interno di un solido pieno Si sceglie di realizzare il canale in un unico passaggio evitando le complicazioni fluidodinamiche di divisione delle portate perci si sceglie un valore opportuno per la portata in ingresso
67. di tale strumento si rende necessario sulla base delle specifiche funzionalit richieste In particolare analizzando il movimento richiesto per garantire un corretto funzionamento del dispositivo Figura 6 7 si osservano due posizioni di riferimento e A posizione di riposo nel quale lo strumento non risulta intercettato dal fascio protonico posizione di lavoro nel quale lo strumento intercettato dallo spot per le operazioni di scansione dello stesso ni Figura 6 7 analisi del movimento out eseguito dalla Farady Cup 177 La box di grafite deve essere movimentata da una posizione di riposo fintantoch l asse di riferimento della stessa va a coincidere con l asse del fascio protonico in quest ultima configurazione la coppa della Faraday Cup risulta completamente intercettata dal fascio protonico e vi rimane nel tempo sufficiente per le operazioni di scanning per poi ritornare nella posizione iniziale di riferimento Durante le operazioni di movimentazione della coppa dalla posizione di riposo alla posizione di lavoro il fascio protonico per qualche istante va ad intercettare le parti di sostegno della stessa realizzate in tantalio dunque stata modificata la geometria della box di grafite al fine di fermare localmente il fascio per schermare tali componenti La soluzione adottata per il sistema di movimentazione richiesto rappresentata nella Figura 6 8 Figura 6 8 v
68. e tra 0 9 e 0 95 ad alta temperatura Con finitura superficiale si intende sia la rugosit della superficie valore medio forma e direzione delle asperit del corpo che l eventuale presenza di inclusioni estranee o zone chimicamente o fisicamente alterate Una rugosit elevata e senza direzioni preferenziali aumenta l emissivit e la rende meno sensibile a variazioni di angolo di emissione Ne consegue che non sempre possibile stabilire univocamente l emissivit di un corpo nel caso ci siano forti variazioni risulta pi corretto parlare di emittanza in un dato punto in una certa direzione a una certa temperatura e a una data lumghezza d onda 204 Comunque una tipica semplificazione ingegneristica di considerare che per una stessa superficie l emissivit e il coefficiente di assorbimento non dipendano dalla lunghezza d onda cos che l emissivit sia una costante Questa nota come ipotesi del corpo grigio Quando si trattano superfici non nere le deviazioni dal comportamento di un corpo nero ideale sono determinate sia dalla struttura geometrica sia dalla composizione chimica e seguono il principio per cui l emissivit uguaglia il coefficiente di assorbimento principio conosciuto anche come Legge di Kirchhoff in questo modo un oggetto che non assorbe tutta la luce incidente emetter anche meno radiazione rispetto a un corpo nero Nella Tabella A 1 sono riportati valori tipici di emissivit di alcuni materiali ricavati
69. f p 0 e dove p e 0 sono le coordinate che descrivono la posizione di un punto generico rispetto all origine del sistema di riferimento m rappresenta lo scostamento dell asse protonico rispetto all origine del sistema di riferimento mentre o definisce lo scarto quadratico medio Figura 2 2 2 mm y mm Figura 2 2 profilo del fascio protonico descritto dalla funzione gaussiana m e sono parametri caratteristici della curva gaussiana che descrivono il profilo del fascio e si considerano i seguenti valori di riferimento pervenuti da analisi eseguite precedentemente m 8 8 mm 5 6 mm Ogni disco collimatore sar intercettato dal fascio protonico in ingresso e in uscita risulter conformato secondo un diametro corrispondente al diametro del foro Di Figura 2 3 40 OUT Di PROTON BEAM ti collimator disk Figura 2 3 schema di funzionamento del disco collimatore Si scelto di adottare una serie costituita da 4 dischi collimatori in grafite per poter distribuire nei 4 stadi la potenza termica prodotta nonch contenere le temperature dei dischi stessi entro valori cautelativi e garantire una dissipazione termica pi efficace Dunque nota la funzione che descrive il profilo del fascio l intensit ad esso associata pu essere ricondotta al calcolo di un integrale 2 2 i _ pcos6 m psin8 1 0 20 p d 2 2 Ri 0 in particolare dovendo
70. fisica nucleare produzione di ioni ricchi di neutroni prodotti dalle collisioni dei protoni su un bersaglio UCx mentre la seconda sar dedicata alla fisica applicata 10 e SPES f prevede lo studio e l approfondimento di nuove specie prodotte dalle collisioni di elementi ricchi di neutroni accelerati contro opportuni bersagli Da tali collisioni saranno prodotti nuovi nuclei estremamente ricchi di neutroni che sono simili a quelli generati nelle fasi stellari avanzate e che non sono presenti sulla Terra a causa della loro breve vita L indagine su tali sistemi una nuova frontiera della fisica perch permette di ampliare la nostra conoscenza sui nuclei in condizioni estreme e fornisce un valido contributo alle informazioni di base dello studio dell evoluzione stellare e SPES y riguarda la produzione di radionuclidi di interesse medico che utilizza lo stesso ciclotrone previsto per SPES a L obiettivo la produzione di radiofarmaci innovativi ad esempio quelli basati sulle combinazioni degli elementi 57 82 Rb 82 e Ga 68 Ge 68 cos come la produzione di radionuclidi convenzionali con nuovi approcci che utilizzino l acceleratore come sorgente e SPES prevede lo sviluppo di una fonte di neutroni intensa che utilizza il ciclotrone e o un acceleratore lineare ad alta intensit basato sulla tecnologia quadrupolo a radiofrequenza RDA Applicazioni della sorgente di neutroni gamma ha risvolti notevoli in astrofisica n
71. i marker di riferimento In questo caso per la somministrazione del calore stata utilizzata una pistola termica direzionale in grado di portare oggetti metallici oltre i 00 C Figura A 14 Figura A 14 pistola termica utilizzata per la somministrazione del calore e Mediante la termocamera si rilevano dunque misure di temperatura sui marker di riferimento e sulla superficie di riferimento da ispezionare Figura A 15 Figura A 15 misure di temperature eseguite con la termocamera 233 Siregola dunque il valore dell emissivit della superficie scansionata incognita a priori in modo da eguagliare le temperatura misurata in superficie con quella misurata nei marker Dunque l emissivit imposta per il materiale in esame che si trova alla stessa temperatura dei marker di riferimento rappresenta una stima dell emissivit ricercata del materiale A 6 2 Risultati Procedendo con il metodo descritto stato possibile ricavare dei valori di emissivit caratteristici del materiale considerato In particolare per ogni immagine termografica ottenuta sono state eseguite 10 misurazioni di emissivit dal confronto delle temperature Nella Tabella A 9 seguente sono riassunti i valori medi delle emissivit misurate nella piastra in corrispondenza ai 6 marker utilizzati assieme alle temperature di riferimento degli stessi T C Marker m 97 Li 0 14 113 12 0 12 121 L3 0 11 105 Si 0
72. impiegata nei processi industriali che operano con acido cromico solforico od ossalico e Prodotti di formazione moderatamente solubili in queste condizioni il risultato dell operazione di una pulizia elettrolitica della superficie del metallo simile nei risultati ad un lavaggio chimico e generalmente utilizzata come trattamento di preparazione ad operazioni successive e Prodotti di formazione solubili in questa condizione il metallo si dissolve finch non satura la soluzione avviene in acidi e basi forti Ne deriva perdita degli strati superficiali dello stesso che una volta riportato in ambiente naturale si ossida e passiva molto velocemente Tipologie di processi di anodizzazione Nonostante gli innumerevoli elettroliti riportati in letteratura solo pochi sono di importanza industriale e sono principalmente i processi con acido cromico solforico od ossalico Il primo ad essere introdotto stato il processo con acido cromico introdotto da Bengough e Stuart nel 7923 per la protezione del Duralluminio usato negli idrovolanti E un processo molto usato in Inghilterra ed particolare per l andamento del voltaggio nella cella che varia nel tempo con specifiche dettate dal Defence Specification DEF 151 E un processo piuttosto complesso ma una modificazione americana comporta l uso di un voltaggio costante facilitando la conduzione industriale del processo 212 Il processo pi comune comunque quello che
73. ioni prima dell ingresso in ALPI Il complesso PIAVE ALPI da molti anni in funzione ai LNL ma negli ultimi tempi stato sottoposto ad un numero significativo di miglioramenti Figura 1 16 In particolare mentre prima consentiva la produzione di fasci ioni stabili ad elevata energia ora pu essere impiegato come un acceleratore di RIB Figura 1 16 Post acceleratore gi esistenti del progetto SPES a PIAVE b ALPI Si ricorda che la corrente finale del fascio radioattivo dipende dall efficienza di molti processi chimico fisici vedi equazione 7 complessivamente ci si aspetta alle sale sperimentali un fascio avente circa 0 10 isotopi s molto inferiore alle 103 fissioni s date dalla fissione nucleare Il diagramma di Figura 1 17 mostra l intensit del fascio radioattivo calcolata tenendo conto delle efficienze di emissione di ionizzazione e di accelerazione per diverse specie di isotopi 25 Accelerated RIB beams 00 10 1325 00E 09 A z 00E 08 Kr 4 le 00 07 Ag E 00 06 mat 00 05 00E 04 intensity sec 1 00E 03 00 02 4 b 00E 01 00E 00 70 80 90 100 110 1 mass N 130 140 150 Figura 1 17 Intensit finale del fascio calcolata tenendo conto delle efficienze di emissione di ionizzazione e di accelerazione per diverse specie di isotopi I fasci di ioni esotici hanno suscitato nel corso degli ann
74. lenter the post processor SET last consider the last solution step PATH 1 2 30 30 ISHELL path x y z 1 0 000000 0 5500000 01 0 1305000 2 0 000000 0 5500000 01 0 1305000 PDEF TEMP temperature onto path PAGET shell table define table parameter ALLSEL CFOPEN TEMP results dat APPEND write results on file VWRITE SHELL C VWRITE Position m Temp C C 10x C VWRITE shell 1 4 shell 1 5 2 8 15 CFCLOS PATH 2 2 30 30 IPETAL path x y z PPATH 1 0 5000000E 03 0 1599219E 01 0 5250000E 01 PPATH 2 0 5000000E 03 0 4749737E 01 0 5250000E 01 PDEF TEMP PAGET petal table ALLSEL CFOPEN TEMP results dat APPEND VWRITE PETAL 300 C VWRITE Position m Temp C C 10x C VWRITE petal 1 4 petal 1 5 2 15 CFCLOS PATH 3 2 30 30 IINSULATOR path x y z 1 0 3090057 01 0 3090057 01 0 6150000 01 2 0 3443610 01 0 3443610 01 0 6150000 01 PDEF TEMP PAGET insulator table ALLSEL CFOPEN TEMP results dat APPEND VWRITE INSULATOR C VWRITE Position m Temp C C 10x C VWRITE insulator 1 4 insulator 1 5 2 15 CFCLOS PATH 4 2 30 30 ISCREW path x y z PPATH 1 0 3302189E 01 0 3302189E 01 0 2100000E 01 PPATH 2 0 2001112E 01 0 2001112E 01 0 2150000E 01 PDEF TEMP PAGET screw table ALLSEL CFOPEN TEMP results dat APPEND VWRITE SCREW C VWRITE Position
75. m Temp C C 10x C VWRITE screw 1 4 screw 1 5 2 15 CFCLOS 301 Parte STRUTTURALE Struct txt STRUCTURAL ANALYSIS POST1 enter the post processor SET last consider the last solution step 7 ALLSEL ALL LSCLEAR ALL delete thermal loads BC ETCHG TTS convert thermal to structural elements 08 23 15083 USE M30Mo mac DK 839 ALL DK 835 ALL DK 829 ALL DK 825 ALL CSYS 1 NROTAT ALL LSEL S LINE 722 NSLL S 1 D ALL UX 0 LSEL S LINE 720 NSLL S 1 D ALL UX 0 LSEL S LINE 784 NSLL S 1 D ALL UX 0 LSEL S LINE 786 NSLL S 1 D ALL UX 0 LSEL S LINE 824 NSLL S 1 302 call the macros of material properties displacements on keypoints TUBES lactivate Cylindrical with global Cartesian Z as the axis of rotation radial displacements on plates D ALL UX 0 LSEL S LINE 826 NSLL S 1 D ALL UX 0 LSEL S LINE 864 NSLL S 1 D ALL UX 0 LSEL S LINE 866 NSLL S 1 D ALL UX 0 LSEL S LINE 730 NSLL S 1 D ALL UX 0 LSEL S LINE 732 NSLL S 1 D ALL UX 0 LSEL S LINE 774 NSLL S 1 D ALL UX 0 LSEL S LINE 776 NSLL S 1 D ALL UX 0 LSEL S LINE 814 NSLL S 1 D ALL UX 0 LSEL S LINE 816 NSLL S 1 D ALL UX 0 LSEL S LINE 854 NSLL S 1 303 D ALL UX 0 LSEL S LINE 856 NSLL S 1 D ALL UX 0 LSEL S LINE 740 NSLL S 1 D ALL UX 0 LSEL S LINE 742 NSLL S 1 D ALL UX 0 LSEL S LINE 764 NSLL S 1 D ALL UX 0 LSEL S LINE 766 NSL
76. massima in mezzeria Omay 516 MPa gt Gaam dunque l elemento in questo caso non risulta verificato tuttavia mantenendo invariate le dimensioni della sezione trasversale e variando il solo parametro L fino ad una dimensione l 33mm si misura una tensione massima Omax 199 lt il componente risulta in questo caso verificato Altres possibile considerare un altro materiale tenendo invariata la geometria del componente per valutare l influenza sugli sforzi Per esempio considerando il tantalio come materiale E 154 GPa a parit di geometria dal calcolo risulta una tensione massima in mezzeria Omax 135 MPa lt il componente risulta a maggior ragione verificato Tuttavia la rigidezza del componente in questo caso penalizza in maniera significativa le frecce che nascono in mezzeria portandole oltre i valori limiti concessi Infatti in riferimento alla freccia limite tollerabile nel calcolo si deve tener presente di tre effetti combinati 1 Dilatazione termica 2 Effetto del peso dei dischi collimatori 3 Tensionamento viti di fissaggio Dove i primi due effetti sono gi stati considerati nel calcolo della freccia teorica f mentre non si ancora tenuto conto della deflessione prodotta dal tensionamento delle viti necessaria per il fissaggio dei dischi collimatori Il margine totale concesso per il tensionamento delle viti dipende dalla lunghezza l della placchetta che si appoggia sulla super
77. metal gate valve 2 Dunque stato modellato il sistema di pompaggio Figura 6 5 che vede l accoppiamento della pompa turbomolecolare con la valvola VAT scelta Inoltre stato definito un tubo di raccordo realizzato in lega di alluminio A 6082 che permette l accoppiamento del sistema di pompaggio con il canale protonico principale in corrispondenza della camera di diagnostica opportunamente descritta nel prossimo paragrafo Le guarnizioni in indio sono posizionate in prossimit delle flange di collegamento per garantire la tenuta stagna mentre viti e bulloni si rendono necessari per il fissaggio relativo delle parti Figura 6 5 vista del sistema di pompaggio sviluppato 175 6 4 Definizione del sistema di diagnostica In questo paragrafo vengono descritte la fasi di modellazione eseguite per lo sviluppo della camera di diagnostica che vede accoppiati insieme la Faraday Cup e il Beam Profiler Quindi risulta opportuno ridefinire la geometria del sistema che contiene entrambi i dispositivi oltre che sviluppare un sistema di azionamento dedicato alla movimentazione della Faraday Cup 6 4 1 Sviluppo della camera raffreddata In base al modello della camera raffreddata gi definita nel capitolo 4 stato sviluppato un nuovo modello interamente realizzato in lega di alluminio A 6082 provvisto dei tubi di raccordo necessari per l accoppiamento del Beam Profiler oltre che quelli gi definiti per la Faraday Cup Il mode
78. presso 1 Laboratori Nazionali di Legnaro Le misure sperimentali sono necessarie per convalidare 1 risultati ottenuti nelle analisi FEM svolte al fine di verificare il comportamento termico e strutturale dell elemento simulando le reali condizioni operative dell elemento Capitolo 4 In questo capitolo viene descritta la Faraday Cup e se ne introduce il principio di funzionamento facendo riferimento ad alcune tipologie gi esistenti In riferimento alle caratteristiche del fascio protonico di riferimento viene sviluppato un sistema capace di rispondere alle specifiche condizioni operative richieste Sulla base di modelli semplificati vengono effettuati alcuni studi preliminari impiegando il metodo degli Elementi Finiti per la valutazione del comportamento termico e strutturale Vengono riportate le fasi di modellazione del sistema eseguite nel corso della progettazione dettagliata con riguardo alle problematiche esistenti Inoltre viene dimensionato un sistema di raffreddamento sulla camera capace di smaltire la potenza termica generata Capitolo 5 In questo capitolo viene descritta la progettazione preliminare del Beam Profiler Dopo aver descritto il funzionamento del dispositivo in riferimento alle caratteristiche del fascio protonico di riferimento viene sviluppato un sistema capace di rispondere alle specifiche condizioni operative richieste Sulla base di un modello semplificato vengono effettuati alcune analisi termiche per la valut
79. quattro condizioni distinte e Prodotti insolubili nell elettrolita formano uno strato molto adeso e in pratica elettricamente non conduttivo sull anodo La crescita del film procede finch la resistenza dello strato non impedisce la circolazione della corrente Gli spessori degli strati prodotti sono normalmente molti sottili e compatti Sono ottenuti in soluzioni di sali di borati o tartarati con l applicazione di elevati campi elettrici soprattutto per la protezione di substrati di piccolissimo spessore 211 e Prodotti poco solubili nell elettrolita formano uno strato ad elevata adesione isolante se asciutto In questo caso la crescita del film avviene in contemporanea alla sua parziale dissoluzione portando alla formazione di porosit che garantisce la circolazione della corrente fino ad un valore limite al quale il tasso di crescita dell ossido uguaglia quello della sua dissoluzione e la crescita perci si arresta Lo spessore massimo ottenibile dipende da molti fattori tra i quali la natura dell elettrolita la geometria del campo applicato E importante notare che la reazione di anodizzazione avviene all interfaccia Alluminio Ossido di Alluminio ovvero il film cresce dall interno con conseguente consumo di materiale del substrato che diventa via via pi sottile Tuttavia le dimensioni totali del manufatto aumentano a causa del maggior volume occupato dallo strato d ossido Questa condizione
80. quella di ancoraggio dei manufatti da trattare su appositi supporti che hanno la duplice funzione di sostegno meccanico e di contatto elettrico La scelta della tipologia di ancoraggio vincolata da molti fattori In primo luogo si deve garantire la resistenza meccanica della struttura che si trova in esercizio in condizioni notevolmente drastiche La soluzione elettrolitica infatti molto aggressiva nei confronti della maggior parte dei metalli da costruzione e perci la scelta dei materiali con cui realizzare 1 supporti vincolata da queste duplici considerazioni Tabella A 8 Alluminio Rame Bronzi Titanio Lavorabilit Buona Buona Media Difficoltosa Formabilit Trattamenti Buona Media Scarsa particolari Resistenza a trazione Media Buona Eccellente Buona Peso Troppo leggero Buona Media Buona Comportamento Creep delle molle Buona Scarsa Eccellente elastico Conduttivit elettrica Media Eccellente Scarsa Buona Tabella A 8 caratteristiche di alcuni materiali impiegati per la realizzazione dei supporti Inoltre la struttura di supporto non deve assorbire troppa corrente a scapito dei manufatti garantendo allo stesso tempo un buon contatto elettrico I punti di contatto devono essere scelti con accuratezza generalmente in zone non in vista poich in tali zone non si svilupper il ricoprimento anodico La quantit dei punti di contatto dipende in primo luogo dalla necessit di mantener
81. ridurre la porzione di elettroni secondari uscenti 118 l Measured Current n4 emitted Electrons Xe 150 KeV u irue lom Curremt 200 600 800 Volts Suppressor Voltage Figura 4 3 Effetto dell elettro soppressore nella misura della corrente Nella Figura 4 3 si osserva come non disponendo di un elettro soppressore i valori di corrente misurata siano notevolmente alti in quanto viene misurata una corrente somma degli effetti della corrente dovuta agli elettroni prelevati dagli ioni del fascio e della corrente dovuta all emissione di elettroni In generale all aumentare del potenziale di soppressione si osserva una mitigazione dell effetto secondario indesiderato Si nota come i benefici ottenuti divengono sempre meno significativi aumentando oltre misura il potenziale di soppressione e che gi oltre i 300 V nel caso specifico si sono praticamente annullati gli effetti dell emissione secondaria In seguito vengono rappresentate due architetture schematizzate della Faraday Cup che vedono l utilizzo dei sistemi di soppressione citati e opportuni sistemi di raffreddamento per lo smaltimento delle potenza termica prodotta Figura 4 4 e Figura 4 5 119 Ceramic insulation HV Suppressor electrode Insulated aperture m m magnets Permanent a attachment to compressed air actuator not shown 100 mm diameter Figura 4 4 Faraday Cup non raffreddata per potenz
82. risorse per la progettazione del collimatore non troppo distanti dal design che assumer nella sua forma finale 2 2 Descrizione del collimatore In generale un collimatore un dispositivo in grado di dare la forma desiderata ad un fascio proveniente da una sorgente ed situato lungo il percorso del fascio principale per modellarlo in funzione delle applicazioni specifiche In particolare nel caso in esame tale dispositivo collocato nel canale protonico del Front End ed utilizzato per ridurre la dispersione angolare del fascio protonico prodotto dunque funge da vero e proprio schermo di correzione nei confronti delle divergenze che si vengono a formare a monte e nel contempo permette di conferire al fascio una forma voluta a valle Figura 2 1 37 Figura 2 1 vista in sezione del sistema multi collimatore gi esistente Nella fattispecie pi semplice il collimatore costituito da una camera che pu essere realizzata in acciaio o in lega di alluminio opportunamente raffreddata nella quale vengono fissati al suo interno una serie di dischi forati in grafite disposti coassialmente al fine di uniformare il fascio secondo una forma tipicamente circolare Nel caso in esame tale dispositivo dev essere in grado di collimare un fascio avente un energia specifica di 40 MeV u ed una potenza di 8 KW Nei prossimi paragrafi verranno descritti in maniera dettagliata gli aspetti e le scelte progettuali che hanno portato in pri
83. sinistra e dell intero sistema in sezione destra Quindi in riferimento al modello modificato stata eseguita un ulteriore analisi termica mediante il codice agli elementi finiti 135 Gli elementi utilizzati le caratteristiche della mesh generata e le propriet dei materiali sono rimaste le stesse dell analisi termica precedente mentre in aggiunta ai carichi termici gi asseriti stato tenuto conto del sistema di raffreddamento Figura 4 16 ELEMENTS NOV 4 2014 08 35 09 Figura 4 16 mesh utilizzata nell analisi del modello con il sistema di raffreddamento NODAL SOLUTION MAY 27 2014 STEP 1 08 43 57 SUB 52 TIME 5000 TEMP AVG RSYS 0 SMN 39 1508 SMX 1985 71 39 1508 471 72 904 289 1336 86 1769 43 255 435 688 004 1120 57 1553 14 1985 71 faraday cup thermal analysis Figura 4 17 andamento delle temperature che risulta dall analisi termica C 136 Nella Figura 4 17 sono rappresentati gli andamenti delle temperature che sono risultati dall analisi termica mentre la Tabella 4 3 riassume i valori delle temperature massime raggiunte nei singoli componenti Componente Materiale Tmax C Trim C Dischi Grafite C 1985 71 2000 Camera esterna Lega Al 6082 57 73 400 Disco soppressore Tantalio Ta 873 33 1700 Disco collimatore Grafite C 736 30 2000 Sostegno Acciaio AIST 316 274 20 600 Tabella 4 3 temperature massime registrate nei s
84. strato a contatto con l elettrolita tuttavia in costante modificazione nel tentativo di raggiungere uno stato di equilibrio piu stabile possibile Questa superficie perci sede dei processi di accrescimento dello strato attraverso meccanismi di trasporto ionico molto sensibili alle condizioni del pH all interfaccia e al prodotto di solubilit degli ossidi in formazione 215 La struttura dello strato di barriera quasi sempre completamente amorfa anche se in particolari processi di laboratorio sono stati prodotti strati contenenti isole di y cristallina ottenute con potenziali superiori ai 00 V Lo strato esterno presenta caratteristiche completamente diverse E caratterizzato da una struttura microporosa a crescita colonnare risultante secondo le piu recenti teorie da disomogeneit del campo elettrico che si possono generare sulla superficie dello strato barriera Tali fluttuazioni modificano la direzione delle linee di corrente che a loro volta promuovono una dissoluzione e deposizione preferenziale con l effetto di produrre una struttura curva sede dei processi di accrescimento locale Effetto delle condizioni operative Le caratteristiche della struttura chimico fisica dello strato elettro ossidato dipendono dal tipo di elettrolita impiegato dalla sua concentrazione dal tempo di trattamento ma non in particolar modo dalla densit di corrente circolante Anche la temperatura del bagno general
85. the grub screws do not protrude into the bore of the components before refitting the handwheel bearing assembly or the position lock ring d Insert the position lock ring over the body before fitting the handwheel assembly e Align the scribed line on the stainless steel housing with that on the flange body f Do not use excessive force when tightening the grub screws g Align the scribed line on the position lock end face with that on the stainless steel bearing housing 2 4 Maintenance After repeated or extended bakeout some loss of rotational freedom may occur This may indicate that the in atmosphere bearings are in need of re lubrication To relubricate proceed as follows 1 Disassemble as if for high temperature bakeout as described in section 2 3 2 Use Carbaflo lubricant supplied in the ZHPTSLK lubrication kit to relubricate the atmosphere bearings gently rotate the bearing to distribute the lubricant 3 Wipe away any excess lubricant and then reassemble the rotary drive If other maintenance or repairs are required the unit should be returned to VG Scienta service department 275 E 6 Soffietti di allineamento gt Azienda COMVAT Codice prodotto bellows DN100 316L Riferimenti http www comvat com Material 316L ID Inside diameter gt d OD Outside diameter DN 100 Sos le Compressed bellows length i If Free bellows length z Axial stroke mm inch rece E i 1 1 ID 9
86. tra la sorgente e l elettrodo estrattore presente una differenza di potenziale camera front end pari a 60 kV ed quindi necessario al fine di evitare il contatto diretto interporre un isolante elettrico electrical insulator come rappresentato in Figura 1 11 La differenza di potenziale presente accelera gli ioni radioattivi estraendoli in particolare il componente che accoglie gli ioni in uscita dalla sorgente di ionizzazione un elettrodo electrode realizzato in lega di titanio T16AIAV e visibile in Figura 1 10 In questo modo si forma il fascio di ioni radioattivi che verr dopo il passaggio attraverso quadrupoli separatori elettromagnetici ed il post acceleratore ALPI inviato alle sale sperimentali 19 ELECTRICAL INSULATOR 4 m Figura 1 11 Rappresentazione del front end La scelta della sorgente di fondamentale importanza in quanto il suo funzionamento influenza l intensit e la qualit del fascio radioattivo La facility SPES viene progettata in riferimento a tre diverse tipologie di sorgente una sorgente con ionizzazione di tipo superficiale Surface Ion Source una sorgente con ionizzazione laser RILIS Resonant Ionization Laser Ion Source e una sorgente di ionizzazione al plasma FEBIAD Forced Electron Beam Induced Arc Discharge Ion Source 7 Per entrambe le tipologie di ionizzazione si fa riferimento alla medesima architettura mostrata in dettaglio in Figura 1 12 si t
87. una progettazione preliminare nella soluzione a filo rotante avanzando analisi termiche per simulare le reali condizioni d esercizio e individuare le criticit presenti Sulla base dei risultati ottenuti un importante sviluppo di questo dispositivo consiste nella progettazione dettagliata della sonda rotante che costituisce essere l elemento critico dell intero sistema unitamente al controllo richiesto per la movimentazione e l acquisizione dei segnali 199 Per quanto riguarda la Faraday cup stata condotta un attenta riprogettazione della coppa proponendo una soluzione realizzata interamente in grafite In questo senso le analisi termo strutturali si sono rese necessarie per verificare l integrit fisica dei componenti che la costituiscono sulla base dei dati di progetto considerati In riferimento ai risultati ottenuti un importante sviluppo di questo dispositivo consiste nel collaudare la resistenza dei dischi che intercettano il fascio protonico oltre che sviluppare il sistema di acquisizione dei segnali per la caratterizzazione dello stesso Infine sono stati assemblati e verificati tutti 1 dispositivi assieme agli organi di collegamento che si rendono necessari per l accoppiamento delle parti in riferimento all ingombro massimo disponibile Lo studio ingegneristico del Front End protonico stato effettuato e presto verr costruito il prototipo per i test di accettazione finali 200 APPENDICE T
88. 0 v Minimum i FA all v Maximum Reset table ID OD ID OD Ic If z t EA SRCz Gr mm mm inch inch mm mm mm mm cm N mm 90 110 3 543 4 331 0 50 1 45 1 40 0 15 80 40 145 00 5 90 120 3 543 4 724 0 60 2 80 2 80 0 15 89 50 70 00 5 90 5 135 3 563 5 315 0 70 4 20 420 0 2 105 10 80 00 5 92 149 3 622 5 866 0 85 4 75 4 60 0 25 122 00 95 00 6 100 150 3 937 5 906 0 66 2 20 2 50 0 2 129 30 66 00 5 102 128 4 016 5 039 0 50 1 50 1 90 0 15 106 60 145 00 5 102 132 4 016 5 197 0 60 2 60 3 10 0 15 110 70 75 00 5 102 5 150 4 035 5 906 0 90 440 4 60 0 25 131 40 135 00 5 276 Riferimenti End piece two part DN ID mm 63 65 0 75 75 0 100 102 0 130 127 0 160 150 0 200 2000 250 250 0 300 3000 350 360 0 400 4000 500 520 0 630 6900 Installation oD mm 90 0 100 0 132 0 157 0 185 0 235 0 285 0 340 0 440 0 480 0 640 0 810 0 ID Inch 2 559 2 953 4 016 5 000 5 906 7 874 9843 11 811 14 173 15 748 20 472 27165 Inch 3 543 3 937 5 197 6 181 7 283 9 252 11 220 13 386 17 323 18 898 25 197 31 890 Di mm 66 0 721 104 0 123 0 150 0 200 0 250 0 300 0 350 0 400 0 500 0 650 0 Da mm 70 0 76 1 108 0 129 0 156 0 206 0 256 0 306 0 356 0 406 0 506 0 662 0 S mm 5 0 5 0 5 0 5 0 5 0 6 0 6 0 6 0 10 0 10 0 15 0 15 0 LCF mm 26 5 26 5 30 0 30 5 31 0 38 0 38 5 423 473 440 http www comvat com LISO K ACF mm mm 3
89. 00000 0 3000000E 01 PPATH 2 0 6000000E 01 0 000000 0 7500000E 01 PDEF TEMP PAGET suppressor table ALLSEL CFOPEN TEMP results dat APPEND VWRITE SUPPRESSOR C VWRITE Position m Temp C C 10x C VWRITE suppressor 1 4 suppressor 1 5 F6 3 13X F10 2 1 2x f 15x f CFCLOS Parte STRUTTURALE Struct exe STRUCTURAL ANALYSIS POST1 enter the post processor SET last consider the last solution STEP PREP7 ALLSEL ALL LSCLEAR ALL delete thermal loads BC ETCHG TTS convert thermal to structural elements USE M23A1I5083 X EB mac luse the macros of material propeties USE M50SS316 EB mac ICSYS 1 lactivate Cylindrical with global Cartesian Z as the axis of rotation INROTAT ALL ILSEL S LINE 722 radial displacements on plates INSLL S 1 330 D ALL UX 0 DA 15 ALL displacements on selected areas DA 22 ALL ALLSEL ALL TIME 1 LDREAD TEMP LAST LAST 0 FILE RTH limport thermal load FINISH SOLU SOLVE F 5 Analisi termica del Beam Profiler FINISH CLEAR ALL Resets the ANSYS database to the conditions at the beginning of the problem CONFIG NRES 1000000 Assign maximum number of results sets substeps allowed on the result file TITLE beam profile thermal analysis MATERIALS IMPORT define materials propeties from macro files mac PREP7 enters the model creation preprocessor Ta USE M26Ta mac calls the macro for Tantalum N 26 USE M29C ATJ ma
90. 063 SMX 2657 51 451 063 941 384 1431 71 1922 03 2412 35 696 223 1186 54 1676 87 2167 19 2657 51 faraday cup thermal analysis Figura 4 13 andamento delle temperature che risulta dall analisi termica C 133 Nella Figura 4 13 sono rappresentati i campi di temperatura che risultano dall analisi svolta mentre la tabella riassume i valori massimi riscontrati nei diversi componenti Componente Materiale Tmax C Trim C Dischi Grafite C 2657 51 2000 Camera esterna Lega Al 6082 II 400 Disco soppressore Tantalio Ta 983 57 1700 Disco collimatore Grafite C 1076 44 2000 Sostegno Acciaio AIST 316 720 89 600 Tabella 4 1 temperature massime registrate nei singoli componenti Dai risultati si evince come il sistema non risulti verificato termicamente poich le temperature massime riscontrate nei dischi nella camera e nei sostegni in acciaio superano i rispettivi valori limiti Inoltre si nota come la temperatura della camera esterna sia confrontabile con quella ottenuta dall analisi preliminare 522 C contro 465 C mentre la temperatura massima raggiunta nei dischi Figura 4 14 supera quella pervenuta nell analisi precedente 2658 C contro 2370 C oltre che superare il limite cautelativo suggerito dalla letteratura 2000 C AN MAY 8 2014 STEP 1 10 01 40 SUB 86 TIME 5000 TEMP AVG RSYS 0 SMN 1589 79 SMX 2657 51 1589 79
91. 1 145 27 0 30 Viti Tantalio 83 39 102 35 167 47 0 26 Tabella 2 9 confronto delle tensioni e deformazioni che risultano dalle analisi svolte nelle soluzioni con e senza placchette Dai risultati ottenuti si evince come l utilizzo degli elementi elastici si rivela di fondamentale importanza per l attenuazione dello stato tensionale prodotto dalle dilatazioni termiche e ci comporta di operare in condizioni di sicurezza giacch le tensioni che risultano dall analisi non superano le tensioni ammissibili dunque l intero sistema risulta verificato 76 2 10 Conclusioni In questo capitolo stata eseguita una progettazione completa del sistema collimatore provvisto di tutte le parti necessarie per le funzioni che deve assolvere Inoltre sono state eseguite le dovute verifiche termiche e strutturali per poter garantire il funzionamento del dispositivo in condizioni di sicurezza In particolare nelle verifiche termiche sono state valutate le massime temperature raggiunte nei componenti mentre nelle verifiche strutturali sono stati applicati i criteri di resistenza in riferimento alle tensioni e alle deformazioni riscontrate nelle zone maggiormente sollecitate Nel prossimo capitolo sar descritto in maniera dettagliata il test termico sperimentale eseguito al collimatore sviluppato al fine di verificare sperimentalmente la resistenza del dispositivo nonch confontare 1 risultati sperimentali con i valori ottenuti dalle analis
92. 1 r1 12 r2 s SET v3 pi r2 r2 13 r3 s SET v4 pi r3 r3 r4 r4 4 8 1E 6 s 4 SCALING AND GLUE PROCESS ALLSEL ALL VLSCALE ALL 0 001 0 001 0 001 0 1 ALLSEL ALL VGLUE ALL NUMCMP VOLU 284 lexits normally from a processor lenters the model creation preprocessor lenter the radius of beam m lenter the hole radius of disk 1 lenter the hole radius of disk 2 lenter the hole radius of disk 3 lenter the hole radius of disk 4 lenter the discs thickness lenter the power of disk 1 W lenter the power of disk 2 lenter the power of disk 3 lenter the power of disk 4 petal pi greco calculate the entities of volume intersections m 3 volume of petal of disck4 geometry model scaling Iscaling geometry from mm to m join the selected volumes compressed entity number NUMCMP AREA NUMCMP LINE NUMCMP KP BEAM INTERSECTION VSEL S VOLU 67 ALLSEL BELOW VOLU CYLIND 0 rb 0 5 0 5 0 360 VSBA 67 ALL DELETE DELETE VDELE 71 1 VSEL S VOLU 68 ALLSEL BELOW VOLU CYLIND 0 r1 0 5 0 5 0 360 VSBA 68 ALL DELETE DELETE VDELE 67 1 VSEL S VOLU 69 ALLSEL BELOW VOLU CYLIND 0 r2 0 5 0 5 0 360 VSBA 69 ALL DELETE DELETE VDELE 67 1 VSEL S VOLU 63 ALLSEL BELOW VOLU CYLIND 0 r3 0 5 0 5 0 360 VSBA 63 ALL DELETE DELETE VDELE 67 1 VSEL S VOLU 64 ALLSEL BELOW VOLU CYLIND 0 13 0 5 0 5 0 360 VSBA 64 ALL DELETE DELETE VDELE 63 1 VSEL S VOLU 65 ALLSEL BELOW VOLU CYLIND
93. 109 68 950 271 995 815 1041 36 1086 91 1132 45 Figura 2 21 campo di temperatura riscontrato nei dischi collimatori C 63 957 347 97 1119 72 Figura 2 22 campo di temperatura riscontrato nel petalo del quarto disco collimatore La Tabella 2 5 riassume 1 risultati ricercati nelle analisi svolte in particolare sono riportate le temperature massime registrate nei componenti del modello lungo i percorsi preferenziali tracciati Temperature massime C Componente Materiale Analisi B1 Analisi B2 Analisi B3 Analisi B4 Petalo disco 4 Grafite 1119 09 1118 09 1118 49 1118 03 Isolatori Alumina 1022 64 1021 75 1022 20 1021 77 Viti Tantalio 1031 02 1029 96 1030 41 1030 04 Camera Alluminio 58 78 58 68 58 78 58 78 Flange Acciaio 192 31 192 78 193 05 193 20 Tabella 2 5 temperature massime che risultano dalle analisi termiche 64 Dai valori in tabella si nota come l errore relativo riscontrato nell ultima analisi non superi il valore prefissato 0 5 C dunque possibile covalidare la convergenza dei risultati ottenuti Inoltre le temperature massime raggiunte dai componenti risultano ampiamente al di sotto dei limiti raccomandati dunque il modello proposto risulta verificato termicamente Tuttavia la temperatura massima raggiunta nelle flange terminali Tmax 193 20 C risulta essere poco cautelativa nei confronti delle guarnizioni che verranno utilizzat
94. 11 112 113 114 115 116 117 118 58 59 60 6l 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 89 90 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 jo ole er fes em e Figura 1 15 Tavola periodica degli elementi 1 2 3 Separatori elettromagnetici e post accelerazione Il fascio estratto dalla sorgente di ionizzazione viene sottoposto ad una prima fase di purificazione nella quale attraverso un separatore di massa di tipo Wien Filter viene selezionata una grande quantit di contaminanti La risoluzione di tale dispositivo M AM dove per M si intende la massa dell isotopo pari a circa 50 si riescono cos a separare in base alla massa i vari elementi 24 Il separatore di massa seguito da un separatore isobaro avente una risoluzione pari a 15000 e che permette quindi di separare gli isotopi come il Cs e lo Sn tra loro isobari Per migliorare la capacit di selezione dei separatori isobari necessario operare con un energia in ingresso dell ordine dei 200 keV questo possibile perch tale separatore sar montato su di una piattaforma a tale potenziale negativo A questo punto il fascio radioattivo pu essere direttamente convogliato alle sale sperimentali ed utilizzato in esperimenti che richiedono fasci radioattivi di bassissima energia oppure essere post accelerato La post accelerazione viene resa possibile mediante l impiego di un Charge Breeder accoppiato al dispositivo RFQ in grado di incrementare la carica degli
95. 250 1 54 0 83 684 00 537 00 5 7E 6 300 2 10 1 10 793 00 622 00 8 7E 6 350 2 65 1 38 881 00 701 00 1 1E 5 400 3 11 1 69 939 00 777 00 8 5 6 450 3 97 2 02 1022 00 848 00 1 1E 5 500 2 36 916 00 550 2 72 981 00 600 3 10 1044 00 Tabella 3 3 confronto tra i risultati FEM e i risultati sperimentali 2588 TEST 1 1022 00 1000 800 V 600 400 200 e T_FEM 0 150 200 250 300 350 400 450 500 A 100 Figura 3 25 confronto tra le temperature registrate Durante il test in corrispondenza alla corrente inviata di 450 A si verificata la rottura della placca superiore realizzata in tantalio quest ultima ha interrotto il circuito elettrico compromettendo il passaggio di corrente ed obbligando ad interrompere il proseguimento dell esperimento Quindi una volta disabilitato il generatore di potenza e il gruppo di pompaggio stato possibile estrarre il componente danneggiato per indagare circa l accaduto Figura 3 26 Figura 3 26 particolari della lamina danneggiata Tuttavia stato possibile raccogliere una serie di dati significativi prima che si verificasse la rottura del componente che si sono rivelati fondamentali per giustificare la dinamica del guasto Infatti dai risultati ottenuti si nota che i valori dei potenziali misurati sperimentalmente come pure le temperature risultano essere maggiori dei dati pervenuti dalle simulazioni questo da imputare indubbiamente
96. 29 AIS083 USE M23AI15083 X mac calls the macro for Alluminium alloy N 23 M27W USE M27W mac calls the macro for Wolframio N 27 M28Cu USE M28Cu mac calls the macro for Copper N 28 AI203 USE M31AI203 XX mac calls the macro for Alluminum N 31 SS316 USE M50SS316 mac calls the macro for Stainless Steel N 50 Mo USE M30Mo mac calls the macro for Molibdenum N 30 FINISH lexits normally from a processor DEFINE ELEMENT TYPE PREP7 lenters the model creation preprocessor 337 ET 1 SOLID90 FINISH GEOMETRY IMPORT AUX15 IOPTN IGES NODEFEAT defines a local element type lexits normally from a processor lenters the IGES file transfer processor set option for IGES import IOPTN MERGE YES IOPTN SOLID YES IOPTN SMALL YES IOPTN GTOLER DEFA IGESIN block igs IGESIN disco coll igs IGESIN disco coll l igs IGESIN rotary drive igs IGESIN prt0004 igs IGESIN prt0004 cpy l igs IGESIN rod igs IGESIN prt0006 igs IGESIN prt0007 igs IGESIN plate igs IGESIN wire igs IGESIN wire_b igs IGESIN prt0048 igs IGESIN prt0049 igs IGESIN prt0050 igs IGESIN prt0051 igs IGESIN prt0051 cpy l igs IGESIN prt0051 cpy 2 105 IGESIN shell igs FINISH SCALING AND GLUE PROCESS PREP7 ALLSEL ALL VLSCALE ALL 0 001 0 001 0 001 0 1 ALLSEL ALL VGLUE 11 13 12 10 7 9 8 5 VGLUE 4 6 338 transfers IGES data from a file into ANSYS lexits normall
97. 30 360 330 360 330 410 370 420 370 430 370 505 370 510 440 550 60 0 480 600 520 55 5 Dimensioning A ISO K mm 40 0 40 0 40 0 44 0 44 0 44 0 44 0 54 0 58 0 62 0 68 0 End piece End piece with CF flange with ISO K flange tro pat Valvola 4 Azienda VAT VALVE Codice prodotto 482 DN100 Riferimenti http www vatvalve com 247 MA VAT Vakuumventile AG CH 9469 Haag Schweiz Product data sheet All metal gate valve Series 482 DN 100 ID 4 Description Flange Actuator Feed through Option Technical data Leak rate Valve body Valve seat Pressure range Test pressure Differential pressure on the gate Differential pressure at opening Conductance molecular flow Cycles until first service Bake out temperature Valve body Maximum values apr on Actuator ing conditions and seali itinn indi ng Position indicator Heating and cooling rate Material Valve body Flange Gate Mechanism Bellows Seal Bonnet Gate Actuator Mounting position Radiation resistance Valve body Actuator Position indicators Volume of pneumatic actuator Compressed air min max overpressure Compressed air connections Actuation time valid for RT Q6mm tubing at 4 bar with flow rate of 400 l min Closing Opening 278 Ordering No 48240 CE72 0002 DN 100 CF F Pneumatic doub
98. 36 101 S2 0 37 93 S3 0 41 Tabella A 9 valori delle emissivita medie misurate in corrispondenza ai marker Dai risultati si evince come le emissivita misurate in corrispondenza della superficie lavorata siano superiori rispetto a quelle pervenute nella superficie lucida inoltre si osserva in tutti 1 casi come i valori misurati diminuiscano all aumentare della temperatura Infine i valori delle emissivita misurate convalidano le verifiche termo strutturali eseguite nel collimatore e nella faraday cup infatti nelle rispettive camere raffreddate era stato considerato un valore di riferimento dell emissivit pari a 0 3 nelle analisi caratteristico dello stato superficiale delle superfici interne per tener conto di un eventuale fenomeno di sporcamento delle pareti 234 Ebbene si osserva come tale valore sia inferiore rispetto ai valori misurati sperimentalmente nei casi Si S2 ed S5 dunque i risultati pervenuti nelle analisi risultano in vantaggio di sicurezza Inoltre un trattamento di sabbiatura interna per le camere dei dispositivi si rende necessario per favorire lo scambio termico di irraggiamento e nel contempo permette di abbassare 1 livelli termici dei singoli componenti 235 BIBLIOGRAFIA Bonacina A Cavallini L Mattarolo TRASMISSIONE DEL CALORE Cleup editore 1992 G Meneghetti M Manzolaro Introduzione all analisi termica con il codice di calcolo Ansys http www irtermografia it T
99. 5 300 MAT 30 VSEL S VOLU 19 ALLSEL BELOW VOLU VMESH 19 MAT 30 VSEL S VOLU 20 FLANGES PLATES 293 ALLSEL BELOW VOLU VMESH 20 MAT 30 VSEL S VOLU 21 ALLSEL BELOW VOLU VMESH 21 MAT 30 VSEL S VOLU 22 ALLSEL BELOW VOLU VMESH 22 MAT 30 VSEL S VOLU 23 ALLSEL BELOW VOLU VMESH 23 MAT 30 VSEL S VOLU 24 ALLSEL BELOW VOLU VMESH 24 MAT 30 VSEL S VOLU 25 ALLSEL BELOW VOLU VMESH 25 MAT 30 VSEL S VOLU 26 ALLSEL BELOW VOLU VMESH 26 MAT 30 VSEL S VOLU 27 ALLSEL BELOW VOLU VMESH 27 MAT 30 VSEL S VOLU 28 294 ALLSEL BELOW VOLU VMESH 28 MAT 30 VSEL S VOLU 29 ALLSEL BELOW VOLU VMESH 29 MAT 30 VSEL S VOLU 30 ALLSEL BELOW VOLU VMESH 30 MAT 30 VSEL S VOLU 31 ALLSEL BELOW VOLU VMESH 31 MAT 30 VSEL S VOLU 32 ALLSEL BELOW VOLU VMESH 32 MAT 30 VSEL S VOLU 33 ALLSEL BELOW VOLU VMESH 33 MAT 30 VSEL S VOLU 34 ALLSEL BELOW VOLU VMESH 34 FINISH HEAT GENERATORS PREP7 TUNIF 0 BFV 72 HGEN p1 v1 BFV 71 HGEN p2 v2 BFV 68 HGEN p3 v3 lexits normally from a processor linitial conditions at time 0 s heat generator on disk 1 W m3 heat generator on disk 2 W m3 heat generator on disk 3 W m3 295 BFV 69 HGEN p4 v4 BFV 67 HGEN p4 v4 BFV 64 HGEN p4 v4 BFV 65 HGEN p4 v4 IRRADIANCE PROCESS SPCTEMP 1 50 method C RADOPT 0 001 0 10000 0 5 HEMIOPT 100 STEF 5 67e 8 TOFFST 273 15 TUNIF 0 ALLSEL ALL VSE
100. 64 ALLSEL BELOW VOLU VMESH 64 VSEL S VOLU 65 ALLSEL BELOW VOLU VMESH 65 ESIZE 0 00025 300 MAT 31 VSEL S VOLU 1 ALLSEL BELOW VOLU VMESH I MAT 31 internal DISCS INSULATORS 287 VSEL S VOLU 2 ALLSEL BELOW VOLU VMESH 2 MAT 31 VSEL S VOLU 3 ALLSEL BELOW VOLU VMESH 3 MAT 31 VSEL S VOLU 4 ALLSEL BELOW VOLU VMESH 4 MAT 31 VSEL S VOLU 5 ALLSEL BELOW VOLU VMESH 5 MAT 31 VSEL S VOLU 6 ALLSEL BELOW VOLU VMESH 6 MAT 31 VSEL S VOLU 7 ALLSEL BELOW VOLU VMESH 7 MAT 31 VSEL S VOLU 8 ALLSEL BELOW VOLU VMESH 8 MAT 31 VSEL S VOLU 9 ALLSEL BELOW VOLU 9 MAT 31 288 VSEL S VOLU 10 ALLSEL BELOW VOLU VMESH 10 MAT 31 VSEL S VOLU 11 ALLSEL BELOW VOLU VMESH 11 MAT 31 VSEL S VOLU 12 ALLSEL BELOW VOLU VMESH 12 MAT 31 VSEL S VOLU 13 ALLSEL BELOW VOLU VMESH 13 MAT 31 VSEL S VOLU 14 ALLSEL BELOW VOLU VMESH 14 MAT 31 VSEL S VOLU 15 ALLSEL BELOW VOLU VMESH 15 MAT 31 VSEL S VOLU 16 ALLSEL BELOW VOLU VMESH 16 MAT 31 VSEL S VOLU 37 ALLSEL BELOW VOLU VMESH 37 MAT 31 289 VSEL S VOLU 38 ALLSEL BELOW VOLU VMESH 38 MAT 31 VSEL S VOLU 39 ALLSEL BELOW VOLU VMESH 39 MAT 31 VSEL S VOLU 40 ALLSEL BELOW VOLU VMESH 40 MAT 26 VSEL S VOLU 53 ALLSEL BELOW VOLU VMESH 53 26 VSEL S VOLU 54 ALLSEL BELOW VOLU VMESH 54 26 VSEL S VOLU 55 ALLSEL BELOW VOLU VMESH 55 26 VSEL S VOLU 56 A
101. 79 280 27 03 max MPa Componente Materiale Analisi C1 Analisi C2 Analisi C3 Analisi C4 Petalo disco 4 Grafite 2 46 1 67 1 39 1 38 Isolatori Alumina 773 44 211 90 213 62 219 67 Viti Tantalio 249 11 259 13 333 45 347 49 max MPa Componente Materiale Analisi Analisi C2 Analisi C3 Analisi C4 Petalo disco 4 Grafite 25 25 2521 25 24 25 23 Isolatori Alumina 1044 27 1474 34 702 56 729 48 Viti Tantalio 395 91 356 12 316 66 330 94 70 Umax mm Componente Materiale Analisi Analisi C2 Analisi C3 Analisi C4 Petalo disco 4 Grafite 0 2 0 2 0 2 0 2 Isolatori Alumina 0 09 0 09 0 09 0 09 Viti Tantalio 0 14 0 14 0 14 0 14 Tabella 2 8 tensioni e deformazioni massime che risultano dalle analisi svolte Lo scostamento prodotto in termini di tensioni non supera nell ultima analisi l errore di troncamento prefissato 30 MPa che corrisponde ad uno scostamento percentuale massimo del 4 per le tensioni di Von Mises dunque possibile confermare la convergenza dei valori ottenuti Inoltre i valori registrati in corrispondenza dei vincoli e nelle zone di contatto tra le diverse parti sono stati opportunamente interpretati Infatti nella generazione del modello il codice di calcolo interpreta i singoli componenti come facenti parte di un unico volume strutturale Tuttavia in corrispondenza d
102. 8Cu mac A1203 USE M31A1203_XX mac 55316 USE M50SS316 mac Mo USE M30Mo mac FINISH DEFINE ELEMENT TYPE PREP7 ET 1 SOLID226 KEYOPT 1 1 110 FINISH GEOMETRY IMPORT AUX15 IOPTN IGES NODEFEAT IOPTN MERGE YES IOPTN SOLID YES IOPTN SMALL YES IOPTN GTOLER DEFA IGESIN st pi000 008 igs IGESIN anodo igs IGESIN placca anodo igs IGESIN anodo b igs IGESIN petal igs IGESIN blocco rame igs IGESIN lam catodo igs lenters the model creation preprocessor calls the macro for Tantalum calls the macro for Graphite N22 N22 6 9 calls the macro for Alluminium alloy N 23 calls the macro for Wolframio calls the macro for Copper calls the macro for Alluminum calls the macro for Stainless Steel calls the macro for Molibdenum lexits normally from a processor N 27 N 28 N 31 N 50 N 30 enters the model creation preprocessor defines a local element type set element options lexits normally from a processor lenters the IGES file transfer processor set option for IGES import Itransfers IGES data from a file into ANSYS 309 FINISH SCALING AND GLUE PROCESS PREP7 ALLSEL ALL VLSCALE ALL 0 001 0 001 0 001 0 1 ALLSEL ALL VGLUE ALL NUMCMP VOLU NUMCMP AREA NUMCMP LINE NUMCMP KP FINISH MESHING PROCESS PREP7 TYPE 1 MSHAPE 1 3D Dimension 3 D MSHKEY 0
103. ABELLE 20EMISSIVITA 20MATERIALL pdf http it wikipedia org wiki Anodizzazione http www ing unitn it colombo Anodizzazione cap 4 htm 9 http www axu it 7 http it wikipedia org wiki Sabbiatura_ metalli 236 APPENDICE B Allestimento del test sperimentale eseguito nel tripletto B 1 Obiettivi del test Lo scopo del test sperimentale del tripletto consiste nella misurazione sperimentale del massimo vuoto raggiungibile al suo interno al fine di verificare e convalidare il valore dichiarato dalla casa costruttrice In secondo luogo il test si propone di simulare le condizioni operative del dispositivo nelle reali condizioni d esercizio in vista della sua installazione nella linea del progetto SPES Nella Figura B 1 seguente riportato lo schema del circuito pneumatico di riferimento per l allestimento del test sperimentale opportunamente descritto nel prossimo paragrafo Ga2 Gb2 Ramo di By pass Gat Tripletto XZ Gb1 Vs2 Vb2 Pt Ramo Principale Vsi 0 27 Vb1 r _ GDO Figura B 1 schema equivalente del circuito pneumatico di riferimento 237 pompa primaria campo di utilizzo Ibar 10 mbar Pt pompa turbomolecolare campo di utilizzo 10 mbar 10 mbar Vs1 Vs2 valvole di sicurezza manuali Vb2 valvole elettromagnetiche Va valvola gate Gb0 Gb1 Gb2 teste misuratori di basso vuoto
104. C grazie ad un riscaldatore incorporato per favorire ed accelerare l intero processo Figura 3 16 92 Figura 3 16 particolare della macchina di lavaggio ad ultrasuoni utilizzata Una volta lasciati ad asciugare i componenti sono stati puliti nuovamente con acetone mediante fogli di carta assorbente Quindi sono stati assemblati correttamente fino ad ottenere il sistema rappresentato in Figura 3 17 Figura 3 17 vista frontale del sistema assemblato Prima di procedere con l esecuzione del test sperimentale sulla base del modello 3D definito precedentemente stata avanzata un analisi agli elementi finiti che verr descritta nel prossimo paragrafo al fine di stimare la massima corrente richiesta per raggiungere il livello termico desiderato nonch verificare il legame che sussiste tra corrente circolante e temperatura raggiunta nei componenti per poter confrontare 1 risultati con i valori pervenuti dal test 93 3 4 Analisi termo elettrica Disponendo di un modello 3D dell intero assieme stato possibile condurre un analisi termo elettrica per verificare il legame che sussiste tra la corrente circolante e le temperature raggiunte dai componenti in base alla resistenza elettrica prodotta dal sistema ohmico resistivo In particolare tale analisi si rende necessaria per stimare la massima corrente circolante affinch si raggiunga nel petalo il livello termico desiderato tuttavia sulla base di un modello te
105. ENTIOMETER Entrance Pseudoplane Exit Pseudoplane Secondary electron at position z at position z 7 collection shroud P A J 2 JU 4 lon neutral beams A _ Axis rotation Wire 1 lon neutral beams ire 1 JT Retain wires Ve K x after 180 rotation x N Wire motion se _ 2 intersects the beam y 5 4 cm siar pih Along Beam Axis View Perpendicular to Beam View Figura 5 7 particolare del doppio filo rotante sviluppato per ottimizzare la scansione del fascio ideato dalla National Electrostatics Corporation 149 Nel prossimo paragrafo verr descritto lo sviluppo di un modello semplificato del Beam Profiler nella soluzione a filo rotante in grado di assolvere alle specifiche di progetto richieste in vista di un analisi termica preliminare atta a valutare le massime temperature raggiunte dai componenti Seguir la progettazione dettagliata del modello fino ad ottenere una soluzione che si avvicina alla configurazione che assumer il dispositivo nella sua forma finale 5 3 Sviluppo di un modello preliminare Lo sviluppo di un modello preliminare del dispositivo si rende necessario per poter verificare il funzionamento dello stesso nonch valutare le temperature massime raggiunte nei componenti in vista della loro realizzazione Quindi sulla base dei dati di progetto forniti stato possibile dimensionare un modello che si appr
106. ESIN isolatore lungo cpy l igs IGESIN isolatore lungo cpy 2 igs IGESIN isolatore lungo cpy 3 igs IGESIN placca igs IGESIN placca l igs IGESIN placca 2 105 IGESIN placca 3 105 IGESIN placca 4 105 IGESIN placca 5 105 IGESIN placca cpy 6 igs IGESIN placca cpy 7 105 IGESIN placca_cpy_8 igs IGESIN placca cpy 9 igs IGESIN placca cpy 10 gs IGESIN placca cpy 11 05 IGESIN placca cpy 12 108 IGESIN placca cpy 13 gs IGESIN placca 14 108 IGESIN placca 15 108 IGESIN tubo igs IGESIN tubo_cpy_1 igs IGESIN tubo_cpy_1 igs IGESIN vite_corta igs IGESIN vite_corta_cpy_1 igs IGESIN vite corta 2 108 IGESIN vite corta 3 108 IGESIN vite corta 4 108 IGESIN vite corta 5 108 IGESIN vite corta 6 108 283 IGESIN vite_corta_cpy_7 igs IGESIN vite lunga igs IGESIN vite lunga cpy l igs IGESIN vite lunga cpy 2 igs IGESIN vite lunga cpy 3 igs IGESIN vite lunga cpy 4 195 IGESIN vite lunga cpy 5 igs IGESIN vite lunga cpy 6 igs IGESIN vite lunga 7 195 IGESIN vite lunga cpy 8 105 IGESIN vite lunga cpy 9 105 IGESIN vite lunga 10 igs IGESIN vite lunga cpy 11 108 FINISH PARAMETERS IMPORT PREP7 SET rb 35 1E 3 SET r1 20 4 1E 3 SET 12 18 4 1E 3 SET 13 17 2 1E 3 SET 14 16 0 1E 3 SET s 12 0 1E 3 SET p1 632 12 SET p2 740 52 SET p3 697 53 SET p4 223 54 SET pi 3 141592653589793 SET vl pi rb rb r1 r1 s SET v2 pi r
107. INE NUMCMP KP Ino paso vtto M epe scenico retto BEAM INTERSECTION LOCAL 11 0 0 0 0 0 90 0 rotate coordinate system WPCSYS 11 define new coordinate system VSEL S VOLU 9 DISK collimator ALLSEL BELOW VOLU CYLIND 0 rc 0 5 0 5 0 360 generate beam with radius rc VSBA 9 ALL DELETE DELETE intersection with disk and splitting volumes VDELE 29 1 delete beam volume VSEL S VOLU 12 DISK 1 ALLSEL BELOW VOLU CYLIND 0 rb 0 5 0 5 0 360 VSBA 12 ALL DELETE DELETE VDELE 9 1 319 VSEL S VOLU 13 ALLSEL BELOW VOLU CYLIND 0 rb 0 5 0 5 0 360 VSBA 13 ALL DELETE DELETE VDELE 9 1 VSEL S VOLU 14 ALLSEL BELOW VOLU CYLIND 0 rb 0 5 0 5 0 360 VSBA 14 ALL DELETE DELETE VDELE 9 1 VSEL S VOLU 15 ALLSEL BELOW VOLU CYLIND 0 rb 0 5 0 5 0 360 VSBA 15 ALL DELETE DELETE VDELE 9 1 VSEL S VOLU 16 ALLSEL BELOW VOLU CYLIND 0 rb 0 5 0 5 0 360 VSBA 16 ALL DELETE DELETE VDELE 9 1 VSEL S VOLU 17 ALLSEL BELOW VOLU CYLIND 0 rb 0 5 0 5 0 360 VSBA 17 ALL DELETE DELETE VDELE 9 1 VSEL S VOLU 18 ALLSEL BELOW VOLU CYLIND 0 rb 0 5 0 5 0 360 VSBA 18 ALL DELETE DELETE VDELE 9 1 VSEL S VOLU 19 ALLSEL BELOW VOLU CYLIND 0 rb 0 5 0 5 0 360 320 DISK 2 DISK 3 DISK 4 DISK 5 DISK 6 DISK 7 DISK 8 VSBA 19 ALL DELETE DELETE VDELE 9 1 VSEL S VOLU 11 ALLSEL BELOW VOLU CYLIND 0 rb 0 5 0 5 0 360 VSBA 11 ALL DELETE DELETE VDELE 9 1 VSEL S VOL
108. ISCS Figura 1 9 Rappresentazione del prototipo di bersaglio diretto del progetto SPES 17 La scatola deve mantenere la temperatura media di 2000 C in modo da migliorare l estrazione dei prodotti di fissione Essendo la potenza del fascio di protoni non sufficiente a portare il target al livello di temperatura richiesto se non alla massima corrente necessario introdurre un dispositivo indipendente avente la funzione di riscaldare e schermare il target Inoltre il sistema di riscaldamento supplementare deve essere in grado di sostenere il target durante 1 transitori evitando improvvisi sbalzi di temperatura molto pericolosi per l integrit strutturale dei dischi Il riscaldatore heater composto da un tubo molto sottile di 0 2 mm tube saldato ai bordi a due ali wings direttamente collegate ai morsetti in rame clamps attraverso i morsetti possibile far scorrere elevate intensit di corrente e quindi dissipare per effetto Joule il desiderato quantitativo di potenza al riscaldatore La dissipazione di potenza dovuta all effetto Joule in aggiunta al calore sviluppato dalla fissione nucleare e alla potenza rilasciata dal fascio protonico fa in modo che la temperatura del sistema scatola dischi sia mantenuta al valore di utilizzo Il materiale scelto per il riscaldatore il tantalio si tratta di un metallo altamente resistente alla corrosione in grado di condurre elettricit e calore e di raggiungere temperature mol
109. Institute of Physics 2009 9 Meneghetti M Manzolaro A Andrighetto Design of the SPES Target Heating System theoretical analyses and comparison with experimental data TCN CAE 2008 7 G Prete SPES Technical Design Report Laboratori Nazionali di Legnaro 2008 http Awww Inl infn it spes TDR2008 tech_design08_index htm M Deicher Radioactive isotopes in solid state physics Vol 33 No 3 Europhysics News 2002 http wikipedia org 36 CAPITOLO 2 Progettazione e verifica termo strutturale del collimatore 2 1 Introduzione Nel presente lavoro di tesi ci si propone di progettare costruire e testare un dispositivo capace di collimare il fascio protonico nel target noto con il nome di collimatore in particolare dopo aver definito un modello che sar il risultato di una rigorosa analisi preliminare verranno eseguite le dovute verifiche termiche e strutturali al fine di garantire la funzionalit dell oggetto in questione Si ritiene necessario fin da subito approfondire la conoscenza di questo dispositivo fornendo le dovute informazioni sullo strumento per poi proseguire con lo studio dettagliato del progetto specifico La miglior conoscenza delle funzionalit e morfologie del collimatore note dagli studi precedenti permette notevoli vantaggi infatti si possono individuare tra le possibili soluzioni le tipologie pi adatte agli obiettivi prefissi focalizzando l attenzione e le
110. L ALL VSEL R MAT Ta ALLSEL BELOW VOLU SFA ALL RDSF Ta l ALLSEL ALL VSEL ALL VSEL R MAT A1203_XX ALLSEL BELOW VOLU SFA ALL RDSF AI203 XX I ALLSEL ALL VSEL ALL VSEL R MAT C_ATJ ALLSEL BELOW VOLU SFA ALL RDSF C_ATJ 1 ALLSEL ALL VSEL ALL VSEL R MAT A15083 ALLSEL BELOW VOLU SFA ALL RDSF 0 3 1 ALLSEL ALL VSEL ALL VSEL R MAT SS316 ALLSEL BELOW VOLU SFA ALL RDSF SS316 1 ALLSEL ALL 296 heat generator on petal disk 4 W m3 heat generator on petal disk 4 W m3 heat generator on petal disk 4 W m3 heat generator on petal disk 4 W m3 defines a free space ambient temperature for radiation using the Radiosity specifies Gauss Seidel Radiosity Solver options specifies options for Hemicube view factor calculation specifies Stefan Boltzmann radiation constant W m 2 K 4 specifies the temperature offset from absolute zero to zero C ALLSEL ALL VSEL ALL GET nvolu VOLU 0 COUNT nn 0 DO i1 nvolu nn vlnext nn VSEL ALL VSEL U VOLU nn ALLSEL BELOW VOLU VSEL S VOLU nn ASLV R SFADELE ALL RDSF ALLSEL ALL ENDDO VSEL ALL ALLSEL BELOW VOLU ASEL INVE ADELE ALL 1 LSEL INVE LDELE ALL 1 KSEL INVE KDELE ALL CONVECTION LOADS cooled circuit SHELL SET vall 5757 64 SET val2 34 4 SFA 161 CONV vall val2 SFA 162 CONV vall val2 SFA 163 CONV vall val2 SFA 164 CONV vall val2 SFA 165 CONV vall val2 SFA 166 CONV vall val2 SFA 167 CONV vall val2 SFA 167 CONV vall val2
111. L R MAT W ALLSEL BELOW VOLU SFA ALL RDSF W 1 ALLSEL ALL VSEL ALL 334 specifies Gauss Seidel Radiosity Solver options specifies options for Hemicube view factor calculation Ispecifies Stefan Boltzmann radiation constant W m 2 K 4 Ispecifies the temperature offset from absolute zero to zero C VSEL R MAT AI203_ XX ALLSEL BELOW VOLU SFA ALL RDSF A1203_XX 1 ALLSEL ALL VSEL ALL VSEL R MAT C_ATJ ALLSEL BELOW VOLU SFA ALL RDSF C_ATJ 1 ALLSEL ALL VSEL ALL VSEL R MAT A15083 ALLSEL BELOW VOLU SFA ALL RDSF 0 3 1 ALLSEL ALL VSEL ALL VSEL R MAT SS316 ALLSEL BELOW VOLU SFA ALL RDSF SS316 1 ALLSEL ALL VSEL ALL VSEL R MAT Mo ALLSEL BELOW VOLU SFA ALL RDSF Mo ALLSEL ALL VSEL ALL VSEL R MAT Cu ALLSEL BELOW VOLU SFA ALL RDSF Cu l ALLSEL ALL ALLSEL ALL VSEL ALL GET nvolu VOLU 0 COUNT nn 0 DO i 1 nvolu 335 nn vlnext nn VSEL ALL VSEL U VOLU nn ALLSEL BELOW VOLU VSEL S VOLU nn ASLV R SFADELE ALL RDSF ALLSEL ALL ENDDO VSEL ALL ALLSEL BELOW VOLU ASEL INVE ADELE ALL 1 LSEL INVE LDELE ALL 1 KSEL INVE KDELE ALL FINISH exits normally from a processor THERMAL AND ELETRICAL LOADS PREP7 lenters the model creation preprocessor DA 29 TEMP 35 defines DOF constraints on areas C DA 30 TEMP 35 defines DOF constraints on areas C DA 40 TEMP 35 defines DOF constraints on areas C SET air1 5 lenter alfa W m2 C SET air2 25 lenter fluid
112. L S 1 D ALL UX 0 LSEL S LINE 804 NSLL S 1 D ALL UX 0 LSEL S LINE 806 NSLL S 1 D ALL UX 0 LSEL S LINE 844 NSLL S 1 D ALL UX 0 LSEL S LINE 846 NSLL S 1 D ALL UX 0 LSEL S LINE 750 NSLL S 1 304 D ALL UX 0 LSEL S LINE 752 NSLL S 1 D ALL UX 0 LSEL S LINE 754 NSLL S 1 D ALL UX 0 LSEL S LINE 756 NSLL S 1 D ALL UX 0 LSEL S LINE 794 NSLL S 1 D ALL UX 0 LSEL S LINE 796 NSLL S 1 D ALL UX 0 LSEL S LINE 834 NSLL S 1 D ALL UX 0 LSEL S LINE 836 NSLL S 1 D ALL UX 0 ALLSEL ALL TIME 1 LDREAD TEMP LAST LAST 0 FILE RTH FINISH SOLU SOLVE STRESS PLOT See SD results dat himport thermal load 305 POST1 SET last consider the last solution step PATH 5 2 30 30 ISHELL path x y z PPATH 1 0 000000 0 5500000E 01 0 1305000 PPATH 2 0 000000 0 5500000E 01 0 1305000 PDEF S 1 map stress 1 onto path PDEF S 2 map stress 2 onto path PDEF S 3 map stress 3 onto path PDEF S EQV map Von Mises stress onto path PDEF U X map displacement X PDEF U Y map displacement Y PDEF U Z map displacement Z PDEF U SUM map displacement SUM PAGET shell table create a table parameter ALLSEL CFOPEN SD results dat APPEND VWRITE SHELL C VWRITE Position m Stress 1 Pa Stress 2 Pa Stress 3 Pa Stress VM Pa Disp X m Disp Y m Disp Z m Disp SUM m 10 17 17 17 17 17 20 20 VWRITE shell 1 4 shell 1 5
113. LLSEL BELOW VOLU VMESH 56 26 VSEL S VOLU 49 ALLSEL BELOW VOLU VMESH 49 26 290 SCREWS VSEL S VOLU 50 ALLSEL BELOW VOLU VMESH 50 26 VSEL S VOLU 51 ALLSEL BELOW VOLU VMESH 51 MAT 26 VSEL S VOLU 52 ALLSEL BELOW VOLU VMESH 52 MAT 26 VSEL S VOLU 45 ALLSEL BELOW VOLU VMESH 45 26 VSEL S VOLU 46 ALLSEL BELOW VOLU VMESH 46 MAT 26 VSEL S VOLU 47 ALLSEL BELOW VOLU VMESH 47 MAT 26 VSEL S VOLU 48 ALLSEL BELOW VOLU VMESH 48 MAT 26 VSEL S VOLU 41 ALLSEL BELOW VOLU VMESHAI 26 291 VSEL S VOLU 42 ALLSEL BELOW VOLU VMESH 42 26 VSEL S VOLU 43 ALLSEL BELOW VOLU VMESH 43 MAT 26 VSEL S VOLU 44 ALLSEL BELOW VOLU VMESH 44 26 VSEL S VOLU 57 ALLSEL BELOW VOLU VMESH 57 26 VSEL S VOLU 58 ALLSEL BELOW VOLU VMESH 58 26 VSEL S VOLU 59 ALLSEL BELOW VOLU VMESH 59 26 VSEL S VOLU 60 ALLSEL BELOW VOLU VMESH 60 ESIZE 0 010 300 MAT 23 VSEL S VOLU 70 ALLSEL BELOW VOLU VMESH 7 ESIZE 0 020 300 MAT 23 VSEL S VOLU 35 ALLSEL BELOW VOLU VMESH 35 MAT 23 VSEL S VOLU 36 ALLSEL BELOW VOLU VMESH 36 ESIZE 0 010 300 MAT 23 VSEL S VOLU 17 ALLSEL BELOW VOLU VMESH 17 MAT 23 VSEL S VOLU 18 ALLSEL BELOW VOLU VMESH 18 MAT 23 VSEL S VOLU 61 ALLSEL BELOW VOLU VMESH 61 MAT 23 VSEL S VOLU 62 ALLSEL BELOW VOLU VMESH 62 ESIZE 0 0002
114. Numero di protoni Z Numero di neutroni N Figura 1 2 Carta dei nuclidi I nuclei definiti stabili quadratini neri sono quelli non radioattivi oppure aventi tempo di decadimento comparabile all et della terra o addirittura superiore la regione di colore giallo quella dei nuclei artificiali che possono avere vita pi o meno breve a seconda dei casi aggiungendo neutroni o protoni ad un nucleo ci si allontana dalla valle di stabilit fino a raggiungerne 1 limiti detti drip lines caratterizzati da una diminuzione della forza di attrazione tra neutroni e protoni tale da non garantire pi la stabilit del nucleo calcoli teorici hanno dimostrato che al di fuori delle drip lines 1 nuclei emettono nucleoni molto rapidamente per formare nuovi nuclei con combinazioni di protoni e neutroni tali da poter rientrare nell area di potenziale stabilit nella quale l interazione forte nuovamente capace di garantire il grado di coesione necessario La regione indicata in verde ancora inesplorata definita terra incognita ed caratterizzata dalla presenza di nuclei radioattivi con rapporti N Z molto piccoli o molto grandi la figura mostra che l area proton rich relativamente ben definita teoricamente mentre quella neutron rich molto pi vasta ed indefinita Come vedremo nei paragrafi successivi lo studio dei nuclei instabili ed in particolare dei nuclei esotici ha aperto nuovi campi di ricerca in fisica nu
115. OLID 90 quadrangolari nei limiti consentiti dalla geometria assialsimmetrica del sistema Quindi stata generata una mesh con elementi aventi una dimensione caratteristica L 5mm per la camera esterna ed L 3 mm per il blocco interno rappresentata in Figura 4 7 Figura 4 7 mesh utilizzata nel modello semplificato 123 Dall analisi termica risultata una temperatura massima di 2370 C per il blocco di grafite in corrispondenza della parte centrale mentre la camera esterna ha raggiunto una temperatura massima di 465 C Si evince come un sistema di raffreddamento si riveli necessario per contenere le temperature massime raggiunte tuttavia possibile sulla base del modello appena definito individuare i parametri che maggiormente influenzano i campi di temperatura raggiunti Infatti avendo coinvolto il solo scambio termico per irraggiamento tra la camera e il blocco interno la legge che regola il flusso termico pu essere rappresentata in maniera approssimativa dalla seguente relazione 4 3 _ Aos T Tz RE 4 3 amp 1 dove 912 flusso termico scambiato A1 area superficiale del blocco interno ri raggio del blocco interno r2 raggio interno della camera esterna g emissivit emisferica globale del cilindro interno 2 emissivit emisferica globale del cilindro esterno os costante di Stefan Boltzmann 5 67051 x 10 Wm K temperatura assoluta del cilindro interno
116. Pi associate ai singoli dischi calcolate in misura proporzionale alle rispettive porzioni di fascio intercettato AI Disco 1 Disco 2 Disco 2 Disco 4 s mm 12 12 12 12 De mm 150 150 150 150 Di mm 40 8 36 8 34 4 32 I p 0 3 12 6 78 10 22 14 82 AI 3 12 3 66 3 44 4 59 AI 21 07 24 68 25 25 30 99 Pi W 632 12 740 52 697 53 929 83 Tabella 2 1 dati costruttivi adottati per la definizione dei dischi collimatori 42 Potenze dischi Pi 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 Disco 1 Disco 2 Disco 3 Disco 4 Pi W Figura 2 5 potenze Pi assorbite dai dischi collimatori Dal grafico 2 5 precedente si nota come la potenza associata al disco 4 sia maggiore rispetto ai rimanenti La ragion per cui si vuole destinare una maggior potenza in questo ultimo disco sta nel fatto che in quest ultimo si vuole misurare la rotazione del fascio attorno all asse principale del canale protonico chiamata wobbling dunque in previsione di una misura soddisfacente si destina una maggior potenza per avere una maggior intensit di corrente del segnale misurato 2 5 Misura delle caratteristiche del fascio Le caratteristiche che rigurdano la forma e la posizione del fascio protonico che va ad insistere sui dischi del sistema multi collimatore sono descritte dai parametri m e 0 avendo ipotizzato un profilo gaussiano per il fascio stesso 2 La loro conoscenza valutata nel tempo
117. S Resets the ANSYS database to the conditions at the beginning of the problem Assign maximum number of results sets substeps allowed on the result file define materials propeties from macro files lenters the model creation preprocessor calls the macro for Tantalum N 26 calls the macro for Graphite N 29 calls the macro for Alluminium alloy N 23 calls the macro for Wolframio N 27 calls the macro for Copper N 28 calls the macro for Alluminum N 31 calls the macro for Stainless Steel N 50 calls the macro for Molibdenum N 30 lexits normally from a processor lenters the model creation preprocessor defines a local element type lexits normally from a processor lenters the IGES file transfer processor set option for IGES import 317 IOPTN SOLID YES IOPTN SMALL YES IOPTN GTOLER DEFA Itransfers IGES data from a file into ANSY IGESIN braccio igs IGESIN soppressore igs IGESIN shell igs IGESIN tubo igs IGESIN tubo_ext igs IGESIN disco igs IGESIN disco cpy l igs IGESIN disco 2 igs IGESIN disco cpy 3 igs IGESIN disco cpy 4 igs IGESIN disco cpy 5 igs IGESIN disco 6 168 IGESIN disco cpy 7 igs IGESIN disco 8 108 IGESIN disco_cpy_9 igs IGESIN distanziale igs IGESIN distanziale_cpy_1 igs IGESIN distanziale_cpy_2 igs IGESIN distanziale cpy 3 igs IGESIN distanziale cpy 4 igs IGESIN distanziale cpy 5 igs IGESIN distanziale cpy 6 igs IGESIN distanz
118. Set Ouputs CPU Number 2 Set CPUNumber Figura D 23 il tasto verde permette l accesso alle opzioni sulla propria VO Si apre un piccolo pop up con lo stato cio Role e Time left Il primo deve essere impostato su gridit ansys dovrebbe essere il valore che si trova automaticamente Il secondo il tempo rimanente alla scadenza del proxy Per settare questi parametri si pu premere su pulsante Renew Credential in basso dopo aver inserito la propria password Figura D 25 Nella schermata che si apre si pu far ripartire il contatore del tempo impostare il ruolo corretto nel Grid da un men a tendina I dati immessi vanno confermati inserendo la password scelta durante la registrazione e premendo il tasto Renew Credentials Una volta eseguito questo passaggio consigliabile uscire dal proprio account e rientrare perch le modifiche siano effettive Le impostazioni sul proxy vanno riaggiornate ogni qualvolta il timer sta per azzerarsi il contatore che segnala il conto alla rovescia visibile in Figura D 24 262 Hi Nome Timeleft for Vo gridit 1192 56 Setted role gridit ansys Insert the password set during the registration Roles for gridit gridivansys v Password Renew Credentials Figura D 24 impostazioni personali e dettagli proxy nome Insertthe password set during the registration Your VO is gridit Roles for gridit Igridit ansys Password Renew Credentia
119. U 6 ALLSEL BELOW VOLU CYLIND 0 rb 0 5 0 5 0 360 VSBA 6 ALL DELETE DELETE VDELE 9 1 FINISH MESHING PROCESS PREP7 TYPE 1 MSHAPE 1 3D MSHKEY 0 collimator disk ESIZE 0 008 300 MAT 29 VSEL S VOLU 30 ALLSEL BELOW VOLU VSWEEP 30 ESIZE 0 004 300 MAT 29 VSEL S VOLU 31 ALLSEL BELOW VOLU VSWEEP 31 DISK 9 DISK 10 lexits normally from a processor lenters the model creation preprocessor sets the element type attribute pointer 1 mesh with tetrahedral shaped elements when Dimension 3 D meshing define element lenght and number of elements define material mesh selected volume internal DISCS ESIZE 0 004 300 MAT 29 VSEL S VOLU 29 ALLSEL BELOW VOLU VMESH 29 321 VSEL S VOLU 12 ALLSEL BELOW VOLU VMESH 12 VSEL S VOLU 13 ALLSEL BELOW VOLU VMESH 13 VSEL S VOLU 14 ALLSEL BELOW VOLU VMESH 14 VSEL S VOLU 15 ALLSEL BELOW VOLU VMESH 15 VSEL S VOLU 16 ALLSEL BELOW VOLU VMESH 16 VSEL S VOLU 17 ALLSEL BELOW VOLU VMESH 17 VSEL S VOLU 18 ALLSEL BELOW VOLU VMESH 18 VSEL S VOLU 19 ALLSEL BELOW VOLU VMESH 19 VSEL S VOLU 11 ALLSEL BELOW VOLU VMESH 11 ESIZE 0 006 300 VSEL S VOLU 32 ALLSEL BELOW VOLU 322 external DISCS VMESH 32 VSEL S VOLU 33 ALLSEL BELOW VOLU VMESH 33 VSEL S VOLU 34 ALLSEL BELOW VOLU VMESH 34 VSEL S VOLU 35 ALLSEL BELOW
120. UNIVERSIT DEGLI STUDI DI PADOVA FACOLT DI INGEGNERIA Dipartimento di Ingegneria Industriale Corso di Laurea Magistrale in Ingegneria Meccanica TESI DI LAUREA PROGETTAZIONE ED INGEGNERIZZAZIONE DEL FRONT END PROTONICO DEL PROGETTO SPES Relatore Dott Ing Giovanni Meneghetti Correlatori Alberto Andrighetto Ing Alberto Monetti Laureando Enrico Boratto ANNO ACCADEMICO 2014 2015 Alla mia famiglia INDICE Sommario Il progetto SPES ai Laboratori Nazionali di Legnaro produzione ed utilizzo di fasci di ioni esotici 1 1 Introduzione 1 2 Il progetto SPES 1 2 1 L acceleratore primario 1 2 2 La zona di produzione 1 2 3 Separatori elettromagnetici e post accelerazione 1 3 Applicazione dei fasci di ioni esotici 1 3 1 Applicazioni in fisica nucleare 1 3 2 Applicazioni in fisica dello stato solido 1 3 3 Applicazioni mediche la Tomografia ad Emissione Positronica 1 3 4 Applicazioni in astrofisica 1 4 Conclusioni Bibliografia al Capitolo 1 Progettazione e verifica termo strutturale del collimatore 2 Introduzione 2 2 Descrizione del collimatore 2 3 Definizione delle condizioni di progetto iniziali 2 4 Definizione dei dischi collimatori 2 5 Misura delle caratteristiche del fascio 2 6 Analisi termica preliminare 2 7 Progettazione dettagliata 2 7 1 Sistema di raffreddamento 2 8 Analisi termica 2 9 Analisi strutturale 10 12 13 24 26 27 29 31 34 35 36 37 37 37 38 39 43
121. a Dalle temperature riscontrate si evince come i componenti di supporto siano termicamente verificati poich le temperature massime non superano le rispettive temperature limite Per quanto riguarda il filo rotante invece si nota una temperatura molto elevata in corrispondenza della porzione intercettata dal fascio protonico Tuttavia tale analisi non tiene conto del movimento rotatorio prodotto dal filo Infatti la potenza termica assegnata nella porzione considerata agisce in un tempo di 3000 secondi volendo raggiungere una condizione di regime e non conoscendo a priori l inerzia termica del sistema Nella realt invece il filo compie movimenti angolari ed intercetta trasversalmente il fascio in un tempo molto ridotto che dipende della velocit di rotazione dello stesso Tale velocit rappresenta un parametro fondamentale nella progettazione del dispositivo e verr opportunamente discussa nel prossimo paragrafo 156 5 5 Valutazione della velocit di rotazione del filo La velocit di rotazione del filo rotante risulta essere un parametro di fondamentale importanza poich influisce in maniera significativa sul funzionamento dell intero sistema La valutazione di un valore ottimale variabile a seconda delle specifiche condizioni operative deve tener conto dei seguenti aspetti Surriscaldamento durante il funzionamento 11 filo rotante intercetta il fascio protonico surriscaldandosi la velcit
122. a movimento apparente di materia La trasmissione del calore per irraggiamento avviene invece per propagazione di onde elettromagnetiche nello stesso modo della propagazione della luce si ha trasmissione per irraggiamento nel vuoto o attraverso sostanze almeno parzialmente trasparenti Nei prossimi paragrafi dopo aver definito la modalit di trasmissione di calore per irraggiamento giacch questa risulta essere la parte dominante nello scambio termico dei casi esaminati verr analizzata l influenza dell emissivit globale sulle temperature dei corpi coinvolti nel flusso radiattivo nonch verranno descritti in generale gli accorgimenti necessari per poter aumentare l efficienza termica 201 A 2 Irraggiamento Ogni corpo che si trova ad una temperatura superiore allo zero assoluto emette radiazioni elettromagnetiche Questo fenomeno detto irraggiamento dipende da due fattori principali e temperatura alla quale il corpo si trova e il materiale di cui il corpo costituito In generale pi alta la temperatura maggiore la potenza che il corpo emette verso l esterno L irraggiamento consente la trasmissione di energia da un corpo ad un altro attraverso onde elettromagnetiche queste viaggiano alla velocit della luce e non richiedono alcun mezzo per propagare L irraggiamento termico interessa una banda ristretta dello spettro delle onde elettromagnetiche e la trasmissione del calore ad esso associata dipende
123. a fidanzata Daniela perch non mi ha mai fatto mancare il suo appoggio anche nei momenti pi difficili Ringrazio la mia band che mi permette di suonare divertendomi infatti grazie a questa che riesco a dare continuit a una delle mie pi grandi passioni la musica Ringrazio il coro di Anna Morosina perch una comunit cos piccola mi ha fatto riscoprire i valori delle tradizioni e la forza d animo che pu scaturire da un gruppo cos autentico Ringrazio gli amici vecchi e nuovi per le risate le discussioni i consigli e tutte le esperienze trascorse assieme Il pi grande Grazie va alla mia famiglia a cui dedicata questa tesi per l umilt l essenzialit dei valori trasmessi e l ottimismo che continuano essere da esempio Vi ringrazio per la pazienza e la fiducia incrollabile che avete avuto nei miei confronti in tutto questo tempo Grazie perch senza di voi tutto questo non sarebbe potuto avvenire Enrico Boratto 349 350
124. a fisica nucleare esplora i confini della natura per produrre materia mai osservata prima in laboratorio le ricerche di base e le complesse tecnologie appositamente create hanno spesso portato alla nascita di un gran numero di applicazioni nel campo della medicina dell industria e della fisica applicata arrivando in molti casi ad influenzare usi e costumi della societ basti pensare alla nascita del Web presso i laboratori del CERN Nel corso degli anni l Europa ha assunto la leadership nel campo della ricerca nucleare e sta pianificando la costruzione di una nuova generazione di facility per la produzione di fasci radioattivi con lo scopo di esplorare la materia esotica e di fornire un valido strumento per applicazioni di tipo medico ed industriale All interno del programma partecipa attivamente con il progetto SPES Selective Production of Exotic Species anche l Istituto Nazionale di Fisica Nucleare INFN di Legnaro tale progetto prevede la costruzione di una facility per la produzione di fasci di ioni radioattivi ricchi di neutroni neutron rich e di alta qualit nel range di massa compreso tra 80 160 uma La produzione di fasci di ioni radioattivi richiede l impiego di tecnologie estremamente complesse ed innovative come sar descritto dettagliatamente in seguito il progetto SPES prevede il bombardamento di un bersaglio target in carburo di uranio con un fascio primario in modo da generare tramite una reazione
125. a free space ambient temperature for radiation using the Radiosity Ispecifies Gauss Seidel Radiosity Solver options specifies options for Hemicube view factor calculation specifies Stefan Boltzmann radiation constant W m 2 K 4 specifies the temperature offset from absolute zero to zero C 311 VSEL ALL VSEL R MAT AI203_ XX ALLSEL BELOW VOLU SFA ALL RDSF A1203_XX 1 ALLSEL ALL VSEL ALL VSEL R MAT C ATJ ALLSEL BELOW VOLU SFA ALL RDSF C ATJ I ALLSEL ALL VSEL ALL VSEL R MAT A15083 ALLSEL BELOW VOLU SFA ALL RDSF 0 3 1 ALLSEL ALL VSEL ALL VSEL R MAT SS316 ALLSEL BELOW VOLU SFA ALL RDSF SS316 1 ALLSEL ALL VSEL ALL VSEL R MAT Mo ALLSEL BELOW VOLU SFA ALL RDSF Mo ALLSEL ALL VSEL ALL VSEL R MAT Cu ALLSEL BELOW VOLU SFA ALL RDSF Cu l ALLSEL ALL ALLSEL ALL VSEL ALL GET nvolu VOLU 0 COUNT 312 nn 0 DO i 1 nvolu nn vlnext nn VSEL ALL VSEL U VOLU nn ALLSEL BELOW VOLU VSEL S VOLU nn ASLV R SFADELE ALL RDSF ALLSEL ALL ENDDO VSEL ALL ALLSEL BELOW VOLU ASEL INVE ADELE ALL 1 LSEL INVE LDELE ALL 1 KSEL INVE KDELE ALL FINISH ICURRENT PREP7 DIM CURRENT TABLE 24 1 1 TIME SET CURRENT 1 0 0 SET CURRENT 1 1 50 SET CURRENT 2 0 1500 SET CURRENT 2 1 50 SET CURRENT 3 0 1501 SET CURRENT 3 1 100 SET CURRENT 4 0 3000 SET CURRENT 4 1 100 SET CURRENT 5 0 3001 SET CURRENT 5 1 150 SET CURRENT 6 0 4500 SET CURRENT 6 1 150 SET CURRENT 7
126. abella 2 6 tensioni ammissibili calcolate per i diversi materiali impiegati stato quindi realizzato un programma APDL che riassume 1 comandi per l esecuzione dell analisi strutturale mediante il codice di calcolo ANSYS Quindi una volta ultimate le analisi termiche precedentemente descritte ed assegnate le caratteristiche meccaniche ai diversi materiali impiegati noti i campi di temperatura che derivano da queste possibile valutare le tensioni e le deformazioni indotte dai gradienti termici nascenti Inanzitutto si dispone gi di un modello discretizzato con elementi termici quindi risulta relativamente semplice e necessaria ai fini del calcolo strutturale la conversione degli elementi termici in elementi strutturali in particolare nel caso in esame gli elementi SOLID90 vengono convertiti in elementi SOLID186 quest ultimo elemento costituito da 20 nodi ognuno con 3 gradi di libert che rappresentano le 3 traslazioni x y z rispetto a un sistema di riferimento principale Dunque per tale tipologia di elemento le temperature che risultano dalle analisi termiche precedenti vengono ora assegnate come condizioni al contorno iniziali nell analisi strutturale Inoltre di fondamentale importanza vincolare in modo isostatico il modello evitando la nascita di moti rigidi e gradi di labilit al riguardo vengono vincolati la camera esterna con opportuni appoggi e i singoli dischi collimatori in corrispondenza delle superfici di appoggio
127. able attributes e trascinarlo in quello di destra Attributes I want to 3 use 258 Modify gridit Role Help Drag and drop roles form green zone info yellow zone and order by your preferences For erasing a role trom your list drag and drop the role from yellow zone into red zone 9 My available attributes y Attributes want to use f 1 dgridilansys 42 Ignantransys Drag and Drop to ADD Save List Back Figura D 17 scelta del gruppo Uscire dalla procedura premendo il tasto Registration Terminated Per Lanciare le simulazioni necessario spedire una mail all indirizzo igi portal admin lists italiangrid it richiedendo l iscrizione al gruppo Ansys Si consiglia di specificare il ruolo di tesista magistrale presso i Laboratori Nazionali di Legnaro Dopo aver atteso qualche tempo sar possibile accedere al portale Attps portal italiangrid it eruop ansysl utilizzando le credenziali inserite nella procedura di registrazione IQP nS Hi Nome your active VO MEVIOR Figura D 18 Accesso al gruppo Ansys 0 5 Tutorial per il lancio di una simulazione Dopo essersi collegati al sito Attps portal italiangrid it eruop ansys1 ed aver effettuato il Login prima di eseguire qualsiasi operazione sul portale necessario aggiornare il proxy inserendo la propria password Dalla schermata iniziale riportata in Figura D 19 possibile sottomettere un Job E necessario possede
128. aggio delle pressioni registrate 241 Infine l unit di controllo collegata a sua volta ad un computer adibito alla raccolta dati Inoltre in secondo momento stata predisposta una ventola per smaltire il calore prodotto dalla pompa turbomolecolare e allestite delle fasce termiche alimentate a corrente per poter abbattere l umidit dell aria contenuta nel circuito e favorire il distacco delle particelle a ridosso delle superfici interne per gli stessi motivi viene utilizzata una pistola termica per riscaldare ulteriormente il volume del tripletto localmente favorendo cos livelli pi soddisfacenti di vuoto raggiunto Figura B 8 vista del sistema assemblato 242 APPENDICE Determinazione delle dimensioni teoriche per gli alloggiamenti degli anelli di tenuta O Ring realizzati in indio C 1 Introduzione Nella Figura C 1 seguente raffigurata una schematizzazione semplificata di come un anello di tenuta o Ring possa essere alloggiato in una cava opportunamente sagomata al fine di garantire una tenuta stagna nell accoppiamento tra due parti meccaniche Figura C 1 schematizzazione dell O ring e della relativa cava di alloggiamento Considerando un anello di tenuta realizzato in indio la letteratura al riguardo fornisce regole tecniche circa la realizzazione dei relativi alloggiamenti che tuttavia rimangono raccomandazioni indicative basate sull esperienza e considerate come regole di buona pr
129. ai vincoli di carattere geometrico sorti durante la progettazione dettagliata del Front End protonico Figura 6 20 vista del sistema multi collimatore nella versione modificata Come possibile notare nella Figura 6 20 in corrispondenza della flange raffreddate sono state inserite delle viti prigioniere Si ritenuto opportuno il loro utilizzo rispetto alle viti passanti poich oltre che facilitare l installazione del dispositivo nel Front End protonico permettono di ridurre l ingombro assiale della camera infatti adottando tale soluzione l estensione assiale risulta ridotta di 20 mm passando da 240 mm 220 mm nella nuova versione Inoltre dopo aver eseguito le tavole progettuali dei singoli elementi in vista della loro realizzazione si ritenuto opportuno dare priorit alla realizzazione del quarto disco collimatore per poter verificare l assemblaggio dello stesso In particolare sono stati realizzati 1 4 petali che compongono il quarto disco collimatore mediante lavorazioni di elettroerosione partendo da un blocco grezzo di grafite quindi sono state realizzate le viti di tantalio opportunamente sagomate necessarie per il fissaggio del disco all interno della camera ed eseguite le sedi necessarie per l inserimento degli isolatori di allumina 189 Nella Figura 6 21 seguente rappresentata la soluzione del quarto disco collimatore fissato provvisoriamente all interno di un profilo tubolare nella prima ve
130. al cattivo contatto elettrico che si instaurava nelle interfacce di collegamento in particolare nelle superfici curve del petalo con le lamine di tantalio e nei collegamenti filettati delle viti che inevitabilmente hanno innalzato la resistenza elettrica complessiva Figura 3 27 101 Figura 3 27 vista dei contatti elettrici nella lamina superiore prima del test Per questo motivo i suddetti componenti in corrispondenza delle interfacce di collegamento si sono surriscaldati in maniera significativa al passaggio della corrente diminuisce la sezione di passaggio al flusso di corrente ed aumenta la resistenza elettrica assieme alla potenza termica prodotta per effetto Joule fintantoch non si raggiuto il collasso del materiale In questo caso il cattivo contatto generato tra il petalo e le lamine ha fatto si che la resistenza elettrica sia stata tale da innalzare localmente il grado di surriscaldamento dei componenti portandoli anche oltre il punto di fusione del rispettivo materiale Tale ipotesi oltremodo rafforzata dai risultati delle analisi FEM Figura 3 28 la rottura della placca superiore infatti si verificata in prossimit dei punti critici riscontrati in termini di temperatura laddove si registravano i valori massimi quindi si denota una certa corrispondenza delle analisi FEM con quanto accaduto AN NODAL SOLUTION 9 2014 5 1 10 51 27 SUB 600 TIME 18000 TEMP AVG RSYS 0 SMN 822 383
131. ale strisciamento gli isotopi cedono un elettrone e vengono quindi ionizzati positivamente ioni 1 Questo possibile se la minima energia necessaria per rimuovere un elettrone da una superficie funzione di lavoro e maggiore del potenziale di ionizzazione dell isotopo Nel caso in esame si riescono a produrre con elevata efficienza ioni positivi per elementi con potenziale di ionizzazione inferiore alla funzione di lavoro del renio pari a circa 5 eV L elevata temperatura a cui si trova la sorgente permette di avere un processo di ionizzazione efficiente si favorisce infatti il moto Browniano e si incrementano i contatti isotoposuperficie Lo svantaggio principale di tale metodo sta nel fatto che la ionizzazione non selettiva cioe non vengono ionizzati soltanto gli isotopi della specie desiderata Si devono quindi predisporre dei separatori elettromagnetici in grado di selezionare in base alla massa le particelle presenti nel fascio In ogni caso la purezza del fascio non garantita vi sono infatti isotopi di diversa specie tra loro isobari aventi cioe lo stesso numero di massa atomica A ma un diverso numero atomico Z ad esempio il 2 e lo 52Sn Per separare tali elementi sono necessari dei separatori isobari tali dispositivi oltre ad essere molto complicati e costosi sono anche poco affidabili inoltre riducono notevolmente l intensita del fascio Resonant Ionization Laser Ion Source Il metodo RILIS il cui princ
132. ali riguarda la raccolta dei valori di intensit di corrente misurati durante il processo di scansione del fascio protonico La difficolt di realizzare un sistema in grado di assolvere alla funzione richiesta sta nel far circolare la corrente rilevata di bassa intensit all interno di un circuito elettrico opportunamente definito all interno della camera 165 La realizzazione di tale circuito richiede di dover isolare elettricamente la sonda dal resto del sistema dato che tutti 1 componenti adottati sono buoni conduttori elettrici oltre che prevedere un contatto elettrico strisciante per garantire istante per istante il contatto elettrico della sonda rotante con un terminale fisso Nella Figura 5 24 seguente rappresentata la soluzione sviluppata per il sistema di acquisizione dei segnali Il sistema costituito da un braccio di sostegno realizzato in acciaio AISI 316 elettricamente isolato rispetto alla flangia di collegamento mediante l utilizzo di opportuni isolatori in allumina A 203 Tale sostegno realizza il collegamento elettrico tra l albero rotante e il terminale fisso situato nella flangia di collegamento inoltre la geometria sviluppata conferisce una maggior rigidit flessionale all intero sistema contribuendo a ridurre i fenomeni vibratori nascenti durante il funzionamento Il terminale elettrico lo stesso utilizzato nello sviluppo del sistema collimatore e le caratteristiche di tale componente sono consultabil
133. all asse x Quando il filo copre un angolo di 80 rispetto ad una posizione di riferimento l ellisse situata ancora nello stesso piano zy iniziale e durante la rotazione il filo esegue la scansione completa del fascio intercettandolo in diverse configurazioni angolari intermedie Se r il raggio dell elicode che rappresenta il filo possibile descrivere la dipendenza dello spostamento locale prodotto dal filo nelle coordinate x e y in funzione dell angolo azimutale mediante le seguenti formule 5 1 1 1 2 5 e signum senze 1 1 y rv2 sin signum cos30 5 1 148 Inoltre un potenziometro resistivo solidale all asse del sistema rotante si rende necessario per poter conoscere la posizione effettiva del filo istante per istante mentre l oscillogramma si appresta a visualizzare la distribuzione della densit di corrente caratteristica del fascio Il dispositivo appena descritto stato adottato e sviluppato con successo nel laboratorio di Heidelberg in questo esemplare il filo ruota ad una velocit di rotazione pari a 5 RPM mentre la corrente misurata viene amplificata con un picoamperometro quindi inviata ad un oscilloscopio In seguito sono rappresentate altre soluzioni adottate per il Beam Profiler nella versione a filo rotante che si sono evolute nel tempo e che sono state sviluppate in diversi laboratori Figura 5 6 e Figura 5 7 INSULATING TUNGSTEN COUPLING WIRE POT
134. arsi tramite l account dell Universit oppure tramite INFN nel qual caso cliccare X 509 Certificate e poi ok sulla schermata di identificazione utente 299 AUTENTICAZIONE CENTRALIZZATA SINGLE SIGN Username a Im unipd it studenti unipd it Password Figura D 10 login tramite UNIPD ts lt INFN Identity Check X 039 Password teow to obtein an account for AAT KerbenonS 6S5 APT 6 Change or Reset Retrews litercurme x DO NOT BOOKMARK THIS PAGE After login you wil be redirected to conda 95007241 Technica ari Questione to awi support iets infn it Tres amp ssorrad suttranticator Oy Usi Masel based on 2 SAM empiesaMi gra by Faca Figura D 11 login tramite INFN Compilare la schermata successiva con i dati utente e procedere con Continue Nella schermata successiva immettere il certificato personale scaricato con la chiave di sicurezza scelta Registration 1 User Data 2 Certificate Upload 3 Virtual Organization 4 Choose a password Please upload your certificate p12 or pfx format and insert the password used to encrypt it Import certificate chiave_grid p12 Certificate Upload Help Import certificate password Back Abort Registration Continue Figura D 12 inserimento del certificato Viene quindi richiesta una nuova password
135. ata all uscita della camera di diagnostica in prossimit dell isolatore terminale Figura 6 27 Figura 6 27 rappresentazione del Front End protonico assemblato L estensione assiale del sistema assemblato risulta pari a 074 66 mm mentre lo spazio massimo disponibile pari a 2099 50 mm Dunque in riferimento all ingombro prodotto la soluzione sviluppata risulta verificata e nel contempo garantisce un margine operativo di 1024 84 mm in direzione assiale 194 Nella Figura 6 28 seguente rappresentato il Front End protonico ultimato accoppiato correttamente nel canale protonico E m MEE oS RR a Figura 6 28 vista del canale protonico e del canale radioattivo 6 8 Conclusioni In questo capitolo sono state riassunte le fasi di modellazioni eseguite per lo sviluppo del Front End protonico analizzando e risolvendo le problematiche principali riscontrate nel corso della progettazione dettagliata fino ad ottenere un sistema non troppo distante dal design che assumer nella sua forma finale In particolare e Dopo aver definito un telaio di supporto sono stati accoppiati i dispositivi precedentemente definiti verificando che gli ingombri richiesti dagli stessi non compromettano l assemblaggio dell intero sistema e statariprogettata la camera di diagnostica dove sono accoppiati il Beam Profiler e la Faraday Cup quindi un analisi termica si ritenuta necessaria
136. azione delle criticit esistenti e dei parametri funzionali Capitolo 6 In questo capitolo si propone la modellazione del Front End protonico comprensivo di tutti 1 dispositivi sviluppati e descritti nei capitoli precedenti La progettazione viene fatta con riguardo alle problematiche legate agli ingombri e ai vincoli di carattere geometrico riscontrati nelle operazioni di assemblaggio Inoltre viene definita la camera di diagnostica che vede la presenza contemporanea della Farday Cup e del Beam Profiler quindi vengono condotte ulteriori analisi impiegando il metodo degli Elementi Finiti per la valutazione del comportamento termico complessivo La modellazione dell intero apparato viene eseguita con l applicativo PTC Creo CAPITOLO 1 Il progetto SPES ai Laboratori Nazionali di Legnaro produzione ed utilizzo di fasci di ioni esotici 1 1 Introduzione L atomo la struttura elementare nel quale normalmente organizzata la materia in esso la maggior parte della massa pi del 99 9 rappresentata dal nucleo il quale ne occupa la parte centrale e determina attraverso la sua carica elettrica la natura chimica dell elemento Figura 1 1 Protoni Elettroni Figura 1 1 Schematizzazione dell atomo I nuclei a loro volta sono entit composite costituite da protoni particelle a carica positiva e neutroni particelle elettricamente neutre chiamati entrambi nucleoni ed aventi massa circa 1800 volt
137. bile raccogliere una serie di dati fondamentali per convalidare i valori ottenuti nel test precedente e per condurre una serie di opportune considerazioni riassunte nel paragrafo conclusivo Dal valori dei potenziali elettrici ottenuti nei diversi casi stato possibile calcolare la potenza elettrica secondo la relazione 3 1 per poter essere confrontate Figura 3 33 P W 2500 2000 1500 1000 effi 500 2 P FEM 0 0 600 700 I A Figura 3 33 confronto delle potenze elettriche calcolate Si osserva come a causa della non idealit dei contatti elettrici la potenza elettrica richiesta a parit di corrente sia risultata superiore nei test sperimentali rispetto a quella teorica ipotizzata 106 Inoltre sulla base dei dati ottenuti stato possibile calcolare le resistenze elettriche dell apparato sperimentale Ri e quella relativa del singolo petalo R2 secondo la relazione 3 2 che risultano rispettivamente Ri 0 0009 0 R2 0 0080 Q Figura 3 34 schema resistivo dell intero apparato sperimentale La resistenza Ri calcolata caratteristica dei cavi di collegamento e della camera e risulta indipendente dalla temperatura mentre la resistenza R2 si mantiene sempre superiore rispetto al valore teorico pervenuto dalle analisi FEM 0 0015 2 si osserva inoltre come R2 aumenti al crescere della temperatura poich variano le caratteristiche di resistivit al
138. c calls the macro for Graphite N 29 15083 USE M23AI5083_X mac calls the macro for Alluminium alloy N 23 M27W USE M27W mac calls the macro for Wolframio N 27 M28Cu USE M28Cu mac calls the macro for Copper N 28 AI203 USE M31AI203 XX mac calls the macro for Alluminum N 31 SS316 USE M50SS316 mac calls the macro for Stainless Steel N 50 Mo USE M30Mo mac calls the macro for Molibdenum N 30 331 FINISH DEFINE ELEMENT TYPE PREP7 ET 1 SOLID90 FINISH GEOMETRY IMPORT AUXIS IOPTN IGES NODEFEAT IOPTN MERGE YES IOPTN SOLID YES IOPTN SMALL YES IOPTN GTOLER DEFA IGESIN isolatore igs IGESIN plate igs IGESIN prt0002 igs IGESIN prt0003 igs IGESIN rod igs IGESIN rotary drive igs IGESIN wire igs IGESIN wire_b igs FINISH SCALING AND GLUE PROCESS PREP7 ALLSEL ALL VLSCALE ALL 0 001 0 001 0 001 0 1 ALLSEL ALL VGLUE ALL NUMCMP VOLU NUMCMP AREA NUMCMP LINE NUMCMP KP FINISH MESHING PROCESS PREP7 TYPE I MSHAPE 1 3D 332 lexits normally from a processor lenters the model creation preprocessor defines a local element type lexits normally from a processor lenters the IGES file transfer processor set option for IGES import Itransfers IGES data from a file into ANSYS lexits normally from a processor lenters the model creation preprocessor geometry model scaling Iscaling geometry from mm to m
139. che chiude il circuito elettrico Il forno funziona in modalit manuale mentre la gestione del processo avviene attraverso la gestione di un software dedicato La macchina dotata inoltre di opportuni mezzi di sicurezza che nel caso di mal funzionamento interrompono l alimentazione di potenza MANOMETRO TELAIO DI SUPPORTO SISTEMA DI POMPAGGIO Figura 3 1 schematizzaione del forno I componenti principali del forno sono e Telaio di supporto e Camera con all interno un sistema di riscaldamento ohmico resistivo e Generatore di potenza e Sistema da vuoto gruppo di pompaggio e Pirometro ottico 80 Telaio di supporto Esso costituito da una struttura in profilati di alluminio e funge da supporto alla camera e alla strumentazione necessaria per il funzionamento la gestione e il controllo della macchina Camera Essa costituita da una piastra principale e da un contenitore cilindrico che vengono accoppiati mediante la spinta esercitata dal grado di vuoto presente nel loro interno La camera e la piastra sono dotate di canalizzazioni interne queste ultime sono percorse da acqua che serve per il raffreddamento della camera e della piastra durante il funzionamento del sistema All interno della camera fissata alla piastra vi il sistema di riscaldamento costituito da tre puntali realizzati in rame e sottoposti ad argentatura superficiale alle cui estremit viene fissato l elemento che funge da resist
140. cio MeV e range delle intensit che deve essere coperto potenza del fascio kW e tempo struttura che deve essere monitorato e rispettato per fasci pulsanti La struttura e la progettazione della Faraday Cup pu essere molto complicata quando necessario fare misure di impulsi corti o di fasci ad alta energia che potrebbero non essere completamente fermati nello spessore del rivelatore Inoltre si complica ulteriormente se si prendono in considerazione i seguenti effetti secondari inevitabilmente presenti che possono compromettere la misurazione e Emissione di elettroni secondari di altre particelle cariche e Generazione di elettroni o ioni dalla ionizzazione dei gas residui e Correnti parassite dovute al deterioramento del materiale isolante per sputtering o per le alte temperature e Formazioni galvaniche dovute all impiego di diversi materiali nelle Faraday Cup raffreddate e Correnti parassite derivanti dalla conduttanza dell acqua di raffreddamento e Riscaldamento per fasci ad alto potenziale Il fenomeno di disturbo di maggior influenza l emissione di elettroni secondari Infatti possibile che quando gli ioni colpiscono la coppa dallo strato superficiale vengono strappati via degli elettroni sputtering per l elevata energia liberata nell impatto degli ioni dotati di elevata energia cinetica 115 Ai fini della misura ci si ritroverebbe quindi a leggere non solo la corrente dovuta agli elet
141. cleare ha permesso di confermare precedenti ipotesi di fondamentale importanza ed ha infine suggerito promettenti applicazioni in fisica dello stato solido ed in medicina Per l utilizzo pratico e la produzione di ioni radioattivi di questo tipo necessaria la costruzione di sistemi acceleratori ed attrezzature facilities capaci di garantire fasci ionici radioattivi RIB Radioactive Ion Beams di elevata purezza intensit ed energia sono numerose le facilities per la produzione di fasci radioattivi operanti sia in Europa che in altre parti del mondo la maggior parte di queste sono basate sul metodo ISOL La tecnica ISOL Isotope Separation On Line schematizzata in Figura 1 3 utilizza la separazione degli isotopi in linea i principali costituenti di tale tipologia di facility sono e acceleratore primario e Il complesso target sistema di estrazione e ionizzazione e I separatori di massa ed isobari e Il post acceleratore ISOL Facility ACCELERATORE PRIMARIO SORGENTE DI Vai D IONIZZAZIONE FRONTEND b OTTICHE DI FASCIO T E SEPARATORI ELETTROMAGNETICI ji POST ACCELERATORE ESPERIMENTI Figura 1 3 Schema di una facility di tipo ISOL per la produzione di fasci di ioni esotici Un fascio di particelle della voluta energia proveniente dall acceleratore primario viene fatto collidere con un bersaglio target di materiale fissile il risultato la produzione degl
142. collimatore e il fascio protonico collimato dal quarto disco collimatore con un diametro Db 32 mm non risulta perfettamente circolare poich come gi stato descritto nel capitolo precedente una frazione di fascio non viene intercettata dall ultimo disco collimatore Per questa ragione si pensato ad un ulteriore disco collimatore in grafite interposto coassialmente tra il collimatore e la Faraday Cup in grado di collimare lo spot all ingresso correggendo eventuali divergenze di fascio e recuperando la frazione non intercettata dall ultimo disco circa 7 In questo modo il fascio perfettamente circolare giunge all interno della camera per poi intercettare ortogonalmente il corpo in grafite della farday cup Figura 4 11 Al fine di inibire la fuga degli elettroni secondari e favorire la corretta lettura della corrente misurata stato concepito in principio un sistema di soppressione realizzato con un disco fisso in tantalio interposto coassialmente tra il disco collimatore e la faraday cup mobile In un secondo momento si pensato di rimuovere tale disco in tantalio poich il solo disco collimatore pu fungere da soppressore ed assolvere alle funzionalit richieste 131 Suppressor disc Figura 4 11 particolare del disco collimatore e del disco soppressore A questo punto stata eseguita una verifica termica del sistema concepito sulla base di un modello semplificato mediante
143. condizioni di vuoto ricercate Complessivamente sono previsti 7 connettori di cui 4 sfalsati diametralmente di 90 sono dedicati alle misurazione di corrente nei 4 petali che compongono il quarto disco Smoothing Figura 2 16 particolare del connettore elettrico Per garantire la massima precisione di allineamento del sistema con l asse del canale protonico viene utilizzato un sistema di centraggio laser costituito da una sorgente snodabile e da opportune sfere di riferimento solidali al sistema da calibrare Quindi nella camera devono essere fissate opportune bussole di sostegno nel quale vengono accoppiate tali sfere in vista del loro fissaggio nella superficie della camera dunque sono realizzate ulteriori spianature piane Figura 2 17 59 Figura 2 17 particolare della bussola di sostegno Infine opportune flange terminali si rendono necessarie per l installazione dell intero sistema nel canale protonico in primo luogo in vista delle successive analisi sono state adottate flange di accoppiamento realizzate in lega di alluminio A 6082 L ingombro complessivo del dispositivo dunque risulta essere di 240 mm contro i 260 mm del collimatore concepito nella versione precedente Si evince dunque come questa soluzione preliminare rappresentata in Figura 2 18 rispetti 1 requisiti prefissati in termini di compattezza accessibilit e realizzazione tecnologica Figura 2 18 sezione del sistema multi collimatore ass
144. day Cup in una posizione fissa e l effetto del peso non produrrebbe alcun movimento verticale Nella Figura 6 9 seguente rappresentato il sistema di movimentazione accoppiato correttamente con la Faraday Cup quando si trova nella posizione di lavoro L asta di sollevamento come pure il blocco di sostegno del dispositivo di diagnostica realizzato in acciaio 4151 316 mentre la flangia di accoppiamento del sistema di azionamento realizzata in lega di alluminio A 6082 Figura 6 9 vista in sezione della camera di diagnostica 179 Il sistema di movimentazione sviluppato assicura un corretto funzionamento del dispositvo nelle fasi di azionamento Nel prossimo paragrafo verranno descritte le analisi termiche condotte nella camera di diagnostica appena definita al fine di valutare 1 livelli termici raggiunti nei singoli componenti e verificare il sistema di raffreddamento nella nuova configurazione 6 5 Analisi termica Una volta definita la nuova geometria della camera del sistema di diagnostica stato possibile eseguire delle analisi termiche per tenere conto dell effetto combinato prodotto dalla Faraday Cup e dal Beam Profiler al fine di verificare le temperature massime raggiunte nei singoli componenti in riferimento alle temperature limite di utilizzo dei rispettivi materiali Al riguardo stato sviluppato un modello semplificato costituito dalla camera raffreddata al quale sono accoppiati la Faraday cup il Beam P
145. dell intero sistema e Definizione della geometria la tipica forma elicoidale assunta dal filo si rende necessaria per poter disporre di una moltitudine di configurazioni angolari intercettate dal fascio tale geometria infatti fa si che la sezione del filo investita dallo spot varia al variare dell angolo di rotazione dello stesso in questo modo possibile acquisire un numero elevato di segnali durante il processo di scansione Inoltre la scelta del diametro del filo ha un ruolo fondamentale infatti da una parte l esigenza di fermare localmente il fascio porta ad avere degli spessori consistenti che oltremodo aumentano la rigidezza del filo d altra parte per all aumentare del diametro aumenta pure la sezione trasversale investita dal fascio dunque aumenta l esposizione assieme al livello termico raggiunto dallo stesso per queste ragioni la scelta ottimale del diametro del filo un risultato di compromesso che va cercato sulla base delle specifiche condizioni operative Dunque per quanto riguarda il materiale si scelto di realizzare il filo rotante in tungsteno gi riscontrato in applicazioni analoghe Tale materiale ha un valore di modulo elastico molto alto una buona resistenza al creep e le massime temperature di applicazione dell elemento puro vanno dai 900 C ai 2500 C Inoltre le lavorazioni a freddo conferiscono al tungsteno buona resistenza meccanica fortemente direzionata lungo la direzione di lavorazio
146. di rotazione minima prevista dev essere tale da non compromettere l integrit fisica del componente che pu surriscaldarsi in maniera eccessiva favorendo un fenomeno di infragilimento del materiale alle alte temperature o addirittura sublimare Dunque la velocit di rotazione dev essere sufficientemente elevata per limitare il tempo di permanenza dello stesso nella zona intercettata dal fascio Acquisizione dei segnali per non compromettere il processo di acquisizione dei valori misurati si rende necessaria una velocit di rotazione non troppo elevata in virt della massima frequenza di campionamento disponibile In questo senso la velocit massima e limitata dalla frequenza di campionamento del sistema di acquisizione Fenomeni vibratori il movimento rotatorio del filo determina la nascita di fenomeni vibratori inevitabili In particolare dal momento che l intero sistema assimilabile ad una trave inflessa vincolata ad un estremit il moto rotatorio unito all effetto del peso dei componenti determina la nascita di vibrazioni torsionali e flessionali durante l esercizio In questo senso la velocit di rotazione deve poter minimizzare tali fenomeni che rappresentano dei potenziali disturbi nel processo di acquisizione dei segnali Inoltre occorre limitare le discontinuit che si innescano nei transitori in prossimit dei punti morti di lavoro 0 e 1809 scegliendo un opportuno profilo di velocit questo cont
147. dilatazioni radiali termiche dei componenti che si avrebbero in assenza di vincolo e in corrispondenza all isolatore si riscontra una dilatazione complessiva di 0 3 7 mm Inoltre considerando il contributo della forza peso dei dischi in favore di sicurezza si considera una freccia totale teorica f pari a 0 336 mm Dunque il momento massimo Mmax misurato nella sezione in mezzeria dell elemento trave risulta 2 22 1 Mmax 2 22 Pertanto la tensione massima in modulo misurata 0 nax valutata come 2 23 Omax r 8 2 2 23 In condizioni di sicurezza la verifica strutturale della placchetta deve soddisfare la seguente diseguaglianza 2 24 Omax lt 2 24 Le propriet meccaniche del molibdeno come quelle degli altri metalli peggiorano all aumentare della temperatura in particolare la tensione di rottura alla temperatura di 1000 vale all incirca 300 MPa Con questo valore di riferimento considerando un fattore di sicurezza ys 1 5 la tensione amissibile pu essere stimata dalla relazione 2 18 300 Oadm 15 200 MPa 74 Dunque nel modello generato possibile definire i parametri dimensionali h b l della placchetta tali per cui la tensione massima Omay misurata in mezzeria non superi la tensione ammissibile Cadm Considerazioni Considerando per esempio una placchetta in molibdeno aventi dimensioni 10 x 0 3 x 18 mm b x h x L dal calcolo risulta una tensione
148. dio e ad una indagine accurata di tale fenomeno 1 3 2 Applicazioni in fisica dello stato solido La tecnica Radio Tracer Diffusion nata nel 1920 consiste nell impiantare all interno di un sistema solido dei nuclei radioattivi e di studiarne il decadimento rilevando le particelle o la radiazione gamma da essi emessa 29 Tale tecnica permette di captare segnali anche da pochissimi atomi e rappresenta uno dei metodi pi comuni per studiare i processi di diffusione atomica nei solidi 5 Il sistema ospitante pu essere drogato con i radioisotopi sonda per diffusione tramite reazione nucleare oppure per impianto ionico la scelta dell atomo radioattivo da utilizzare per un determinato esperimento viene fatta in base alla natura chimica e alle propriet nucleari di quest ultimo L uso della tecnica Radio Tracer Diffusion consente di e osservare tramite i prodotti di decadimento l interazione tra l atomo sonda e l intorno reticolare che lo circonda e ottenere informazioni riguardanti il campo elettrico e magnetico all interno del cristallo e studiare i processi diffusivi e le interazioni tra gli atomi sonda e indagare i tipi di difetti presenti nel cristallo Drogaggio dei semiconduttori Lo sviluppo di semiconduttori di piccole dimensioni aventi caratteristiche ottiche ed elettriche ottimali richiede un controllo completo dei difetti che governano tali propriet sia intrinseci come le vacanze interstiziali
149. e L area di produzione del fascio radioattivo si compone essenzialmente di due parti e Il Front End e La camera target 1 2 2 1 Il Front End Il Front End Figura 1 6 l insieme di pi elementi complementari tra loro e aventi ciascuno una specifica funzione che concorrono allo scopo di consentire la produzione e il trasporto dei fasci di ioni radioattivi Si compone essenzialmente di due parti il Front End protonico FEP impropriamente detto canale protonico il canale protonico in senso stretto corrisponde a tutto ci che compreso tra la sorgente di ioni il ciclotrone e il Front End responsabile del trasporto del fascio protonico il Front End radioattivo FER responsabile del trasporto del fascio radioattivo e caratterizzato dallo stesso vizio di denominazione chiarito in precedenza 13 Il Front End svolge le seguenti funzioni e Garantisce sostegno e stabilit al canale protonico alla camera target e agli apparati necessari al trasporto del fascio radioattivo e Realizza un grado di vuoto sufficientemente spinto per il corretto funzionamento di tutti gli organi al suo interno e a esso collegati e Consente un rapido aggancio della camera target e Provvede all apporto verso la camera target di energia elettrica per il riscaldamento del blocco target e di acqua per il raffreddamento della camera stessa Figura 1 6 Front End L alto livello di vuoto dell ordine di 0 mbar facilita il cammino d
150. e depends on individual geometry and application of each part 269 Diameter tolerances deflectional tolerances without grinding to DIN 40 680 issue 1983 Degree of accuracy Degree of accuracy coarse medium Nominal dimensional coarse medium Permissible range for length Permissible Permissible deviation in mm deflection deflection in mm fain mm fa in mm 04 gt 0 15 06 above 30 0 20 07 above 40 0 25 08 above 50 0 30 10 above 60 0 35 qe 70 gt 040 gt 1 2 above 80 045 15 above 90 0 50 zy AS above 100 0 55 20 above 110 065 20 above 125 0 70 20 above 140 0 80 25 above 155 0 85 7 229 above 170 gt 090 12 5 185 gt 1 00 30 above 200 1 25 35 above 250 1 50 40 above 300 1 75 45 above 350 gt 200 5 0 above 400 2 25 5 above 450 250 60 above 500 gt 3 00 4 75 5 600 gt 350 70 above 700 400 75 above 800 450 80 above 900 gt 500 19 0 1000 05 xL 100 Manufacturing method Degree of accuracy x i coarse medium 130 Cast and extruded for parts 140 0 30 mm and above 15 0 extruded for parts E es up to 30mm 175 190 200 DIN VDE 0335 Type 530 610 799 cast extruded 0 30mm and above extruded up to 30mm M Im Owing to a modern process control system we are able to achieve values on diamter length and bending which
151. e un elevata conducibilit termica a tutto vantaggio dello smaltimento della potenza termica prodotta Per consultare il listato dei comandi implementati e le caratteristiche dei materiali 51 rimanda all appendice Nell analisi termica si scelto di discretizzare il modello con l elemento volumetrico SOLID 90 tale elemento costituito da 20 nodi ognuno con un grado di libert la temperatura Figura 2 7 Tetrahedra Option M N O P U V W X Figura 2 7 geometria dell elemento SOLID90 Il modello stato discretizzato con elementi quadrangolari laddove stato possibile nei limiti consentiti dalla geometria assialsimmetrica del sistema Quindi stata generata una mesh con elementi aventi una dimensione caratteristica L 5 5 mm rappresentata in Figura 2 8 46 Figura 2 8 rappresentazione della mesh generata L 5 5mm I carichi termici sono stati definiti in modo da avere una temperatura costante nel telaio esterno cautelativa nei confronti dell alluminio 50 C sull intero volume in vista di un sistema di raffreddamento che sar sviluppato successivamente mentre per ogni disco stata impostata una generazione di potenza per unit di volume nelle parti intercettate dal fascio protonico in misura proporzionale alle percentuali AI definite nei paragrafi precedenti In particolare in ogni disco sar applicata una potenza termica Pi in un volume strutturale Vi calcolato come 2 5 TT Vi
152. e Stima della trasmissione attraverso un sistema di trasporto del fascio e Ottimizzazione e diagnostica dei parametri della sorgente di ioni e Determinazione dello stato di distribuzione della carica degli ioni e Separazione di isotopi e Osservazione e ottimizzazione del tempo struttura in caso di sorgente di ioni pulsanti per minimizzare le oscillazioni del plasma Il tempo struttura il tempo strettamente connesso all intervallo del treno di impulsi del fascio pulsante Di seguito si richiamano le propriet del fascio considerato gi citate nel secondo capitolo Energy 40 MeV u Power 8 kW Spot size 32mm Come si potuto osservare precedentemente con le caratteristiche del fascio considerato si possono stimare correnti dell ordine dei 0 2 mA Come nel collimatore anche nella Faraday Cup la misura dell intensit di corrente del fascio riveste una duplice importanza 114 e Calibratura E necessaria per capire se l impostazione della macchina setup stata fatta nel modo corretto e se i parametri della sorgente di ioni sono stati impostati correttamente e Misurazione E necessaria per una accurata valutazione del numero di particelle che transitano parametro fondamentale ai fini delle valutazioni statistiche sui dati del processo fisico che si vuole studiare Le grandezze che principalmente influenzano la progettazione del dispositivo di misura SONO e energia del fas
153. e di fascio di alcune Watt dotata di elettro soppressore in combinazione con magneti permanenti La tazza ha un rapporto R Lrc ragionevole Shielding aperture Ceramic insulation Rubber tube HV Suppressor Cooling pipe Cooling channels 9 Supporting flange Ceramic insulation EH Current feedthroughs Cooling water supply Figura 4 5 Faraday Cup raffreddata per alte potenze di fascio 120 4 5 Progettazione dettagliata della Faraday Cup La progettazione del dispositivo considerato presuppone come per il collimatore la definizione delle forme dei componenti e dei materiali impiegati in base alle funzionalit che dovranno assolvere Quindi stata eseguita una progettazione dettagliata di un nuovo modello che vede delle differenze radicali rispetto alla soluzione sviluppata precedentemente Figura 4 6 Figura 4 6 Faraday Cup nella soluzione sviluppata precedentemente Nella soluzione sviluppata in precedenza il corpo metallico della faraday cup interamente realizzato in rame ha una forma tipica a campana atta ad aumentare la superficie di impatto quindi permette di ridurre la potenza specifica per unit di superficie Per mitigare ulteriormente il disturbo prodotto da questi ultimi e nel contempo garantire una misura di corrente affidabile era stato previsto un sistema di soppressione realizzato da un anello metallico opportunamente isolato vincolato ad un potenziale negativo Inoltre d
154. e di seguito brevemente riassunto e Capitolo 1 Nella prima parte ci si sofferma nella descrizione della metodologia ISOL per la produzione di fasci di ioni radioattivi Successivamente si passa ad illustrare le principali caratteristiche del progetto SPES in fase di sviluppo presso i Laboratori Nazionali di Legnaro Infine vengono elencate le principali applicazioni dei fasci di ioni radioattivi nei campi di interesse della fisica nucleare dell astrofisica della scienza dei materiali e della medicina Capitolo 2 Nel presente capitolo si descrive il sistema multi collimatore e se ne introduce il principio di funzionamento In riferimento alle caratteristiche del fascio protonico di riferimento viene sviluppato un sistema capace di rispondere alle specifiche condizioni operative richieste Vengono riportate le fasi di modellazione del sistema eseguite nel corso della progettazione dettagliata con riguardo alle problematiche esistenti in particolare viene descritta la procedura di dimensionamento del sistema di raffreddamento che si vuole realizzare nella camera Quindi vengono effettuati alcuni studi impiegando il metodo degli Elementi Finiti per la valutazione del comportamento termico e strutturale del sistema al fine di evidenziare le criticit presenti Capitolo 3 Viene descritto il test sperimentale del petalo che costituisce il quarto disco del sistema multi collimatore condotto in un opportuno apparato sperimentale sviluppato
155. e il bloccaggio durante tutto il trattamento ma anche dalla considerazione che ogni punto non sia percorso da piu di 20A per evitare surriscaldamenti localizzati che modificano le condizioni operative Figura 8 Nella prassi industriale questi supporti sono costruiti nella parte strutturale con la stessa lega di Alluminio da anodizzare quando questo possibile adeguatamente protetta con vernici o film polimerici PVC PE mentre i contatti elettrici e la bulloneria di fissaggio sono in Titanio 223 Con questo sistema ad esempio possibile utilizzare gli stessi racks per circa 1000 cicli di trattamento condotti in acido solforico L uso di Titanio invece sconsigliato nei trattamenti con acido cromico Figura A 8 particolare della struttura di supporto adottata I supporti devono garantire anche un adeguato spazio tra i manufatti per consentire la corretta circolazione dell elettrolita Particolari problemi si verificano nel caso di forme lunghe e cave come profilati a contorno chiuso Infatti la disposizione del campo elettrico all interno della sezione del profilato tale da non favorire l ossidazione anodica interna Una regola operativa usata dagli anodizzatori di considerare come area da anodizzare grandezza legata alla corrente da mantenere in circolazione quella totale del manufatto addizionata di circa 1 3 dell area interna Tuttavia nel caso di forme cave a geometrie pi complesse n
156. e in calore Quando in un circuito elettrico si richiede che la percentuale di energia elettrica convertita in calore sia molto alta occorrer aumentare il pi possibile la resistenza In altri casi invece essenziale che venga dispersa meno energia possibile e bench non sia possibile eliminare completamente l effetto Joule si cerca di minimizzare il riscaldamento utilizzando materiali a bassa resistenza come l oro l argento il rame In questo caso l elevata resistivit elettrica della grafite rispetto agli altri elementi conduttori favorisce una maggior produzione di potenza termica a parit di corrente circolante mentre collegamenti di supporto si sceglie di realizzarli con materiali a bassa resistivit in modo da favorire il flusso di corrente ed evitare surriscaldamenti localizzati A questo punto ipotizzando che tutta la potenza elettrica sia convertita in potenza termica possibile utilizzare le espressioni predecedenti per stimare la corrente massima teorica che deve circolare nel petalo affinch si raggiunga la potenza termica voluta al riguardo si ricorda che l ultimo disco collimatore deve poter smaltire una potenza complessiva di kW dunque ad ogni petalo sar associata una potenza di 250 W Nota la geometria dell elemento in grafite sulla base di un modello semplificato si calcola dapprima una sezione di riferimento per il flusso di corrente che si instaura Figura 3 7 Lmax 66 46 ie
157. e interrotta e ripresa andando sul sito Attps portal italgrid it _e cliccando sulla voce Sign In Arrivati al secondo step di questa procedura cio il caricamento del certificato arriver alla casella di posta con cui si effettuato l accesso account dell universit oppure di INFN una mail dal Portal Administrator del portale Grid che conferma la creazione del profilo sul suddetto portale Si procede col terzo step selezionando la VO di appartenenza Ci si trover di fronte alla seguente schermata e dopo la voce Enter your VO s name inserire gridit My Virtual Organization Figura D 15 scelta della propria VO Per evitare errori selezionare l organizzazione corretta dal men a tendina che apparir dopo aver inserito le prime lettere del nome della VO Confermando con il tasto Add si aprir la schermata di conferma Cliccare sul tasto Actions e dal men a tendina che si apre scegliere Set Role VO per selezionare il gruppo di appartenenza ovvero Ansys My Virtual Organization successfully setted Hide VO x Enter your VO s name Add VO name Jefault VO Roles gridit Igriditfansys 27 Actions Figura D 16 conferma di appartenenza alla VO Apparir una schermata in cui possibile selezionare il gruppo a cui si interessa accedere per eseguire le simulazioni con Ansys Per la selezione scegliere gridit ansys dal men di sinistra My avail
158. e nei tubi di raccordo Figura 6 14 si notano dei livelli termici elevati in corrispondenza delle flange di accoppiamento dove sono collocate le guarnizioni in indio Queste ultime hanno una bassa resistenza termica e in misura cautelativa viene considerata per tali componenti una temperatura massima di utilizzo pari a 100 C per queste ragioni si rendono necessarie delle flange raffreddate per contrastare i livelli termici raggiunti in prossimit di questi Quindi sulla base dei risultati ottenuti il modello di riferimento stato aggiornato per poter tener conto delle nuove flange raffreddate posizionate in corrispondenza delle estremit dei tubi di raccordo Figura 6 15 184 Figura 6 15 particolare delle flange raffreddate solidali alla camera di diagnostica Dunque stata condotta un ulteriore analisi termica in riferimento al modello aggiornato in particolare sono stati aggiunti i carichi convettivi in corrispondenza delle flange che riassumono il passaggio del liquido refrigerante e sono stati aggiunti dei tubi di raccordo lungo l asse del canale protonico per osservare l effetto prodotto dall irraggiamento nei riguardi dei componenti adiacenti Le dicretizzazione del modello le propriet dei materiali e i carichi termici assegnati sono rimasti invariati rispetto all analisi precedente Nella figura rappresentato l andamento di temperatura che risulta nella camera e nei tubi di raccordo Figura 6 16
159. e per garantire la tenuta stagna Figura 2 23 pese IE 158 284 166 043 173 801 181 56 189 319 162 163 169 922 177 681 185 439 193 198 Figura 2 23 Campo di temperatura della flangia normalizzata C In particolare per far fronte alle condizioni di vuoto richieste si utilizzano guarnizioni realizzate in Indio per la temperatura limite di riferimento viene considerata una temperatura cautelativa 100 C inferiore alla temperatura di fusione Tyindio 156 6 C si nota come i risultati FEM relativi alla flangia eccedono tale limite Quindi per abbassare il campo di temperatura raggiunto dalla flangia entro limiti cautelativi nei confronti delle guarnizioni viene realizzato un sistema di raffreddamento ricavato nella flangia stessa Figura 2 24 atto a smaltire in maggior misura la potenza termica prodotta 65 Figura 2 24 vista esplosa della flangia con circuito di raffreddamento Il canale circonferenziale prodotto presenta la stessa sezione di attraversamento di quella adottata per la camera e il fluido vettore utilizzato ancora acqua trattata Utilizzando gli stessi parametri di velocit e portata del fluido adottati per il sistema di raffreddamento previsto per la camera stata eseguita un ulteriore analisi termica considerando nel modello del collimatore la flangia nella sua nuova versione realizzata interamente in alluminio con rispettivo sistema di raffreddamento Dai risultati ottenuti F
160. e pi grande degli elettroni Tra questi si instaura una forza attrattiva a corto raggio molto intensa che garantisce la stabilit del nucleo chiamata interazione forte essa una delle quattro interazioni fondamentali conosciute si manifesta tra i nucleoni con efficacia a distanze inferiori alle dimensioni nucleari e bilancia la repulsione elettrostatica tra i protoni carichi positivamente L interazione forte vincola per il moto dei nucleoni attorno alla massa nucleare centrale causa della sua notevole intensit pertanto la rottura del nucleo richiede molta energia La fisica nucleare la branca della fisica che studia il nucleo atomico nei suoi costituenti e le loro interazioni I nuclei stabili possiedono approssimativamente ugual numero di neutroni e di protoni 2 e costituiscono la cosiddetta valle di stabilit nella carta dei nuclidi vedi Figura 1 2 il motivo fondamentale della maggiore stabilit dei nuclei con numero di protoni uguale al numero di neutroni da ricercarsi nel fatto che l interazione neutrone protone leggermente pi intensa rispetto alle interazioni protone protone e neutrone neutrone Per nuclei con numero di massa A gt 40 si ricorda che A Z N con Z numero di protoni ed N numero di neutroni la forza coulombiana sposta la linea di stabilit lontano dalla retta in cui giacciono i nuclei con numero di protoni uguale al numero di neutroni verso nuclei ricchi di neutroni che essendo
161. ecessario ricorrere a catodi addizionali posizionati nei punti chiave di tali cavit Per quanto riguarda i materiali usati per la costruzione delle vasche si utilizzano con successo strutture in acciaio adeguatamente isolate elettricamente rivestite internamente con pellicole polimeriche come Neoprene PVC o PE La corrente elettrica viene mantenuta in circolazione mediante l uso di rettificatori di solito operanti a 24 V ma anche a 50 70 V accoppiati a tiristori dispositivi in silicio a stato solido che permettono un immediato e preciso controllo delle condizioni operative Negli ultimi anni si stanno affermando processi che utilizzano corrente alternata anche con forme d onda pulsanti soprattutto quando sono richieste alte densit di corrente come nel trattamento di leghe particolari difficilmente anodizzabili con i normali processi 224 Con la corrente alternata si ottenengono ritmi di crescita pi alti senza cos il pericolo di incorrere nel fenomeno del Burning Quest effetto si manifesta con una rottura e dissoluzione locale del film di passivit causata da un innalzamento locale della temperatura dell elettrolita in combinazione con un aumento puntuale della densit di corrente Il risultato di questo fenomeno la formazione di fori pi o meno estesi sulla superficie del manufatto Questo fenomeno si manifesta quindi pi di frequente nella produzione di rivestimenti ad elevato spessore in quanto si utilizzano el
162. ed inoltre pu essere rastremato nel verso affacciato all apertura della tazza Talvolta l elettro soppressione viene fatta mediante l ausilio di magneti permanenti in alcune costruzioni infatti all esterno della Faraday Cup vengono alloggiati due magneti ai lati opposti della tazza per produrre un campo magnetico all interno della camera per inibire la fuga degli elettroni Il campo magnetico che si viene a creare internamente agisce sulla traiettoria degli elettroni con effetto di aumentare il loro percorso durante la fuga ed aumentando la probabilit che essi collidano con le pareti laterali della tazza Il campo magnetico ha anche funzione di guidare e costringere il fascio nel suo allineamento e nella focalizzazione Spesso per migliorare l efficienza del campo elettrico di repulsione si utilizza l azione dell eletto soppressore combinata con quella del campo magnetico che forza gli elettroni in orbite circolari all interno dell apertura della camera 116 Il raggio di curvatura della traiettoria degli elettroni sotto l azione di questi campi data dalla seguente espressione 4 1 ottenuta con approssimazioni non relativistiche J 2m T J T eV j ec 3237 2B B nT mm 4 1 Dove T l energia cinetica degli elettroni secondari e il campo magnetico prodotto Ovviamente la temperatura nella zona adiacente ai magneti deve essere limitata Il sistema Faraday Cup pu ulteriormente comprendere u
163. ed influisce in modo significativo sulle temperature raggiunte nei singoli componenti al riguardo le analisi termiche si sono rivelate utili per quanto riguarda la scelta dei materiali dei componenti le dimensioni e la loro disposizione all interno della camera e 51 potuto dimensionare e verificare un sistema di raffreddamento in grado di smaltire la potenza termica prodotta nella farday cup 8 kW e stata eseguita un analisi strutturale necessaria per verificare il sistema in termini di tensioni e dilatazioni termiche al fine di garantire l integrit fisica dei componenti nelle condizioni operative Altre modifiche di dettaglio inerenti alla farday cup verranno opportunamente menzionate e descritte nel capitolo 6 assieme al sistema di movimentazione utilizzato per l azionamento della stessa per l inserimento nella linea d asse del fascio e l integrazione con gli altri componenti previsti nel Front End protonico Nel capitolo successivo verr descritto e progettato uno strumento di diagnostica non distruttivo nei confronti del fascio protonico in grado di risalire alle caratteristiche del fascio stesso mediante delle letture di corrente Tale dispositivo definito come Beam Profiler 140 BIBLIOGRAFIA Nicol Padovan Progettazione e test di un integratore di carica elettrica per fasci di ioni ad alta intensit per il progetto SPES Tesi di Laurea Specialistica a a 2010 2011 Universit degli Studi
164. egli stessi al fine di aumentare la superficie di scambio in modo da incrementare il flusso di irragiamento e favorire l abbassamento delle temperature Per la determinazione della massima corrente circolante nel petalo si pone l attenzione sui livelli termici ricontrati nello stesso Figura 3 22 e si considerano le temperature medie calcolate in riferimento ai diversi valori di corrente assegnati Tabella 3 2 ANSYS NODAL SOLUTION R15 0 STEP 1 NOV 19 2014 SUB 275 11 20 43 TIME 3000 TEMP AVG RSYS 0 SMN 1026 31 SMX 1205 51 1026 31 1066 13 1105 95 1145 77 1185 6 1046 22 1086 04 1125 86 1165 68 1205 51 petal sperimental analysis Figura 3 22 andamento delle temperature C riscontrato nel petalo I 600A 97 Tm 1 400 Tm 1 500 C Tm 1 600 807 80 946 05 1072 06 Tabella 3 2 temperature medie calcolate nel petalo per i diversi valori di corrente assegnati Si osserva come una corrente di 600 A sia sufficiente a portare il petalo alla temperatura di riferimento 7 000 C dunque si scelto tale valore di corrente come limite superiore da considerare nel test sperimentale In seguito riportato l andamento della temperatura media del petalo in funzione del tempo Figura 3 23 i tre scalini rappresentano le 3 correnti assegnate nell analisi e si nota come il tempo scelto per ogni condizione di carico t 2000 sia sufficiente per portare il sistema in una c
165. ei halo La dimensione del nucleo legata al numero totale di nucleoni che lo costituiscono dalla semplice relazione R R0 A dove R il raggio nucleare ed Ro una costante pari a 1 2 fermi 1 fermi 10m Tuttavia allontanandosi dalla valle di stabilit si possono incontrare notevoli deviazioni da tale legge in quanto le energie di legame tra le particelle di uno stesso nucleo possono diventare cos piccole da causare la formazione di nuclei particolari chiamati ad anello nuclei halo I nuclei halo sono caratterizzati da una diversa collocazione dei neutroni tali nuclei possiedono molti pi neutroni dei rispettivi isotopi stabili inoltre uno due neutroni essendo debolmente legati al nucleo orbitano attorno ad esso neutroni di valenza Un esempio di nucleo halo il 1111 esso ha una dimensione media del nucleo paragonabile a quella del se per si considera l alone racchiuso dalle orbite dei due elettroni di valenza presenti il nucleo assume dimensioni paragonabili a quelle del Pb vedi Figura 1 18 Figura 1 18 Paragone tra la dimensione del nucleo di 11Li e quella di altri nuclei pi massivi Il nucleo Li un sistema a tre corpi i due neutroni esterni ed il core e rappresenta un esempio naturale di sistema Borromeico vedi Figura 1 19 in topologia i tre anelli borromeici sono legati l un l altro in modo tale che la rottura di uno permetta la separazione
166. ei dischi e nel telaio esterno in base alla potenza termica di progetto assegnata 3 kW Figura 2 6 sezione del modello semplificato adottato per l analisi termica preliminare Tale analisi si rivela di fondamentale importanza poich risulta essere determinante per la definizione del sistema che si intende realizzare In particolare le temperature che risualtano da tale analisi saranno utilizzate per poter definire in maggior dettaglio il dispositivo nei riguardi dei materiali impiegati delle forme e delle dimensioni dunque tale analisi determina l inizio della progettazione vera e propria Nel modello considerato la modalit di trasferimento del calore avviene prevalentemente per irraggiamento avendo considerato il sistema operante in condizioni di vuoto e in misura minore per conduzione 45 stato quindi realizzato un programma APDL che riassume i comandi per l esecuzione dell analisi mediante il codice di calcolo ANSYS Quindi dopo aver importato 1 files IGS del modello 3D sono state importate le caratteristiche dei materiali e definite le emissivit delle parti interessate da scambio termico per irraggiamento in particolare per i dischi sono state implementate le caratteristiche della grafite caratterizzata dall avere un elevata emissivit e nel contempo una temperatura di fusione elevata 2800 C mentre per il tubo esterno shell si optato per una lega di alluminio 4 6082 caratterizzata dall aver
167. ei due fasci ed evita l ossidazione dei componenti del target aspetto di grande importanza dato che la camera target lavora ad alte temperature Il vuoto si ottiene in due passaggi inizialmente una serie di pompe volumetriche tipo scroll raggiungono vuoti dell ordine di 107 107 mbar successivamente azionando delle pompe turbo molecolari si raggiungono le pressioni richieste in esercizio Vuoti superiori a valori di 0 0 mbar non sono raggiungibili per problemi di degassamento superficiali legati al materiale scelto per la costruzione del Front End alluminio ma soprattutto per il rilascio di atomi da parte dei componenti all interno della camera target sottoposti ad elevate temperature L alluminio stato preferito all acciaio poich ques ultimo ha la tendenza ad attivarsi in modo significativo e duraturo in presenza di radiazione neutronica 14 1 2 2 2 Il canale protonico FEP Il canale protonico collega il ciclotrone alla camera target permettendo l isolamento elettrico tra le due estremit Come vedremo infatti per estrarre il fascio radioattivo necessario applicare una differenza di potenziale tra il luogo di formazione del fascio e la zona di arrivo di circa 40 KV Il collimatore Figura 1 7 il primo elemento della catena ed formato da una serie di blocchi di grafite con fori coassiali di diverso diametro i blocchi sono posti in modo tale che il diametro del foro sia decrescente nel verso del fascio in questo
168. el processo si possono rivelare dei pattern visivi superficiali collegati alla distribuzione dei composti intermetallici presente Nel caso di pre trattamenti chimici come ad esempio un etching superficiale abbastanza profondo si potrebbero evidenziare anche i bordi grano nel caso di una successiva lavorazione per deformazione plastica la superficie avrebbe un apparenza a buccia d arancia Per queste ragioni si preferisce applicare il trattamento di anodizzazione solo con grani di dimensioni inferiori ai 100um Anche la storia termica del manufatto influisce sull aspetto dell ossido superficiale Il trattamento di invecchiamento artificiale prolungato fino al picco di durezza della lega T6 conferisce generalmente un apparenza satinata diversamente il materiale overaged T52 o invecchiato naturalmente T4 presenta una superficie pi speculare L effetto principale degli elementi di lega si manifesta nella finitura superficiale diretta conseguenza delle interazioni chimiche che si verificano all interfaccia ossido elettrolita Ferro l effetto principale quello di scurire notevolmente la superficie ossidata che passa da una luminosit diffusa a colori tra il grigio scuro e il nero e Silicio ha un comportamento benefico nei confronti del Ferro ma possiede un elevata solubilit nelle soluzioni di trattamento e Titanio possiede effetti simili al Ferro ma produce una grana molto fine sulla superficie del manufatt
169. ella camera esterna influisca in maniera significativa sulla temperatura teorica dei dischi in grafite in particolare la sensibilit alle variazioni di temperatura risulta essere massima per bassi valori di emissivit 2 e cala per valori via via pi elevati Nel caso in esame per la lega di alluminio considerata si pu considerare in primo luogo un valore di riferimento di emissivit 2 0 06 inoltre l effetto dello sporcamento prodotto in prossimit della superficie della camera alle alte temperature determina un incremento dell emissivit stessa 208 Dunque tenendo conto di questo aspetto considerando per esempio un valore indicativo 2 0 3 si nota un netto calo di temperatura da parte dei dischi 47 670 C giustificato dal fatto che viene favorito lo scambio termico verso l esterno e dunque migliora lo smaltimento del calore prodotto Analoghe considerazioni sono state fatte per la faraday cup ovvero riferendoci a un modello teorico semplificato che vede il sistema costituito da due cilindri concentrici che scambiano una potenza termica netta P 8 KW ci si propone di valutare l evoluzione della temperatura della faraday cup al variare dell emissivit del tubo esterno in lega di alluminio In particolare sono state confrontate diverse casistiche relative alle diverse soluzioni preliminari che sono state proposte in corso di progettazione i rispettivi dati sono riassunti nella Tabella A 2 DATI 412 8000 W T2 35
170. ella capacit di un materiale di irraggiare energia Si prenda in considerazione un elemento di superficie non nera di area dA alla temperatura l emissivit emisferica globale viene definita come rapporto tra l emissione globale E di tale porzione superficiale e l emissione globale En relativa alla superficie nera alla stessa temperatura A 4 4 4 Per essere precisi importante dare le definizioni di corpo nero e di emissione globale e Una superficie viene detta nera quando per la fascia di lunghezze d onda delle radiazioni elettromagnetiche incidenti considerate questa assorbe la totalit della potenza termica inviatagli senza manifestare alcun segno di trasparenza o riflessione il concetto di superficie nera molto importante perch riferita ad essa le leggi che descrivono l emissione dell energia radiante possono essere formulate in modo esatto e semplice si dimostra inoltre che a parit di temperatura nessuna superficie pu irradiare una potenza maggiore di quella irradiata dalla superficie nera che viene per questo definita anche radiatore ideale 203 e L emissione globale E rappresenta la totale potenza specifica irradiata dal corpo materiale considerato in corrispondenza ad ogni punto della sua superficie perimetrale 5 lim EA a A AA gt O0AA dove con q si indica il flusso radiativo emesso attraverso la porzione superficiale perimetrale E 4 5 del corpo di a
171. elle leghe di alluminio si pu ricorrere ad un trattamento superficiale di sabbiatura Si tratta di un procedimento meccanico con il quale si erode la parte superficiale di un materiale tramite l abrasione dovuta ad un getto di sabbia ed aria 7 Tale trattamento di superficie applicabile a tutte le leghe e non altera le propriet chimico fisiche del materiale base bens favorisce l aumento della rugosit superficiale a seconda delle dimensioni della graniglia utilizzata e della pressione del getto Inoltre tale trattamento si differenzia dall anodizzazione e dagli altri trattamenti galvanici di ossidazione che vengono eseguiti a bagno poich possibile lavorare solo le parti che interessano per questa ragione quest ultimo risulta un trattamento localizzato e meno invasivo rispetto ai trattamenti chimici visti precedentemente Figura A 10 Figura A 10 macchina sabbiatrice presente ai laboratori LNL 229 A 6 Misure di emissivit Come gi stato accennato precedentemente l emissivit dei materiali risulta essere un parametro significativo per lo scambio termico di irraggiamento Dalle analisi termiche eseguite sulle camere di alluminio che ospitano componenti caldi 7 gt 000 C si potuto osservare un elevata sensibilit della variazione di temperatura degli stessi al variare dell emissivit in particolare per valori che variano da 0 a 0 6 Dunque al fine di ridurre i gradienti termici prodotti e sma
172. elle zone di contatto il codice nel ricostruire la congruenza e garatire la continuit strutturale va a bloccare dei gradi di libert che non corrispondono nella realt e quindi fornisce dei valori poco attendibili ai fini dell analisi Basti pensare all accoppiamento tra isolatore e vite due componenti con materiali diversi che si trovano a contatto tra loro vengono interpretati dal calcolatore come due elementi strutturali saldati nella zona di contatto quando nella realt sono semplicemente appoggiati Per questi motivi nei diversi accoppiamenti tra le parti sono state escluse dall analisi gli effetti di bordo rappresentati dai contatti in particolare per le viti e gli isolatori sono stati escluse dalle analisi le zone terminali per un estensione pari al diametro dei componenti stessi circa 2mm In maniera analoga per i vincoli applicati agli isolatori sono stati scartati i valori in prossimit degli incastri poich poco significativi ai fini dell analisi Dal confronto delle tensioni max ottenute nell ultima analisi con le tensioni caratteristiche dei diversi materiali si nota come non sia verificata la resistenza meccanica dei singoli componenti ad eccezione dei dischi in grafite che presentano una tensione ideale max 25 23 MPa inferiore alla tensione ammissibile 33 MPa Le tensioni elevate che si riscontrano negli isolatori e nelle viti sono da imputare principalmente agli spostamenti radiali in
173. emblato Nei paragrafi successivi verranno avanzate opportune analisi termo strutturali al fine di verificare la resistenza termica e meccanica dei componenti ulteriori modifiche di carattere progettuale verranno opportunamente menzionate e giustificate 60 2 8 Analisi termica In riferimento al modello tridimensionale del sistema collimatore Figura 2 18 sono state eseguite diverse analisi termiche mediante calcolo FEM al fine di determinare le temperature massime raggiunte nei singoli componenti dunque l obiettivo fondamentale quello di verificare la resistenza termica degli stessi e individuare eventuali criticit giacch il dispositivo per poter funzionare in condizioni di sicurezza deve poter smaltire la potenza termica di progetto 3 kW senza che i singoli componenti superino la temperatura limite di lavoro che sar diversa per ogni materiale impegato In particolare la Tabella 2 3 riassume i valori limiti raccomandati presenti in letteratura 4 per i diversi materiali impiegati nel modello Materiale Trim C Lega di alluminio A 6082 400 Grafite C 2000 Tantalio Ta 1700 Allumina 4 2 1700 Acciaio AIST 316 600 Tabella 2 3 valori raccomandati delle temperature limite presenti in letteratura Tali temperature risultano essere inferiori alle temperature di fusione dei singoli materiali considerati in virt del fatto che viene tenuto conto dell effetto subordinato degli altri mater
174. ento del servomeccanismo utilizzato per l azionamento richiesto Inoltre risulta essere un parametro significativo nella scelta del sistema di controllo del movimento e di acquisizione dati in riferimento alla frequenza di campionamento dei segnali acquisiti nel processo di scansione Nel prossimo paragrafo verr descritta la progettazione dettagliata seguita per lo sviluppo del Beam Profiler completo di tutti i componenti che si rendono necessari per il processo di scansione 5 6 Progettazione dettagliata Una volta verificata la funzionalit della sonda elicoidale sulla base di modelli semplificati si rende necessario lo sviluppo di un sistema dettagliato provvisto di tutti i componenti necessari per lo svolgimento delle funzionalit richieste In particolare nel presente paragrafo verrano descritte in maniera dettagliata le fasi di modellazione seguite per lo sviluppo del sistema di movimentazione e del sistema di acquisizione dei segnali 5 6 1 Definizione preliminare del sistema di movimentazione Lo sviluppo del sistema di movimentazione focalizza l attenzione sulla definizione dei dispositivi utilizzati per eseguire l azionamento richiesto In particolare ricordando che l ambiente in cui opera il dispositivo altamente radioattivo si ritiene opportuno l utilizzo di un motore pneumatico rotativo in presa diretta con la sonda In riferimento al movimento eseguito dal filo rotante durante il processo di scansione Figura
175. enza oggetto del test petalo I puntali in rame sono collegati ai generatori di corrente e sono percorsi anch essi da acqua mediante opportuni circuiti interni per favorire lo smaltimento del calore generato Figura 3 2 Figura 3 2 particolare della piastra principale sinistra e dei puntali elettrici destra 81 Generatore di potenza Si tratta di un alimentatore LAMBDA da 0V e 1000A controllato manualmente o da un sistema computerizzato esterno Figura 3 3 Figura 3 3 vista frontale dell alimentatore Gruppo di pompaggio a vuoto Si tratta di un gruppo per vuoto posto nella parte inferiore del telaio di supporto Il gruppo per vuoto costituito da una pompa Scroll a secco EDWARDS XDS 10 e una pompa turbomolecolare ADIXEN ALCATEL TURBO300 tra le due pompe interposta la valvola di isolamento ISV25 Inoltre il gruppo di pompaggio dotato di un misuratore da vuoto BOC Edwards Serie TIC a tre canali completo di teste di misura a rel box per il segnale di sistema in vuoto Figura 3 4 Figura 3 4 vista frontale del gruppo di pompaggio 82 Impianto elettrico Esso realizzato per l alimentazione del generatore di potenza del gruppo di pompaggio a vuoto e dell eventuale strumentazione necessaria per il funzionamento la gestione e il controllo della macchina prevede una scatola di derivazione per il collegamento tra la linea e l alimentazione della macchina Inoltre il quadro comandi dotato di
176. enza dell emissivit sulle temperature modello teorico E possibile valutare l influenza dell emissivit sulla temperatura massima teorica che pu essere raggiunta dai corpi interessati da scambio termico per irraggiamento in particolare riferendoci allo studio termico eseguito nel collimatore possibile stimare la variazione della temperatura media superficiale raggiunta sui dischi di grafite in funzione dell emissivit della camera esterna in lega di alluminio Al 6083 data una potenza termica da smaltire Per poterlo fare ci si basa su un modello teorico semplificato che vede il sistema costituito da due cilindri concentrici entrambi di lunghezza L Figura A 1 L Figura A 1 schema del modello teorico considerato 206 e il cilindro interno di raggio ri rappresenta la superficie esterna dei dischi in grafite in questo l emissivit viene considerata costante per semplificare il calcolo e il cilindro esterno di raggio r rappresenta invece la superficie interna della camera in lega di alluminio Nel caso di due cilindri concentrici ipotizzando che tutta la radiazione emessa dal cilindro interno 1 tenda ad incidere sulla superficie interna del cilindro esterno 2 quindi trascurando gli effetti di bordo si ha che il fattore di forma Fij tende all unit in riferimento all equazione generale 1 nel caso in esame avendo che il rapporto delle aree equivale al rapporto dei raggi il flusso termico scambiato in q
177. eratura inferiore rispetto alla temperatura media dell intero corpo tuttavia rappresentano dei valori di riferimento indicativi validi per gli obiettivi che si intendono perseguire Nell esecuzione del test stata impressa una serie di correnti da 0 a 600 A con un incremento di 50 A ogni 0 minuti per il raggiungimento del regime termico del sistema mentre un voltmetro si prestava a misurare costantemente la caduta di tensione tra il puntale elettrico e la camera Quindi stata eseguita un ulteriore analisi termo elettrica in riferimento al modello gi esistente assegnando gli stessi valori di corrente adottati nel test in modo tale da poter realizzare un confronto diretto con i risultati pervenuti sperimentalmente 99 Al riguardo gli elementi utilizzati le caratteristiche dei materiali la discretizzazione dei componenti e i carichi termici sono rimasti invariati rispetto all analisi precedente La Tabella 3 3 seguente riassume i risultati ottenuti dall analisi termo elettrica in termini di temperature raggiunte nel petalo e di potenziali elettrici e sono confrontati con i valori sperimentali Nella Figura 3 25 sottostante rappresentato il confronto fra le temperature registrate I A V Vrem V T C Trem C P mbar 50 0 40 0 08 93 37 1 2 6 100 0 57 0 19 182 00 2 6 6 150 0 79 0 36 315 00 2 4 6 200 1 12 0 59 605 00 438 00 4 9E 6
178. ermica da smaltire Q 8000 W dalla relazione fondamentale dello scambio termico Q cp AT si pu risalire al surriscaldamento subito dal fluido vettore che risulta 4 8 8000 W 5 EA 3831 C c m p 4184 4 J KgK 5 10 5 m3 s 998 16 Kg m 4 8 L acqua dunque entra alla temperatura 7 20 C assorbe la potenza termica prodotta ed esce alla temperatura 58 31 C Tuttavia le propriet dell acqua sono state valutate alla temperatura d ingresso per un calcolo pi preciso opportuno valutarle alla temperatura media tra l ingresso e l uscita Tm 39 15 ricalcolando il tutto considerando come temperatura di riferimento per le propriet dell acqua si ottengono valori aggiornati dei termini a AT T e Tm In particolare dopo 2 iterazioni si raggiunge la convergenza fino alla seconda cifra decimale sulle temperature Considerando l ultima iterazione alla temperatura 39 25 C le propriet dell acqua valgono Densit Conducibilit Viscosit Calore p Kg m W mK Kg ms specifico cp J KgK 996 25 0 62941 0 0006636 4179 58 e il calcolo fornisce i seguenti valori aggiornati Re 9988 75 Pr 4 41 Nu 69 75 W m 6584 88 C 58 50 AT C 38 50 127 A questo punto possibile calcolare la superficie di scambio S richiesta per smaltire la potenza termica di progetto Q 4 9 Q 4 9
179. esenta la variazione di temperatura tra ingresso ed uscita che si instaura tra la camera che cede calore e il fluido vettore che lo assorbe ed definita come 2 13 AT AT 2 13 In 2 13 Avendo considerato una temperatura massima cautelativa per l alluminio Tmax 100 C si ha che AT Tmax Ty 100 34 40 65 60 C AT Tmax T 100 20 80 C 72 56 C Dunque la superficie di scambio S risulta Q 3000W 0 007181 m SS Msg OAW see CORPER Considerazioni di carattere geometrico permettono di stimare il posizionamento di un canale costituito da 8 piste longitudinali connesse da 7 tratti tangenziali Figura 2 14 Figura 2 14 particolare del sistema di raffreddamento La lunghezza approssimata complessiva del circuito di raffreddamento risulta di L 0 842 m Nella verifica termica tale valore viene confrontato con la lunghezza minima teorica Lmin calcolata come 2 14 57 5 0 007181 m sm 2 b h 2 0 005m 0 010m Paaa m 2 14 Dove 2 b h rappresenta il perimetro della sezione di deflusso Si pu verificare che Lmin lt L dunque il sistema di raffreddamento ricavato dalla camera verificato termicamente possibile stimare altres una sorta di coefficiente di sicurezza termico gt che convalida ulteriormente tale verifica definito come 2 15 0m 2 15 Il sistema di raffreddamento completo rappresen
180. essaggi di errore e la convergenza dell analisi con Abort si annulla la attuale simulazione Dopo pochi secondi da quando si inviata la simulazione premendo il tasto Refresh in alto a destra la schermata aggiornata dovrebbe confermare l avvio dell analisi con la comparsa di una barra rossa con lo stato RUNNING al posto di quella arancione Figura D 21 NEW JOB Refresh Insert APDL APDL cam sempl 80 txt Insert input ANSYS camera sempl 80 tar 1D 06 11 2013 05 23 42 Browse No file selected Upload Show Details Browse No file selected Upload Ad Submit Download Partial Outputs file name cam_s_80 Set Ouputs Abort CPU Number 2 v SetcPunumber Figura D 21 l analisi sta procedendo correttamente E possibile che la simulazione non venga eseguita in modo corretto oppure si verifichino errori durante l analisi In questo caso dopo ave premuto il tasto Refresh la barra rossa diventer azzurra e comparir lo status ERROR Figura D 22 La comparsa di questo stato non significa che ci siano per forza errori nell APDL o nell archivio tar eventuali errori dovuti alla simulazione si possono leggere nel file og dove compare il report delle attivit che sono svolte da Ansys e dove possibile leggere i messaggi di errore dati in output dal software come l eventuale non convergenza della soluzione o la mancata lettura di una macro assente nell archivio Lo stato ERROR pu di
181. esso 5 1075 3 5 0 05 1 5 180 l h 125 E quindi possibile stimare la sezione di deflusso A come 4 4 m 5 10 m s AS lt 5 107 1mj s 4 4 Per la sezione rettangolare di deflusso si considera per semplicit di realizzazione pratica una larghezza del canale pari al diametro della fresa utilizzata di conseguenza la profondit della cava univocamente determinata in base all area calcolata in particolare considero le seguenti dimensioni A b 10mm gt h z 5mm A questo punto possibile calcolare il diametro equivalente d che nel caso specifico vale 4 5 7mm 4 5 Le propriet del fluido valutate alla temperatura in ingresso ti 20 C risultano Densit Conducibilit Viscosit Calore p Kg m A W mK p Kg ms specifico J KgK 998 16 0 59842 0 0010016 4184 4 Lo stato medio del fluido quindi rappresentato dai seguenti numeri dimensionali termo fluidodinamici 4 6 d p u 0 007m 998 16Kg m 1m s Re 6643 77 i 0 0010016 Kg ms 4184 4 0 0010016Kg ms 4 A 0 59842 W mK i Nu 0 027 Re 8 33 101 0 027 6643 7708 7033 10 14 58 65 126 E quindi dalla definizione del numero di Nusselt Nu d A si ricava il coefficiente di convezione medio 4 7 A a 5264 40 W m 4 7 de In riferimento alla potenza t
182. essore di questo strato A seconda dei processi impiegati il barrier layer possiede le caratteristiche riportate in Tabella AA 214 Trattamento Temperatura 5 film Struttura e Composizione C Aria secca 20 10 40 Al0O3 amorfa Aria secca 500 20 40 Al 03 amorfa n Al203 Ossigeno 20 10 20 Al0O3 amorfa Ossigeno 500 100 160 amorfa n Al203 Aria umida 20 4 10 Boemite Idrargillite Aria umida 300 8 10 Acqua bollente 100 2 15 Boemite Autoclave 150 10 Boemite Ossidazione 70 100 2 8 Boemite ione di processo chimica Anodizzazione 18 25 100 150 Al 03 amorfa ione di normale processo Anodizzazione 3 6 300 400 Al 03 amorfa ione di profonda processo Tabella A 4 caratteristiche del barrier layer L investigazione sullo spessore del barrier layer pu essere condotta attraverso misurazioni sulla rapidit di variazione della corrente circolante al variare del potenziale applicato infatti la corrente rimane pressoch costante fintantoch il potenziale applicato non supera lo spessore dielettrico dello strato ma una volta raggiunto quel valore la corrente segue molto rapidamente le variazioni del potenziale Il tasso di crescita del barrier layer molto veloce nei primi cinque secondi di trattamento in seguito il tasso di dissoluzione eguaglia quello di formazione e perci lo spessore rimane costante La superficie dello
183. esta ad operare nelle condizioni operative richieste Inanzittutto si ricordano le caratteristiche del fascio protonico che si vuole misurare Energy 40 MeV u Power 8 kW Spot size 32mm Il dispositivo si appresta a rilevare le caratteristiche del fascio all uscita del collimatore in particolare il Beam Profiler controlla che le caratteristiche in termini di posizione forma e potenza specifica siano conformi con quelle prefissate prima di attivare la Faraday Cup Quindi si pensato di collocare tale strumento nella stessa camera in cui opera la Faraday Cup a valle del collimatore al fine di limitare l estensione assiale del canale protonico e semplificare il sistema in questo modo entrambi gli strumenti di diagnostica condividono la stessa camera raffreddata opportunamente ridefinita e descritta nel prossimo capitolo Il dimensionamento del Beam Profiler focalizza l attenzione principalmente sullo studio del filo rotante quale elemento critico del dispositivo In particolare la definizione dello stesso coinvolge i seguenti aspetti 150 e Scelta del materiale il filo entra in contatto con il fascio quindi in base alle caratteristiche del fascio intercettato il materiale deve poter resistere alle alte temperature oltre che avere buone propriet meccaniche poich il surriscaldamento prodotto pu determinare la sublimazione dello stesso compromettendo in maniera irreversibile il funzionamento
184. evati voltaggi e densit di corrente Studi condotti in Giappone hanno evidenziato come il fenomeno del Burning non si manifesti utilizzando corrente alternata Quando lo spessore del ricoprimento raggiunge il valore desiderato spesso si opera una fase di sigillazione della porosit ottenuta mediante immersione in acqua calda o vapore che opera un idratazione dell allumina superficiale L effetto di questa operazione quello di rendere pi compatta e uniforme la superficie rendendola impermeabile garantendo una maggior durata e miglior aspetto superficiale L operazione di sigillazione pu essere preceduta anche da una fase di colorazione mediante pigmenti dispersi in fase organica L automatizzazione del processo industriale passa perci attraverso un ciclo di lavorazione che pu essere scomposto in tre fasi principali Figura A 9 e Pulizia comprende tutte le sottofasi di lavaggio basico e o acido seguite dai rispettivi risciacqui in acqua calda e fredda Anodizzazione il processo pi comune opera con acido solforico al 15 12 18 24 V alla temperatura di 20 C per 10 60 minuti questo rivestimento di solito colorato con prodotti organici o deposizione di metalli e offre un ampia gamma di applicazioni Con acidi organici si usa una soluzione di 90 00 g litro addizionata di una piccola quantit di acido solforico per incrementare la conduttivit si opera a temperatura ambiente con 24 A fi fin
185. fficienza di trasmissione dell acceleratore finale del separatore di massa isobarico e delle linee di trasporto sino agli apparati di rivelazione nelle sale sperimentali La separazione dei prodotti radioattivi dal substrato del target ed il loro trasferimento alla sorgente per la ionizzazione sono processi fortemente dipendenti dalla temperatura in particolare all aumentare del livello termico la diffusione delle particelle nel target risulta accelerata Chiaramente pi breve la vita media degli atomi radioattivi pi rapido deve essere il tempo di rilascio e di conseguenza per quanto appena affermato il bersaglio deve essere mantenuto alla pi alta temperatura possibile I fisici nucleari europei hanno costruito diversi laboratori di grandi dimensioni in varie nazioni della Comunit Europea al fine di studiare regioni sempre pi esotiche della carta dei nuclei ai limiti della stabilit nucleare Nella stessa direzione sono orientati anche i Laboratori Nazionali di Legnaro LNL nei quali prevista la costruzione di una facility ISOL per la produzione di fasci di ioni esotici il progetto SPES Selective Production of Exotic Species Tale programma coordinato a livello nazionale e prevede la collaborazione tra sei sezioni INFN l ENEA Bologna i Dipartimenti di Ingegneria Meccanica di Scienze Chimiche dell Universit degli Studi di Padova e a livello internazionale strette collaborazioni con il CERN Svizzera ed i
186. ficie interna della camera maggiore tale lunghezza e maggiore tale margine tuttavia all aumentare di diminuisce sensibilmente la rigidezza trasversale ed aumenta la freccia teorica f oltre i valori limiti concessi Per i motivi visti e per ragioni di carattere geometrico sono stati adottati i seguenti parametri dimensionali per la realizzazione delle placchette 75 e h 03mm e b 10mm e 18 Le stesse geometrie sono state opportunamente generate nel modellatore solido successivamente importate nel calcolatore unitamente al modello del collimatore gi sviluppato per poter eseguire le verifiche strutturali Considerando il modello discretizzato nell ultima analisi di convergenza C4 sono state aggiunte le placchette in molibdeno in corrispondenza degli isolatori discretizzate con elementi SOLID226 aventi dimensione medie di 1mm Le Tabella 2 9 riassume il calcolo strutturale eseguito sull intero sistema nelle soluzioni con e senza placchette Soluzione senza placchette Componente Materiale O1 MAX 03 MAX OyM MAX Umax MPa MPa MPa mm Petalo disco4 Grafite 25 44 2 46 23 25 0 20 Isolatori Alumina 644 34 773 44 1044 27 0 09 Viti Tantalio 262 44 249 11 395 91 0 14 Soluzione placchette Componente Materiale 01 MAX 03 MAX OVM MAX UMAX MPa MPa MPa mm Petalo disco 4 Grafite 4 36 9 51 12 35 0 24 Isolatori Alumina 86 25 77 4
187. file di Output nell opportuna finestra premendo su Set Outputs per confermare la scelta Il nome non deve contenere spazi perch il job venga lanciato correttamente 4 Allo stesso modo si pu scegliere il numero di processori da usare in parallelo Si consiglia comunque di mantenere le impostazioni di default 5 Si pu inviare la simulazione alla centrale di calcolo premendo Submit Una volta eseguita la procedura descritta possibile aggiornare la pagina con Refresh e controllare i progressi della simulazione Se tutto stato eseguito correttamente la barra bianca sul lato destro dello schermo con lo stato INIT dovrebbe diventare arancione e lo stato mutare in SUBMITTED Figura D 20 260 NEW JOB Job successfully submitted Refresh Insert APDL APDL cam sempl 80 txt Insert input MISTE camera sempl 80 tar 1D 06 11 2013 05 23 42 Browse No file selected Upload Show Details Browse No file selected Upload d Submit Download Partial Outputs file name cam s 80 Set Ouputs Abort CPU Number 2 Set CPUNumber Figura D 20 schermata che avvisa l utente del corretto invio della simulazione A destra compaiono dei nuovi pulsanti con Show Details si apre una videata con una panoramica su tutte le simulazioni in corso ed il loro stato con Download Partial si pu aprire il file log che emesso in output dal processo in corso ed quindi possibile controllare i m
188. hezza minima teorica Lmin calcolata come 4 11 S 0 020712 m min 2 b h 2 0 005m 0 010m a 4 11 Dove 2 b h rappresenta il perimetro della sezione di deflusso Si pu verificare che Lmin lt L dunque il sistema di raffreddamento ricavato dalla camera verificato termicamente possibile stimare altres una sorta di coefficiente di sicurezza termico che convalida ulteriormente tale verifica definito come 4 12 _ 1 Ra WP Ta 059m 4 12 min 4 5 3 Modellazione e analisi termiche Grazie al modellatore solido CREO stato possibile definire la geometria del modello nella forma che meglio risponde alle esigenze richieste In particolare dapprima stato modellato con maggior dettaglio il corpo centrale della Faraday Cup quale elemento sensibile dello strumento per poi passare alla definizione degli elementi di supporto e movimentazione dello stesso all interno della camera 129 In questo senso 1 risultati ottenuti dall analisi termica preliminare si sono rivelati di enorme importanza infatti per quanto riguarda la geometria del blocco di grafite che nell analisi termica registrava una temperatura massima di 2370 C si pensato di suddividerlo in 10 dischi sottili spessi 2 mm coassiali ed equispaziati da opportuni anelli distanziatori realizzati anch essi in grafite al fine di aumentare la superficie di scambio complessiva e poter abbattere i campi di temperatura Figura 4 9 Spacing ri
189. i isotopi radioattivi tramite reazioni nucleari fissione spallazione frammentazione ecc I radioisotopi prodotti vengono quindi estratti e ionizzati mediante un opportuno sistema e successivamente accelerati per differenza di potenziale In particolare il primo stadio di accelerazione avviene nel front end che accelera gli ioni e li focalizza Successivamente una serie di dispositivi elettrostatici permette il trasporto del fascio verso dei separatori elettromagnetici all interno dei quali il fascio viene opportunamente selezionato e purificato i separatori sono quindi necessari se si vuole ottenere un fascio chimicamente elemento ed isobaricamente massa puro Successivamente gli ioni vengono post accelerati al livello di energia richiesto dal particolare esperimento L intensit I degli ioni radioattivi prodotti da una facility di tipo ISOL data dalla seguente relazione 1 1 1 2 83 1 1 dove la sezione d urto per le reazioni nucleari d interesse l intensit di corrente del fascio primario e lo spessore sfruttabile del target e el l efficienza della diffusione termica ad alta temperatura dei prodotti di reazione dentro il target del rilascio dalla superficie e della diffusione attraverso la linea di trasferimento dal target alla sorgente 2 l efficienza di ionizzazione della sorgente 3 l efficienza di decadimento durante l intero processo e 4 l e
190. i ognuno dei quali risulti elettricamente isolato per le ragioni viste Figura 2 12 Figura 2 12 particolare del quarto disco collimatore L isolamento elettrico mutuo tra i petali che compongono il quarto disco reso possibile dagli isolatori di allumina che insistono su viti in tantalio opportunamente sagomate Per il fissaggio del disco nella camera stata considerata la stessa architettura adottata per gli altri dischi collimatori mentre per l accoppiamento mutuo tra i petali si considerato un sistema analogo costituito da viti in tantalio e isolatori in allumina tale sistema assicura un completo isolamento elettrico e permette nel contempo di calibrare con ampia flessibilit l apertura gap che si realizza tra le superfici dei petali stessi Per la soluzione proposta si scelto di realizzare un gap di riferimento di 1mm Tale apertura presenta due aspetti fondamentali e realizza l apertura necessaria per l isolamento elettrico mutuo tra i petali permettendo di controllare nel contempo la circolarit del foro 51 e comporta inevitabilmente una perdita percentuale di energia associata al fascio Infatti lo spot collimato dal terzo disco nell attraversare il quarto disco vista la geometria assunata da quest ultimo passer attraverso le fessurazioni prodotte dal gap in particolare con un apertura di 1mm la frazione di fascio non intercettata dal quarto disco si aggira attorno all 7 30 W Dunque il fa
191. i svolta mentre nella Tabella 6 1 seguente sono riassunte le temperature massime registrate nei singoli componenti 182 NODAL SOLUTION STEP 1 SUB 48 TIME 5000 TEMP AVG RSYS 0 SMN 41 9553 SMX 3332 83 41 9553 407 thermal analysis 773 26 608 1138 91 ANSYS R15 0 NOV 27 2014 09 45 22 8 3332 83 Figura 6 13 andamento delle temperature C che risulta dall analisi termica Componente Materiale Tmax C Trim C Dischi collimatori Grafite C 763 59 2000 Camera e tubi di raccordo Al 6082 192 97 400 Sostegni sonda rotante Tantalio Ta 873 64 1700 Sostegno Beam Profiler AISI 316L 252 67 600 Passante rotante AISI 316L 66 31 600 Schermo Beam Profiler Tantalio 401 24 1700 Schermo lato Pompa Tantalio Ta 534 84 1700 Tabella 6 1 temperature massime registrate nei singoli componenti I risultati mostrano come i componenti siano verificati termicamente giacch le temperature massime riscontrate non superano 1 rispettivi valori limiti 183 ANSYS NODAL SOLUTION R15 0 STEP 1 NOV 27 2014 SUB 48 09 45 04 TIME 5000 TEMP AVG RSYS 0 SMN 41 9553 SMX 192 966 41 9553 75 5132 109 071 142 629 176 187 58 7342 92 2921 125 85 159 408 192 966 thermal analysis Figura 6 14 andamento della temperatura C riscontrato nella camera e nei tubi Osservando in maggior dettaglio l andamento delle temperature nella camera
192. i un crescente interesse dovuto alle loro molteplici applicazioni non solo nel campo della fisica nucleare ma anche in astrofisica medicina e fisica dello stato solido Nel presente paragrafo vengono brevemente descritte le principali applicazioni dei fasci di ioni radioattivi nelle quattro aree sopra citate 1 3 Applicazione dei fasci dei ioni esotici I fasci di ioni esotici hanno suscitato nel corso degli anni un crescente interesse dovuto alle loro molteplici applicazioni non solo nel campo della fisica nucleare ma anche in astrofisica medicina e fisica dello stato solido Nel presente paragrafo vengono brevemente descritte le principali applicazioni dei fasci di ioni radioattivi nelle quattro aree sopra citate 26 1 3 1 Applicazioni in fisica nucleare Miglioramento e verifica del Modello Standard Il modello standard della fisica delle particelle una teoria che descrive insieme tre delle quattro forze fondamentali cio l interazione nucleare forte l elettromagnetismo e l interazione nucleare debole queste ultime due unificate nell interazione elettrodebole nonch la funzione e le propriet di tutte le particelle note ed osservate che costituiscono la materia Nonostante il suo successo tale modello non del tutto soddisfacente poich dipende in modo sostanziale da alcune assunzioni fatte ad hoc Elaborati esperimenti di fisica nucleare suggeriti da convincenti basi teoriche sono stati ideati allo scopo di chiar
193. i FEM per convalidare le analisi precedentemente eseguite 77 BIBLIOGRAFIA Alberto Cavazza Progettazione termica e meccanica dell apparato di produzione di ioni del progetto SPES Tesi di Laurea Specialistica a a 2009 2010 Universit degli Studi di Padova 2 Nicol Padovan Progettazione e test di un integratore di carica elettrica per fasci di ioni ad alta intensit per il progetto SPES Tesi di Laurea Specialistica a a 2010 2011 Universit degli Studi di Padova L Rossetto Appunti delle lezioni di Termodinamica Applicata Universit degli Studi di Padova B Wolf Handbook of ion sources CRC Press 1995 78 CAPITOLO 3 Test termico sperimentale del collimatore 3 1 Introduzione Nel presente capitolo vengono descritte in maniera dettagliata le analisi sperimentali condotte nei petali in grafite che costituiscono il quarto disco collimatore descritti nel capitolo precedente al fine di valutare le temperature e le dilatazioni termiche che nascono nelle condizioni d esercizio per trovare concordanza con le analisi numeriche svolte e garantire la verifica strutturale degli stessi L attenzione dei test quindi rivolta ai petali del quarto disco collimatore essendo questi ultimi maggiormente critici in termini di labilit e gradienti termici riscontrati nelle analisi FEM Per la valutazione delle temperature stato applicato un metodo sperimentale diretto che vede l utilizzo di un pir
194. i altri metodi di scansione come la TAC e la RMN permettono di identificare alterazioni organiche e anatomiche nel corpo umano le scansioni PET sono in grado di rilevare alterazioni a livello biologico molecolare che spesso precedono l alterazione anatomica attraverso l uso di marcatori molecolari che presentano un diverso ritmo di assorbimento a seconda del tessuto interessato Con una scansione PET possibile visualizzare e quantificare con discreta precisione il cambio di afflusso sanguigno nelle varie strutture anatomiche attraverso la misurazione della concentrazione dell emettitore di positroni iniettato I radionuclidi utilizzati nella scansione PET sono generalmente isotopi con breve tempo di dimezzamento come C 20 min N 10 2 min e 8F 110 min Per via del loro basso tempo di dimezzamento i radioisotopi devono essere prodotti da un ciclotrone posizionato in prossimit dello scansionatore PET 8 La PET gioca un ruolo sempre maggiore nella verifica della risposta alla terapia specialmente in particolari terapie anti cancro si prospettano dunque per essa sempre maggiori applicazioni e sviluppi 1 3 4 Applicazioni in astrofisica L astrofisica nucleare gioca un ruolo fondamentale nella comprensione della struttura evoluzione e composizione dell Universo e dei suoi costituenti Le stelle generano energia attraverso reazioni nucleari coinvolgenti sia nuclei stabili che radioattivi A volte il con
195. i labilit al riguardo vengono vincolati la camera esterna e l albero di sostegno della Faraday Cup con opportuni appoggi mentre i componenti in grafite della coppa rimangono liberi di dilatarsi Questi ultimi saranno intuitivamente i componenti maggiormente sollecitati in termini di tensioni interne dato che dalle analisi termiche in essi si sono registrati i maggiori gradienti di temperatura Inoltre a priori tali componenti risultano essere critici nei riguardi dell intera verifica strutturale poich di tutti i materiali considerati nell analisi la grafite presenta la minor tensione ammissibile calcolata che ricordo essere 33 MPa Proprio per questi motivi ha senso svolgere l analisi strutturale focalizzando l attenzione limitatamente ai componenti in grafite che costituiscono la coppa della Faraday Cup quali componenti critici per i motivi accennati dunque tale analisi risulta essere significativa nei riguardi dell intero sistema 138 In particolare la verifica strutturale eseguita focalizza l attenzione sui 10 dischi in grafite intercettati dal fascio e la box in grafite che li contiene di seguito verranno riportati i risultati ottenuti dall analisi strutturale limitatamente a tali elementi ANSYS R15 0 4 2014 NODAL SOLUTION STEP 1 NOV SUB 1 08 18 06 TIME 1 USUM RSYS 0 DMX 268E 03 SMN 641E 06 SMX 268E 03 641E 06 601E 04 120E 03 179E 03 239E 03 304 04 899E 04
196. i nel datasheet presente in appendice Inoltre il contatto strisciante garantito da una boccola di grafite opportunamente sagomata posizionata nella parte terminale del sostegno in acciaio Figura 5 24 vista del sistema di acquisizione nella soluzione sviluppata Per quanto riguarda l isolamento elettrico della sonda elicoidale si ritenuto necessario l utilizzo di opportune flange di collegamento accoppiate mediante l utilizzo di isolatori realizzati in allumina e posizionate in corrispondenza della zona terminale del passante rotante Figura 5 25 166 Rotatingwire Figura 5 25 particolare del circuito elettrico realizzato Nelle figure sottostanti Figura 5 26 e Figura 5 27 sono rappresentate alcune viste del Beam Profiler nella soluzione finale completo di tutti gli elementi accoppiati correttamente Figura 5 27 render dell assieme completo sviluppato 167 I tubi di raccordo modellati sono realizzati in lega di alluminio A 6082 come pure le flange di collegamento e gli elementi di sostegno Ulteriori analisi termiche verranno avanzate nel prossimo capitolo al fine di verificare la resistenza degli elementi di collegamento che si trovano accoppiati alla camera di diagnostica nel quale agiscono contemporaneamente la Farady Cup e il Beam Profiler 5 7 Conclusioni In questo capitolo si affrontata una progettazione completa del Beam Profiler nella soluzione a filo rotante partendo da un model
197. iale 7 105 IGESIN distanziale cpy 8 105 IGESIN distanziale_t igs IGESIN disco coll igs IGESIN blocco igs IGESIN albero igs FINISH lexits normally from a processor PARAMETERS IMPORT PREP7 lenters the model creation preprocessor SET rc 18 1E 3 lenter the radius of beam at INPUT m SET rb 16 1E 3 enter the radius of beam collimated SET sc 0 3 1E 3 enter the disk_collimator thickness SET s 1 2 1E 3 enter the discs thickness SET pc 30 enter the power of disk_collimator W 318 SET p1 800 enter the power of disk 1 W SET p2 800 enter the power of disk 2 W SET p3 800 enter the power of disk 3 W SET p4 800 lenter the power of disk 4 W SET p5 800 lenter the power of disk 5 W SET p6 800 enter the power of disk 6 W SET p7 800 enter the power of disk 7 W SET p8 800 enter the power of disk 8 W SET p9 800 lenter the power of disk 9 W SET p10 800 lenter the power of disk 10 W SET pi 3 141592653589793 pi greco SET vo pi rc rc sc calculate the entities of volume intersections m 3 SET v pi rb rb s calculate the entities of volume intersections m 3 SCALING AND GLUE PROCESS ALLSEL ALL geometry model scaling VLSCALE ALL 0 001 0 001 0 001 0 1 Iscaling geometry from mm to m ALLSEL ALL VGLUE 4 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 joint the selected volumes VGLUE 1 5 VGLUE 27 28 NUMCMP VOLU compressed entity number NUMCMP AREA NUMCMP L
198. iali presenti la co presenza di diversi materiali infatti pu favorire in prossimit delle zone di contatto fenomeni localizzati di interazione che possono compromettere l integrit strutturale anche a temperature inferiori ai punti di fusione dei singoli materiali per questo motivo in misura cautelativa vengono considerate queste temperature di riferimento come limiti operativi Sono stati realizzati dei programmi APDL che riassumono i comandi per l esecuzione delle analisi termiche mediante codice di calcolo ANSYS Per consultare il listato dei comandi implementati e le caratteristiche dei materiali si rimanda all appendice In tutte le analisi si scelto di discretizzare il modello con l elemento volumetrico SOLID 90 gi utilizzato e descritto in precedenza nell analisi termica preliminare Dunque utilizzando il codice di calcolo ANSYS sono state eseguite diverse analisi termiche con diverso grado di raffinamento della mesh per poter svolgere l analisi di convergenza 61 In particolare per ogni analisi sono stati eseguiti dei path preferenziali radiali longitudinali che si appoggiano sulla geometria del modello in questo modo stato possibile verificare la convergenza dei valori registrati su pi punti d interesse contemporaneamente e poter quindi rafforzare l attendibilit dei dati ottenuti Analogamente a quanto fatto nell analisi termica preliminare stato applicato un carico termico complessivo di 3 kW
199. ibiti dai vincoli imposti infatti le alte temperature raggiunte nel dispositivo fanno si che tali componenti si dilatino in senso radiale assieme ai dischi collimatori 71 In particolare gli isolatori che insistono sulla superficie interna della camera di alluminio risultano essere gli elementi pi sollecitati della catena poich bloccano le dilatazioni radiali degli altri elementi collegati in serie e non risultano verificati Per ovviare al problema si pensato di adottare un elemento elastico in grado di rilassare le tensioni nascenti negli isolatori e nelle viti in modo da garantire un funzionamento in condizioni di sicurezza In particolare una possibile soluzione stata quella di interporre delle placchette di forma rettangolare tra gli isolatori e la camera esterna che sfruttino l effetto flessionale tali elementi assimilabili a travi inflesse caricate in mezzeria permettono al sistema di dilatarsi in senso radiale e nel contempo rilassano le tensioni negli elementi terminali entro valori cautelativi La definizione dell elemento elastico in questione comporta e Definizione della geometria e Scelta del materiale La definizione di questi parametri di fondamentale importanza poich entrambi influiscono sulla rigidezza dell elemento stesso Nel caso in esame un elemento rigido si rende necessario per limitare le frecce prodotte dalla dilatazione termica mentre un elemento flessibile indispensabile per ovviare a
200. ici 87 Nella Figura 3 9 rappresentato il petalo in grafite realizzato mediante elettroerosione nel quale si possono notare 1 fori filettati in corrispondenza delle superfici curve la vite di supporto realizzata in tantalio accoppiata e l isolatore ceramico in allumina A 205 Figura 3 9 vista del petalo in grafite con vite di sostegno ed isolatore Per quanto riguarda i terminali elettrici si scelto di realizzarli con lamine di tantalio di spessore pari a 0 3 mm vista l elevata lavorabilit e l elevata resistenza termica di questo materiale costituite da 2 elementi sovrapposti queste lamine sono utilizzate unicamente per il trasporto della potenza elettrica dunque le loro rigidezze sono tali da non ostacolare le dilatazioni termiche dell elemento in grafite per non compromettere i risultati del test Quindi le lamine sono state opportunamente sagomate al fine di garantire una buona aderenza con le superfici curve del petalo in modo da generare un buon contatto elettrico nonch assicurare continuit al passaggio di corrente In particolare e La lamina superiore stata fissata ad un supporto opportunamente sagomato e realizzato in acciaio AISI 316 mediante accoppiamento con viti Figura 3 10 a sua volta tale supporto vincolato alla box in acciaio risulta solidale alla piastra della camera in alluminio che rappresenta la massa del circuito elettrico assieme al telaio di supporto 88 Figura 3
201. ici che riassumono il sistema di raffreddamento in particolare sono state assegnate delle temperature sulla faccia posteriore della box di acciaio che si trova a contatto con la piastra raffreddata della camera e sulle superfici curve del connettore elettrico in corrispondenza di dove va ad innestarsi il puntale elettrico raffreddato Sempre in prossimit delle stesse interfacce sono stati applicati i carichi elettrici in particolare la box in acciaio stata vincolata ad un potenziale nullo essendo quest ultima a contatto con la camera che rappresenta la massa del circuito elettrico mentre per quanto riguarda l assegnazione della corrente non conoscendola a priori si deciso di applicare in corrispondenza del connettore elettrico una grandezza vettoriale variabile Assegnando dunque una serie di correnti in determinati periodi di tempo stato possibile ottenere i rispettivi andamenti di temperatura e potenziale elettrico mediante un unica condizione di carico assegnata Al riguardo sono state assegnate delle correnti rispettivamente di 400A 500A e 600A applicate in periodi di tempo di 2000s dovendo raggiungere di volta in volta le condizioni di regime termico e non conoscendo a priori l inerzia termica del sistema In seguito sono riportati gli andamenti di temperatura Figura 3 20 e del potenziale elettrico Figura 3 21 che risultano dall analisi nel caso in cui 600A mentre nella Tabella 3 1 sono riassunti i le temperat
202. ienti da opportune sorgenti In questi scanner rotanti le sonde si muovono periodicamente eseguendo movimenti angolari intercettando il fascio in maniera trasversale in diverse configurazioni angolari Quindi la corrente prodotta dagli elettroni secondari generati amplificata e visualizzata grazie ad un oscilloscopio quest ultimo in grado di generare un profilo dimensionale della distribuzione della densit di corrente del fascio a seconda delle posizioni angolari occupate dal filo nel tempo Comunemente sono richiesti 2 fili per la scansione del profilo in 2 dimensioni tuttavia si pu dimostrare che un solo filo opportunamente sagomato comuque in grado di fornire una scansione bi dimensionale del profilo Figura 5 5 Tale aspetto semplifica la progettazione del sistema che si intende sviluppare perch permette di realizzare un dispositivo costruttivamente semplice caratterizzato dall avere un numero ridotto di componenti 147 1 Connector 2 Wire 0 position 3 Wire in 180 position 4 Potentiometer 5 Motor Figura 5 5 schema del Beam Profiler nella soluzione con un solo filo rotante Quindi per assolvere alla funzione richiesta il filo dev essere sagomato secondo una tipica forma elicoidale In riferimento alla Figura 5 5 l intercettazione del fascio con il piano 2 rappresentata da un ellisse avente l asse 2 ortogonale all asse del fascio a sua volta inclinato di 45 rispetto
203. iepilogo della richiesta effettuata e viene chiesto di confermare la procedura cliccando su un link sottostante admin Home Brovese VO Configuration Into Request membership Other VOs on this server Confirmation required An has been sent to you with instructions on how to proceed with the registration for the gndit VO Please follow the instructions before the followmg date 11 11 2013 03 49 18 PM CET Of your request will be discarded by voms admin Figura D 6 conferma della richiesta di accesso alla VO Se si clicca sul link presente nella mail apparir la schermata di Figura D 7 Dopo un certo periodo arriver dagli amministratori della VO una mail che conferma l iscrizione al gruppo Nel caso tardasse ad arrivare si pu sollecitarne la notifica inviando una mail all amministratore di competenza si pu chiedere al superiore del proprio ufficio a chi rivolgersi Quando stata confermata l iscrizione si pu passare all iscrizione al portale Grid Potrebbe arrivare una mail da un membro del CNAF che richiede di specificare le motivazioni per la registrazione alla VO gridit si pu rispondere scrivendo di essere un tesista presso INFN LNL e che necessaria l iscrizione al gruppo gridit ansys per poter lanciare simulazioni con Ansys VOMS Home Browse VO Configuration Info Request membership Other VOs on this server Current user CN Nome Cognome
204. igh current beam profile monitor TRIUMF Design note 1986 D G Seely Rotating dual wire beam profile monitor optimized for use in merged beams experiments Nuclear Intruments and Methods 69 75 585 2008 http www directindustry it prod smc france attuatori pneumatici rulli paletta 16465 1225979 html 169 170 CAPITOLO 6 Modellazione del Front End protonico 6 1 Introduzione In questo capitolo verranno descritte le fasi di modellazione seguite per lo sviluppo del Front End protonico in vista della sua realizzazione esse prevedono l accoppiamento dei dispositivi definiti nei capitoli precedenti oltre che la definizione degli elementi di sostegno e di collegamento necessari Come si potr meglio apprendere in seguito le geometrie degli strumenti definiti hanno subito alcune modifiche marginali per risolvere alcuni inconvenienti occorsi all accoppiamento tra le parti che saranno opportunamente giustificate e descritte nei prossimi paragrafi Inoltre opportune analisi termiche si rendono necessarie per verificare la resistenza degli elementi presenti nella camera di diagnostica nel quale agiscono contemporaneamente la Farady Cup e il Beam Profiler 6 2 Definizione del sistema di supporto Il sistema dedicato al sostegno dei dispositivi opportunamente descritti nei capitoli precedenti riveste un importanza fondamentale in quanto deve soddisfare le seguenti caratteristiche e Il sistema di supporto deve
205. igura 2 25 si evince come tale sistema di raffreddamento si rende indispensabile dal punto di vista funzionale infatti esso in grado di smaltire la potenza termica in misura sufficiente per abbattere il campo di temperatura raggiunto nella flangia facendo pervenire le temperature entro valori ragguardevoli nei confronti delle guarnizioni utilizzate Nell ultima soluzione infatti si nota come le temperature massime raggiunte non superano i 50 C rispetto ai 190 C riscontrati nella soluzione precedente 66 Figura 2 25 Campo di temperatura della flangia raffreddata C 2 9 Analisi strutturale L analisi strutturale del collimatore si pone l obiettivo di valutare le tensioni e le deformazioni dovute ai gradienti termici nascenti al fine di verificare la resistenza meccanica dei singoli componenti Lo stato tensionale locale pu essere riassunto da una tensione ideale di riferimento o g per esempio secondo l approccio di Von Mises questa vale 2 16 idyM Cor 03 010 0103 0203 2 16 dove 02 sono le tensioni principali rispetto a un sistema di riferimento principale La verifica strutturale deriva dal confronto diretto delle tensioni massime registrate riassunte dalle tensioni ideali ojgyy con le tensioni ammissibili ogam che dipendono dai materiali impiegati quindi per non compromettere l integrit fisica del sistema e garantire nel contempo la funzionalit dell apparato i
206. il calcolo della velocit minima di azionamento Vmin si rende necessario analizzare la cinematica del movimento eseguito durante il processo di scansione Figura 5 20 180 F 0 Figura 5 20 schema del movimento eseguito dal filo nel processo di scansione 161 In riferimento allo schema rappresentato possibile individuare i punti di lavoro iniziale e finale del filo che caratterizzano il processo di scansione indicati rispettivamente con le lettere J ed F Per determinare lo spazio s percorso dal filo durante tale processo occorre valutare l angolo sotteso ai segmenti e OI In particolare si hanno 1 seguenti valori per i segmenti indicati 5 2 35 I 17 5 mm 32 ra 16mm 5 2 OA 417 5 162 7 1mm Pertanto il valore dell angolo 0 calcolato come 5 3 0 t EI UND 16MM ee 1 15 d tan Da an 66 1 1 15 5 3 E lo spazio percorso s dal filo nel processo di scansione risulta pari a 5 4 s IF 20 01 2 3 17 5 40 38 5 4 Dunque la velocit di azionamento cercata definita lo spazio percorso nell unit di tempo ovvero secondo la 5 5 s 40 38 075 Vmin 57 69 mm s 5 5 Che corrisponde ad una velocita di rotazione pari a 5 6 20 2 1 15 rad 3 29 rad s Nmin 31 42 RPM Wmin 162 Tale risultato rappresenta dunque un valore indicativo di soglia che limita il campo di funzionam
207. il codice agli elementi finiti E stato quindi realizzato un programma APDL che riassume i comandi per l esecuzione dell analisi mediante il codice di calcolo ANSYS Quindi dopo aver importato i files IGS del modello 3D sono state importate le caratteristiche dei materiali e definite le emissivit delle parti interessate da scambio termico per irraggiamento Per consultare il listato dei comandi implementati e le caratteristiche dei materiali si rimanda all appendice Nel modello stata applicata una potenza complessiva di 8 AW in corrispondenza del volume intercettato dal fascio protonico Db 32 mm ed stata equamente ripartita nei 10 dischi in grafite In questa simulazione non stato considerato il sistema di raffreddamento ma solo il contributo dovuto all ambiente esterno che lambisce la superficie esterna della camera al fine di avere un confronto diretto con l analisi preliminare svolta precedentemente Nell analisi termica si scelto di discretizzare il modello con elementi volumetrici SOLID 90 quadrangolari nei limiti consentiti dalla geometria del sistema Quindi stata generata una mesh in Figura 4 12 con elementi aventi una dimensione media L 10 mm per la camera esterna ed L 4 mm per gli elementi interni 132 1 ELEMENTS MAY 8 2014 11 27 33 Figura 4 12 vista in sezione della mesh utilizzata AN o NODAL SOLUTION MAY 8 2014 STEP 1 10 10 09 SUB 86 TIME 5000 TEMP AVG RSYS 0 SMN 451
208. in their relative orientations to one another This can be achieved by scribing a line across all three adjoining end faces before dismantling the drive The three components should be re aligned on reassembly Disassemble as follows 1 Mark a line if required as described in the note above 2 Unscrew 3 turns the three M4 radial grub screws that secure the position lock vernier ring to the bearing housing Move the ring toward the vacuum flange 3 Unscrew 3 turns the three M4 radial grub screws now visible that secure the handwheel bearing assembly to the stainless steel body 4 Ease the handwheel bearing assembly from the drive unit Note the handwheel orientation relative to the bellows bearing offset 274 Diam 15 5 Tapped M4 X 9mm Deep 34mm OD Flange Figure 1 The RD91 rotary drive 5 Remove the position lock ring completely from the drive 6 Remove the circlip and the bearing from the bellows end 7 The drive is now ready for bakeout up to 400 C maximum After bakeout reassemble as follows 8 The bellows end must be at room temperature before reassembly see section 2 3 1 9 Reassemble the drive following the reverse procedure of items 1 to 6 described above During reassemble the user should note the following a The handwheel orientation relative to the bellows offset should be the same as before removal b The items should be assembled with care and must not be forced together c Ensure that
209. ingoli componenti Dai risultati si nota come le temperature siano risultate complessivamente pi basse rispetto all analisi termica precedente in particolare per 1 dischi in grafite si registrata una temperatura massima di 986 C contro i 2658 C pervenuti precedentemente Dunque il modello concepito nell ultima soluzione che vede l utilizzo del sistema di raffreddamento risulta verificato termicamente poich le temperature massime registrate risultano inferiori rispetto ai valori limiti 4 13 Tmax lt 4 13 4 5 4 Analisi strutturale In riferimento allo stesso modello utilizzato per le analisi termiche descritte precedentemente stata eseguita un analisi strutturale necessaria per valutare le tensioni le deformazioni nascenti al fine di verificare la resistenza meccanica dell intero sistema Analogamente a quanto fatto per la verifica strutturale del collimatore viene considerato l approccio di Von Mises come criterio di resistenza secondo cui le tensioni massime registrate riassunte dalle tensioni ideali ojgyy vengono confrontate con le tensioni ammissibili che dipendono dai materiali impiegati quindi per non compromettere l integrit fisica del sistema e garantire nel contempo la funzionalit dell apparato in condizioni di sicurezza necessario verificare per ogni componente del sistema la seguente relazione 4 14 137 Oid vM lt Oadm 4 14 Per la descrizione del me
210. inire i parametri costruttivi che caratterizzano la geometria delle placchette realizzate in molibdeno si reso necessario uno studio teorico preliminare che tenga presente degli sforzi che nascono per effetto delle dilatazioni termiche prodotte Il modello teorico aprossimato rappresentato in Figura 2 26 e considera le seguenti ipotesi semplificative e Comportamento linearmente elastico del materiale e Dilatazioni termiche puramente radiali Figura 2 26 schema del modello teorico Le placchette utilizzate come elementi elastici sono assimilabili a travi inflesse appaggiate agli estremi e caricate in mezzeria ortogonalmente I parametri dimensionali che caratterizzano la loro geometria sono e h spessore e b larghezza e lunghezza Note le caratteristiche del materiale e la geometria delle stesse possibile calcolare la rigidezza trasversale 2 19 come 48 EI pe 2 19 dove E rappresenta il modulo elastico longitudinale J il momento d inerzia della sezione trasversale calcolato rispetto all asse neutro 2 20 73 b h 1 2 2 20 A questo punto nota la rigidezza del sistema Kr possibile calcolare il carico equivalente F applicato in mezzeria che riassume l effetto delle dilatazioni termiche radiali prodotte 2 21 2 21 In particolare sfruttando le analisi strutturali precedentemente svolte e modificando le condizioni di vincolo possibile stimare le
211. inizione delle geometrie dei dischi riferimento al modello semplificato descritto nel paragrafo precedente per poi giungere alla modellazione della camera esterna provvista di un opportuno sistema di raffreddamento In riferimento al modello semplificato le temperature raggiunte nei dischi ampiamente al di sotto dei limiti prescritti hanno permesso di ridurre l ingombro radiale del sistema realizzando un dispositivo pi compatto in particolare per la camera stato considerato un profilo tubolare avente diametro interno D 00mm mentre per i dischi collimatori si adottato un diametro esterno De 95mm realizzando quindi un lasco con la camera di 2 5mm in senso radiale pi che sufficiente per assicurare l isolamento elettrico Per quanto riguarda ciascun disco la problematica fondamentale ha riguardato la definizione di un opportuno sistema di fissaggio e posizionamento all interno della camera per le operazioni di calibratura 49 Inoltre per ognuno dev essere garantito l isolamento elettrico rispetto al tubo esterno giacch in esso circoler una corrente elettrica caratteristica del fascio protonico che dev essere misurata opportunamente Tra le diverse alternative proposte stata considerata la soluzione di seguito rappresentata Figura 2 11 Graphite disk t Alumina insulator gt Tantalum screw 1 Figura 2 11 particolare del sistema del disco collimatore con sistema di fissaggio Il sistema di fissaggi
212. io 173 6 3 Definizione del sistema di pompaggio Il sistema di pompaggio utilizzato per il raggiungimento del vuoto necessario inferiore a 10 mbar prevede l utilizzo di una pompa turbomolecolare Errore L origine riferimento non stata trovata accoppiata ad una pompa secondaria utilizzata per il raggiungimento del pre vuoto Considerando l ingombro complessivo del gruppo di pompaggio si ritenuto opportuno collocare l intero sistema nella parte sottostante della struttura portante visto lo spazio sufficiente presente Errore L origine riferimento non stata trovata Figura 6 3 pompa turbomolecolare ADIXEN Alcatel sinistra e descrizione dei componenti presenti destra Inoltre collegata alla pompa turbomolecolare previsto l accoppiamento di una valvola in grado di abilitare e disabilitare all occorrenza il gruppo di pompaggio dal resto del sistema La valvola richiesta dev essere interamente realizzata in metallo viste le alte dosi di radiazioni presenti per non compromettere l integrit fisica dei componenti che la costituiscono mentre l azionamento della stessa garantito da un attuatore pneumatico accoppiato Dunque la soluzione commerciale che meglio si adatta alle esigenze specifiche rappresentata in Figura 6 4 per la consultazione delle caratteristiche tecniche si rimanda alla lettura del datasheet presente negli allegati 174 Figura 6 4 vista della valvola utilizzata VAT 100 all
213. ipale quella di accoppiare la camera target al Front End attraverso tutte le connessioni pneumatiche ed elettriche ed estrarre attraverso l elettrodo estrattore il fascio radioattivo Questa zona prossime alla camera viene sostituita ogni 7 anni di lavoro mentre il resto del Front End telaio fisso a una distanza tale per cui accettabile il danneggiamento da radiazione Il telaio fisso assicurato a terra tramite dei piedini regolabili in altezza che poggiano su basi che consentono un buon allineamento dell intera struttura al piano di appoggio qui alloggiano il gruppo di quadripoli elettrostatici che focalizzano il fascio radioattivo 1 2 2 4 Il target di produzione ed il sistema di estrazione e ionizzazione Sia il target di produzione dei radioisotopi sia il sistema di estrazione e ionizzazione degli stessi sono contenuti all interno di una camera di forma cilindrica camera target la quale viene raffreddata mediante un opportuno circuito viste le elevate potenze in gioco vedi Figura 1 8 EXTRACTION AND IONIZATION SYSTEM TARGET COVER 5 Figura 1 8 Configurazione della camera target 16 Sempre a causa delle alte temperature per evitare l ossidazione dei componenti presenti l interno della camera viene mantenuto in condizioni di alto vuoto con pressione dell ordine dei 10 mbar la mancanza di atmosfera inoltre necessaria per aumentare il cammino libero medio delle particelle radioatti
214. ipio di funzionamento e schematizzato in Figura 1 13 oggi il piu potente strumento per la produzione di fasci di ioni radioattivi per le facilities di tipo ISOL in quanto fornisce un processo di ionizzazione selettiva e garantisce la soppressione di contaminazioni indesiderate a livello della sorgente di ionizzazione Vale la pena notare che il metodo RILIS utilizza la stessa architettura della tecnica di ionizzazione superficiale Un laser caratterizzato dalla sovrapposizione di piu raggi due o tre a seconda dell elemento chimico da ionizzare aventi lunghezze d onda differenti corrispondenti a diversi valori energetici E hf dove A e la costante di Planck ed fe la frequenza d onda viene proiettato all interno della hot cavity Tale laser irradia gli isotopi e fornisce loro l energia necessaria per far compiere all elettrone piu esterno dei salti quantici verso orbitali piu esterni fino alla separazione dall atomo in questo modo si ha la formazione di uno ione positivo 1 2 22 La metodologia di ionizzazione RILIS permette di acquisire soltanto ioni radioattivi della specie di interesse e si riesce quindi ad ottenere un fascio nel quale le contaminazioni sono minime In ogni caso visto che la sorgente la medesima di quella superficiale con il tantalio invece del renio per la sua minore funzione di lavoro saranno presenti le stesse specie della SIS Il fascio sar in ogni caso contaminato da specie non volute Per risol
215. ire l origine di queste assunzioni e pervenire cos all unificazione delle interazioni fondamentali Tali esperimenti prevedono precise misure delle propriet di decadimento di alcuni nuclei che possono essere effettuate proprio utilizzando come sorgente pura di ioni 1 fasci di ioni radioattivi prodotti dalle facilities Studio della struttura di nuclei complessi I nucleoni protoni e neutroni sono costituiti da subparticelle chiamate quark esse esercitano un effetto fisico anche oltre 1 nucleoni nei quali sono confinati in particolare le interazioni tra i nucleoni all interno del nucleo sono diverse da quelle esistenti tra due nucleoni liberi in quanto esse dipendono anche dalla densit di protoni e neutroni associata al particolare tipo di nucleo AI momento non esiste una formula generale che consenta di quantificare l entit delle interazioni nucleari per tutti i nuclei rappresentati nella Figura 1 2 in quanto i calcoli quantomeccanici sono applicabili unicamente ai nuclei pi leggeri l obiettivo della fisica nucleare di ottenere una trattazione unitaria che a permetta di derivare l effettiva interazione tra le particelle nucleari b elimini le incongruenze dei modelli correnti c sia applicabile anche ai nuclei aventi rapporto protoni neutroni estremo nuclei esotici A questo proposito i fasci di ioni radioattivi possono fornire un prezioso contributo 27 Misura della dimensione del nucleo i nucl
216. iscono il rilevatore ogni coppia di fotoni individua una retta si pu ricostruire la posizione del corpo da cui sono stati emessi teoricamente con due coppie di fotoni e dunque con due rette possibile individuare 11 punto di emissione dei fotoni permettendo la determinazione dell attivit o dell utilizzo chimico all interno delle parti del corpo investigate Lo scanner utilizza la rilevazione delle coppie di fotoni per mappare la densit dell isotopo nel corpo la mappa risultante rappresenta i tessuti in cui la molecola campione si maggiormente concentrata e viene letta e interpretata da uno specialista in medicina nucleare o in radiologia al fine di determinare una diagnosi ed il conseguente trattamento Spesso e sempre pi frequentemente le scansioni della Tomografia a Emissione di Positroni sono raffrontate con le scansioni a Risonanza Magnetica Nucleare fornendo informazioni sia anatomiche e morfologiche sia metaboliche in sostanza su come il tessuto o l organo siano conformati e su cosa stiano facendo La PET usata estensivamente in oncologia clinica per avere rappresentazioni dei tumori e per la ricerca di metastasi e nelle ricerche cardiologiche e neurologiche Figura 1 22 Coincidence Processing Unit Sinogram Listmode Data Annihilation Image Reconstruction Figura 1 22 Schema riassuntivo della tecnica di analisi PET e modalita di acquisizione e presentazione dei dati 33 Ad ogni modo mentre gl
217. ista del sistema di movimentazione adottato Il dispositivo costituito da un attuatore pneumatico rotativo in presa diretta con una madrevite a sua volta supportata alle estremit con opportuni cuscinetti volventi la scelta di un sistema rotativo si ritiene opportuna per garantire una certa precisione di posizionamento superiore rispetto a quella conferita da un semplice attuatore lineare per conoscere le caratteristiche del motore considerato si rimanda alla consultazione del datasheet presente negli allegati Dunque una chiocciola si rende necessaria per la trasformazione del moto rotatorio in moto lineare quest ultima fissata ad una guida che si presta a garantire la rettilineit del movimento con un certo grado di precisione 178 Sempre nella chiocciola fissata l asta di sollevamento al quale saldamente collegata la Faraday Cup in corrispondenza dell estremit libera un soffietto metallico assieme alle guarnizioni opportunamente sagomate si rendono necessari per assecondare il movimento dell asta e per garantire le condizioni di vuoto in corrispondenza del passante realizzato nella flangia di accoppiamento Inoltre il passo ridotto della madrevite tale da impedire il moto retrogrado prodotto dal carico ad essa collegato infatti nell eventualit in cui venisse a mancare l alimentazione dell aria compressa l effetto dell attrito statico che si realizza in corrispondenza del filetto assicura la Fara
218. istalli che determina il riscaldamento Le onde nella regione compresa fra 2 e 30 um e pi specificatamente sotto i 10 um sono le pi importanti nel riscaldamento nel raffreddamento e nelle applicazioni termiche quali l essicazione La frequenza intrinseca di una molecola dipende dalla sua struttura quando questa frequenza si sincronizza con quella della radiazione far IR questa viene facilmente assorbita causando un aumento della temperatura del materiale Molti materiali resine polimeri fibre cibi ecc riescono ad assorbire facilmente le radiazioni far IR determinando un riscaldamento ed una essiccazione efficiente poich l Alumite irradia fortemente nella regione far IR con una emissivit media del 90 sulle lunghezze d onda compresa tra 2 30 um questo risulta essere un materiale ottimale per migliorare l efficienza e l alta emissivit nella banda far IR infrarosso lontano di questo mteriale un diretto risultato della composizione chimica e della complessa forma fisica del film superficiale anodizzato In esso l emissione di radiazioni infrarosse molto simile a quella di un corpo nero in un ampia gamma di temperatura tipicamente 50 450 C e l emissivit relativamente costante nella stessa gamma di temperature 221 Facendo il confronto con l alluminio non trattato e acciaio che hanno entrambi valori di emissivit intorno al 10 15 l emissivit del 90 caratteristica dell Alumite fa si che contraria
219. istema risulta essere pi sicuro in termini di tenuta rispetto alla soluzione precedente dato che il circuito situato esternamente e non vi alcuna possibilit che l acqua entri in contatto con il volume interno della camera Inoltre nella versione precedente l azione del sistema di raffreddamento era limitata al corpo in rame della Faraday Cup mentre nella nuova soluzione riguarda l intera camera quindi risulta essere pi efficace 4 5 1 Analisi termica preliminare Come stato accennato nei paragrafi precedenti il corpo della Faraday Cup costituisce essere la parte fondamentale del dispositivo in quanto rappresenta il bersaglio che intercetta trasversalmente il fascio protonico e ne rileva le caratteristiche mediante misure di corrente Dunque la progettazione di dettaglio focalizzata innanzitutto sulla definizione della geometria che tale componente dovr assumere e le modifiche apportate opportunamente giustificate sono accompagnate di volta in volta da opportune analisi termo strutturali al fine di garantire le funzionalit dello strumento in corso di definizione Si vuole realizzare tale componente interamente in grafite per 1 motivi elencati precedentemente dunque si perviene dapprima ad una geometria semplificata del corpo rappresentato da un blocco di forma cilindrica In particolare il diametro dev essere maggiore del diametro dello spot che caratterizza il fascio De 70 mm mentre lo spessore del blocco deve
220. l problema delle tensioni prodotte troppo elevate Dunque la soluzione ottimale di compromesso sar quella che soddisfa al meglio entrambi questi aspetti a partire dalla geometria e dalle caratteristiche del materiale Al riguardo sono state eseguite diverse analisi per valutare gli sforzi e le dilatazioni che caratterizzano l elemento elastico considerando geometrie e materiali differenti Per quanto riguarda la scelta del materiale sono state confrontate le caratteristiche meccaniche di 2 metalli refrattari candidati il tantalio e il molibdeno Si osserva come alle alte temperature il molibdeno conservi meglio le propriet elastiche rispetto al tantalio assieme alle altre caratteristiche di resistenza meccanica infatti il modulo elastico longitudinale risulta essere maggiore rispetto a quello del tantalio alla temperatura di 1000 C 276 GPa contro 154 GPa dunque il molibdeno per l applicazione specifica si rivela pi idoneo Per quanto riguarda le definizione della geometria si optato per una forma parallelepipeda vista la semplicit di realizzazione e le variazioni dei 3 parametri costruttivi base altezza e profondit incidono sensibilmente sulla rigidezza del componente Per poter definire con miglior accuratezza la geometria dell elemento in corso di definizione stato generato un modello teorico preliminare descritto nel paragrafo seguente 72 2 9 1 Modello teorico per la definizione degli elementi elastici AI fine di def
221. le acting compact without solenoid valve with position indicator Bellows Standard lt 1 10 mbar Is lt 1 10 mbar Is to 2 bar abs 1 bar lt 2 bar lt 500 mbar 1 bar with reduced cycle life 1 400 Is 20 000 lt 300 C lt 200 C for max 100h lt 80 lt 50 C h 1 4435 AISI 316 L 1 4435 ESU AISI 316 L ESR 1 4435 AISI 316 L 1 4435 AISI 316 L 1 4435 AISI 316 L metal silver plated metal silver plated FKM Viton any 10 Gy 10 rad 10 Gy 107 rad 10 Gy 107 rad 141 0 049 f 4 8 bar 58 116 psig R USA NPT 40sec lt 40 sec Weight 27 kg 60165 Behavior in case of Valve closed Valve remains in closed position compressed air pressure Valve open Undefined drop Behavior in case of power Depending on control failure Related documents Dimensional drawing No 400589A Electrical connections Position indicator Type micro switch Voltage lt 50 V AC DC Current max lt 12 p OPEN Wiring diagram Design With compact actuator With extended actuator type 48 E7 type 48 E Figure 3 1 1 Actuator 4 Sealing surface 2 Valve body 5 Distance piece 3 Connecting flange 279 BIBLIOGRAFIA http www lesker com http www ingenieurparadies de http www fiamairtools com http www vgscienta com http www comvat com 9 http
222. legarsi al sito Attps security fi infn it CA RA e controllare la lista dei dipartimenti di INFN e cercare il nome delle persone competenti Una volta accertata l identit del richiedente si riceveranno due mail Nella prima proveniente da INFN CA contenuto il riepilogo della richiesta di certificato La seconda inoltrata dal personale della Registration Authority e contiene i dati che si dovranno immettere alla pagina si cliccando sul link seguente https security fi infn it CA mgt restricted ucert php A questo indirizzo si presenter una schermata da cui scaricare il certificato della INFN Certification Authority Si devono quindi compilare i campi del modulo con i dati ricevuti nell e mail dal personale della Registration Authority compreso il codice identificativo da inserire nella casella ID Lasciare il KeySize come di default su High Grade Figura D 3 251 Figura D 3 richiesta di certificato Le successive operazioni devono essere eseguite con lo stesso browser con cui si scaricato il certificato i passaggi descritti in seguito fanno riferimento al browser Mozilla Firefox Una volta inviata la richiesta di certificato personale si ricever una nuova mail da INFN CA con le istruzioni per scaricarlo questa mail dovrebbe arrivare entro qualche ora Per assicurarsi di aver svolto correttamente le operazioni controllare alla voce opzioni del browser utilizzato Le operazioni successive vanno segui
223. lettrici e confrontati con i valori pervenuti dalle analisi FEM precedenti Nella Figura 3 30 sottostante rappresentato il confronto fra le temperature registrate 103 VIV TIC Trem 50 0 21 0 08 93 37 3 3E 6 100 0 46 0 19 182 00 3 1E 6 150 0 75 0 36 315 00 6 2E 6 200 1 06 0 59 i 438 00 6 6 250 1 42 0 83 662 00 537 00 6 2E 6 300 1 83 1 10 746 00 622 00 6 6 350 231 1 38 830 00 701 00 728 6 400 2 84 1 69 914 00 777 00 8 3E 6 450 3 39 2 02 990 00 848 00 1 2E 5 500 3 94 2 36 1080 00 916 00 6 2E 6 550 202 981 00 600 3 10 1044 00 Tabella 3 4 confronto tra i risultati FEM e i risultati sperimentali TEST 2 1200 1080 1000 800 52 600 400 200 2 7 0 200 250 300 350 400 450 500 550 I A Figura 3 30 confronto tra le temperature registrate Dai risultati ottenuti si evince come i valori dei potenziali misurati siano leggermente migliorati rispetto al primo test eseguito poich si avvicinano seppur di poco ai valori pervenuti nelle analisi FEM Tale aspetto giustifica un un miglior contatto elettrico realizzato tra le lamine e il petalo tuttavia si riscontrano ancora delle differenze importanti nelle temperature rilevate rispetto ai risultati delle analisi 104 Inoltre durante l esecuzione del secondo test si riscontrata la rottura della lamina
224. lisi A e D sono dovute alla minor superficie coinvolta nello scambio termico per irraggiamento e dunque le variazioni associate a queste ultime 3 analisi sono da imputare esclusivamente a fattori geometrici A 5 Trattamenti superficiali Nei paragrafi seguenti vengono descritti i trattamenti superficiali neccessari ad inalzare il valore di emissivit globale nelle leghe di alluminio nonch parametro determinante per lo smaltimento delle potenze termiche in gioco nei flussi radiattivi 51 Anodizzazione L anodizzazione detta anche ossidazione anodica un processo elettrochimico non spontaneo mediante il quale uno strato protettivo di ossido di alluminio si forma sulla superficie del materiale trattato Nel materiale avviene una vera e propria trasformazione superficiale il metallo nudo reagisce con l ossigeno che si sviluppa durante il processo di elettrodeposizione e forma ossido di alluminio o allumina Quando una corrente elettrica fornita da un circuito elettrico esterno catodo viene fatta circolare attraverso una cella elettrolitica nella quale l alluminio immerso in una soluzione acquosa funge da anodo polo positivo gli ioni negativi anioni formatisi dalla dissociazione soprattutto dell ossigeno migrano per attrazione tra le cariche opposte verso l anodo positivo l alluminio al quale cedono le cariche elettriche che trasportano lo strato depositato sulla superficie risulta essere uno strato di ossido di allumini
225. lla Figura possibile calcolare il valore di A e A 11 1 A R 0 sen0 2 A nR A 7 Figura C 3 vista dei parametri costruttivi considerati nell algoritmo Infine possibile calcolare il grado di riempimento F tale valore deve coincidere con quello scelto inizialmente 12 A F C 12 Nella Figura C 4 seguente sono riportate le caratteristiche fisico chimiche e meccaniche dell indio Resistivit elettrica ohm superconduttivo 3 38 K 9 x 10 a20 C 29 1 x 10 a154 C Coefficiente lineare di espansione termica 24 8 x 10 per 1 C em Resistenza a trazione da 380 a515 psi Resistenza a compressione 310 psi Allungamento da 22 41 Durezza Brinell 0 9 1 0 Modulo di elasticit 1 570 000 psi Pressione di vapore mm Hg Figura C 4 propriet dell indio 247 BIBLIOGRAFIA http www indiumwire com cryogenicvacuumseals html http www aimspecialty com Portals 0 Files Sealing With Indium pdf 2 http www omodeo it 248 APPENDICE D Porting del pacchetto software Ansys sull IGI GRID Portal D 1 Introduzione La Grid una rete planetaria che unisce e utilizza contemporaneamente la potenza di calcolo e la memoria di decine di migliaia di differenti computer sparsi nel mondo E stata sviluppata per immagazzinare e rendere accessibili i dati prodotti dall acceleratore LHC 15 milioni di gigabyte ogni an
226. llo della camera nella nuova versione rappresentata nella Figura 6 6 Handling FC Pump Figura 6 6 vista esplosa della camera adottata nel sistema di diagnostica Il sistema di raffreddamento adottato rimasto lo stesso della soluzione precedente tuttavia le analisi termiche si rendono necessarie per verificare l efficacia dello stesso giacch la potenza termica generata questa volta deve tener conto del Beam Profiler insieme alla Faraday Cup tali analisi saranno opportunamente descritte nei prossimi paragrafi 176 Inoltre in corrispondenza della superficie esterna della camera sono state praticate delle spianature per poter collocare le bussole di allineamento analoghe a quelle utilizzate nel collimatore necessarie nelle fasi preliminari di centratura della camera rispetto all asse del fascio protonico Infine il tubo di collegamento previsto per il Beam Profiler stato collocato in modo tale che l asse della sonda rotante sia distante 50 mm rispetto alla faccia anteriore della Faraday Cup dunque stata sviluppata una soluzione compatta della camera capace di contenere entrambi gli strumenti di diagnostica 6 4 2 Sviluppo del sistema di movimentazione della Faraday Cup Come stato accennato nel capitolo 4 la Faraday Cup un dispositivo di diagnostica in grado di eseguire movimenti lineari per poter intercettare il fascio in maniera trasversale Dunque lo sviluppo di un sistema dedicato alla movimentazione
227. lo preliminare fino allo sviluppo di un sistema completo e dettagliato La forma finale stata definita sulla base dei risultati pervenuti dalle analisi termiche eseguite che hanno offerto la possibilit di sviluppare un sistema non troppo distante dal design che assumer nella sua forma finale In particolare e L analisi termica preliminare si resa necessaria per verificare i livelli termici raggiunti dai componenti che costituiscono il sistema Quindi stato sviluppato un modello dettagliato in riferimento alle caratteristiche del fascio protonico considerato nel caso specifico e L analisi termica transitoria si resa necessaria per determinare il tempo massimo di surriscaldamento della sonda elicoidale nonch definire la velocit minima di azionamento in riferimento al movimento eseguito durante il processo di scansione e Sono stati definiti i sistemi di movimentazione e di acquisizione dei segnali assieme ai componenti di supporto e collegamento che si rendono necessari per garantire un corretto funzionamento del dispositivo secondo le funzionalit richieste 168 BIBLIOGRAFIA 1 B Wolf Handbook of ion sources CRC Press 1995 2 http www ntg de index php id 183 amp L 1 PET Physik Elektronik Technik Smetanaweg 6 D 64291 Darmstadt Germany G Hortig A beam scanner for two dimensional scanning with one rotating wire Nuclear Intruments and Methods 30 355 1964 P Bloemhard Z Gelbart H
228. lori e variazioni di temperatura degli oggetti indipendentemente dalla loro illuminazione nel campo del visibile Questa metodica sfrutta un noto principio della Fisica secondo cui qualunque corpo si trovi ad una temperatura maggiore dello zero assoluto 273 4 C emette energia sotto forma di radiazione infrarossa quindi non visibile Pi precisamente la quantit di radiazione emessa nello spettro infrarosso aumenta proporzionalmente alla quarta potenza della temperatura assoluta del corpo Legge di Stefan Boltzmann Per essere percepita e valutata questa emissione dev essere convertita in un segnale digitale che a sua volta permetter di visualizzare i dati in una forma numerica o grafica scala di falsi colori cos da formare l immagine termografica visibile all occhio umano Lo strumento che converte la radiazione infrarossa in un segnale digitale la termocamera che trasforma pertanto le normali foto in mappe di temperatura superficiale Figura A 12 USB SD Card Reader Carrying Case 12V Power Rechargeable Sunot Upply Battery IRI 4000 series Regional Thermal net Hi yd s A 128 MB min SD Card inside Lanyard USB Cable for Connection to a Figura A 12 Kit della Termocamera utilizzata IRISYS Multi Purpose Thermal Imagers IRI 4000 Series 231 La termografia consente l interpretazione dei meccanismi che producono irregolarit termiche e pertanto presuppone adeguate co
229. ls Figura D 25 schermata che permette di reimpostare le proprie credenziali Terminata una simulazione premendo il tasto Refresh apparir la barra verde con lo stato FINISHED al posto di quella rossa Figura D 26 NEW JOR Refresh Insert prova txt Insert input MISTE Nuova cartella tar 10 07 11 2012 01 29 00 Browne No file selected Upload Show Details a Resubmit this vali 1 Continue mis Download Browse No file selected Uploaa Outputs ma name insultato Sot Oupute Submit Download Partial CPU Number 2 Sat CPUltumbar Delete Figura D 26 schermata che informa l utente dell avvenuta soluzione A questo punto possibile scaricare un archivio contenente il file con i risultati premendo il tasto Download Outputs sulla destra Nell archivio sar presente il file database db con cui eseguire il post processing Per una corretta gestione del portale necessario relazionarsi con gli altri membri appartenenti ai LNL che usano tale piattaforma poich il numero di licenze di cui i laboratori possono disporre limitato perci non possibile sottomettere troppe simulazioni per volta pena la comparsa dello stato ERROR Si consiglia in generale di sottomettere sempre in media due simulazioni per volta e di non superare il numero di tre job sul portale Nel caso non si rinnovino le impostazioni del proxy prima della scadenza le simulazioni in corso continueranno fino al ter
230. ltire la potenza termica di irragiamento in maggior misura risulta essere particolarmente vantaggioso avere una superficie interna delle camere con elevata emissivit In questo paragrafo si vuole descrivere il test sperimentale eseguito per determinare l emissivit di un campione di lega di alluminio A 6082 sottoposto a sabbiatura superficiale e successivamente confrontata con l emissivit di un campione dello stesso materiale non trattato Il materiale dei campioni di riferimento lo stesso di quello adottato nelle analisi FEM per la discretizzazione delle camere Per il processo di sabbiatura si utilizzata una sabbia al corindone 80 e la pressione del getto risultata sufficientemente elevata per favorire l abrasione superficiale e la formazione di uno strato poroso e uniforme su tutta la superficie del campione Figura A 11 Figura A 11 confronto fra le superfici del campione lucido sinistra e il campione sottoposto a sabbiatura destra 230 A 6 1 Metodo termografico sperimentale Per determinare l emissivit dei campioni considerati si pu ricorrere al metodo termografico secondo cui il parametro considerato viene determinato mediante una termocamera La termografia una tecnica diagnostica non distruttiva che consente di determinare e visualizzare la temperatura superficiale di un qualunque corpo mediante la misurazione della radiazione infrarossa da esso emessa La termografia permette di visualizzare va
231. m ni kpnext 0 FK ni AMPS CURRENT ALLSEL FINISH SOLVER PROCESS SOLU SOLCONTROL ON solution defaults ANTYPE TRANS AUTOTS ON step DELTIM 0 0001 0 0001 1000 step OUTRES NSOL ALL TIME 18000 SAVE ALL SOLVE SAVE ALL FINISH Parte STRUTTURALE Struct exe Execute this APDL after thermo electric solution POST1 ALLSEL ALL SET LAST PREP7 LSCLEAR ALL ET 2 SOLID186 Iselects a subset of areas Iselects those nodes associated with the selected defines or modifies a set of coupled degrees c master node definition Ispecifies force loads at nodes selects all entities with a single command lexits normally from a processor lenters the solution processor Ispecifies whether to use optimized nonlinear land some enhanced internal solution algorithms specifies the analysis type and restart status luse automatic time stepping Ispecifies stepped or ramped loading within a load Ispecifies the time step sizes to be used for this load Icontrols the solution data written to the database sets the time for a load step Istarts a solution saves all current database information lexits normally from a processor lenter the post processor Enter in pre processor Define structural element type 315 EMODIF ALL TYPE 2 Modify element type on current mesh LDREAD TEMP LAST LAST 0 FILE RST USE M23A15083_ X EB mac calls macros of material properies USE M50SS316_EB mac
232. m 5 107 m s 0 05 l s 180 l h E quindi possibile stimare la sezione di deflusso A come 2 7 m 5 107 5 A 5 10 1 2 7 Per la sezione rettangolare di deflusso si considera per semplicit di realizzazione pratica una larghezza del canale pari al diametro della fresa utilizzata di conseguenza la profondit della cava univocamente determinata in base all area calcolata in particolare considero le 2 seguenti dimensioni 54 A b 10mm gt h z 5mm A questo punto possibile calcolare il diametro equivalente d che nel caso specifico vale 2 8 de po 7mm 2 8 Le propriet del fluido valutate alla temperatura in ingresso ti 20 C risultano Densit Conducibilit Viscosit Calore p Kg m A W mK Kg ms specifico cp J KgK 998 16 0 59842 0 0010016 4184 4 Lo stato medio del fluido quindi rappresentato dai seguenti numeri dimensionali termo fluidodinamici 2 9 0 007m 998 16Kg m 1m s 6643 77 i 0 0010016 Kg ms 4184 4J KgK 0 0010016Kg ms bet a 2 9 0 59842 W mK Nu 0 027 Re Pro 1014 0 027 6643 77098 7033 101 58 65 E quindi dalla definizione del numero di Nusselt Nu d A si ricava il coefficiente di convezione medio 2 10 5264 40 W m 2 10 e In riferimento alla potenza termica da smaltire Q 3000 W dalla relazione fondamen
233. me a quelli della camera in vista delle fasi preparatorie di controllo e pulizia Durante l ispezione dei componenti sono stati riscontrati alcuni problemi di carattere geometrico e funzionale che sono stati risolti con successo Innanzitutto stato ispezionato lo stato delle guarnizioni realizzate in VITON gran parte di queste hanno riscontrato dei danneggiamenti dovuti agli utilizzi precedenti quindi sono state sostituite assieme ad alcune viti che presentavano dei danneggiamenti in corrispondenza del gambo filettato Durante il collaudo del sistema di raffreddamento si sono riscontrate perdite di liquido in prossimit dei connettori idraulici queste erano dovute alle erosioni prodotte dall acqua negli utilizzi precedenti Ci da imputare probabilmente alle portate troppo elevate che localmente nelle zone ad elevata turbolenza hanno favorito a lungo andare l erosione del materiale dunque sono stati allargati gli alloggiamenti degli anelli elastici in modo da ripristinare la tenuta Figura 3 14 Figura 3 14 particolare dei connettori danneggiati e dell intervento eseguito destra b Sono state eseguite delle lavorazioni di accorciamento dei puntali elettrici della camera per favorire l accoppiamento degli stessi con i nuovi connettori addottati inoltre il sistema di movimentazione della camera riscontrava un disallineamento di qualche millimetro con l asse di innesco dunque sono state apportate delle modifiche in
234. me ricavate nei corpi in grafite sono frutto di un attenta modellazione che tiene conto dei vincoli geometrici dei componenti utilizzati La camera esterna shell realizzata in lega di alluminio A 6082 ricavata da un profilo tubolare avente diametro interno Di 00 mm e un diametro esterno De 130 mm Figura 2 13 52 Figura 2 13 sezione della camera esterna Come si pu notare dall immagine della camera nel profilo sono previste delle scanalature esterne realizzate per poter fissare le flange terminali di collegamento e delle scanalature interne necessarie per il posizionamento e il fissaggio dei dischi collimatori in particolare la larghezza di queste cave coincider a meno di un giuoco minimo con i diametri degli isolatori impiegati in modo da agevolare il montaggio dei dischi e garantire nel contempo l ortogonalit degli stessi rispetto all asse del canale protonico Sono inoltre previste delle lavorazioni di riduzione del diametro esterno in corrispondenza delle zone terminali in previsione delle flange di fissaggio e delle viti utilizzate che richiedono un certo ingombro 2 7 1 Sistema di raffreddamento Il sistema multi collimatore considerato deve poter smaltire una potenza termica teorica massima di 3 kW Dovendo prevedere un sistema di raffreddamento lo si dimensiona come se dovesse smaltire tutta la potenza termica questo modo di procedere in vantaggio di sicurezza nel caso siano presenti altri sistemi
235. mente a quanto avviene con l alluminio e l acciaio il materiale si scalda velocemente e tende a irradiare energia termica in modo molto pi efficiente Tecnologia e tipi di trattamento La tecnologia Alumite stata sviluppata originariamente in Giappone per migliorare il raffreddamento dei cavi di potenza e dei componenti permette l utilizzo della maggior parte di leghe di alluminio disponibili commercialmente con qualche eccezione per quelle ad alto contenuto di rame o di silicio L Alumite viene prodotta usando un processo di anodizzazione brevettato In particolare una superficie anodizzata convenzionale generalmente dura resistente alla corrosione e contiene circa 100 milioni di pori al mm disposti in una struttura regolare mentre l Alumite ha una struttura complessa con pori irregolari Anche quando confrontata con un trattamento convenzionale di anodizzazione dura l Alumite unica in quanto mantiene un alta emissivit sotto i 10 um Questa una caratteristica molto importante perch l intensit dell energia radiante inversamente proporzionale alla lunghezza d onda Molti materiali assorbono le radiazioni far IR fortemente sotto i 10 um per esempio l acqua che ha un forte assorbimento a 2 5 3 0 um dovuto al componente ossidrile Esistono diversi trattamenti Alumite che incidono sul comportamento termico del materiale trattato e Trattamento Alumite su due facce La lamiera trattata Alumite su due facce pe
236. mente non influenza le caratteristiche del film Tabella 5 Elettrolita Concentrazione Temp C Spessore unitario O pori um A Volt Ac Fosforico 4 25 11 9 330 Ac Ossalico 2 25 9 7 170 Ac Cromico 3 40 10 9 240 Ac Solforico 15 10 8 120 Tabella A 5 principali parametri che influenzano le caratteristiche dello strato ossidato A potenziale e temperatura costante lo spessore unitario dell ossido nel barrier layer raggiunge il valore massimo di 44 Volt a concentrazioni di elettrolita molto basse All aumentare della concentrazione il tasso di crescita diminuisce e diviene pressoch nullo a concentrazioni superiori al 90 Quest effetto non dovuto al tasso di dissoluzione perch altri studi hanno dimostrato che la velocit di dissoluzione ionica massima al 25 di concentrazione In prima approssimazione la corrente ionica circolante tra metallo ed elettrolita una funzione esponenziale dell intensit del campo elettrico applicato secondo la relazione A 8 216 8 nella quale x la concentrazione dell elettrolita F l intensit del campo elettrico a e costanti questa relazione stata adottata da Verwey e tiene conto della velocit alla quale gli ioni migrano da una posizione interstiziale all altra Considerando nello specifico i moti di spostamento che avvengono in superficie Mott ha ottenuto una relazione che porta a ris
237. mento per favorire le operazioni di allineamento dell apparato rispetto all asse del fascio protonico per questo motivo sono stati adottati dei soffietti metallici commerciali collegati ad opportune flange di collegamento in grado di offrire un certo grado di labilit ed agevolare le operazioni preliminari di accoppiamento del sistema 192 Al riguardo per conoscere le caratteristiche degli elementi scelti si rimanda alla consultazione dei rispettivi datasheet presenti negli allegati mentre nella Figura 6 25 seguente sono rappresentate le soluzioni adottate Figura 6 25 rappresentazione dei soffietti di collegamento adottati all ingresso sinistra e all uscita destra del Front End protonico gt 4 Come si pu notare in Figura 6 25 il soffietto di collegamento posizionato all uscita del Front End protonico accoppiato in maniera coassiale ad un isolatore ceramico questo si rende necessario per isolare elettricamente l intero apparato dal sistema successivo a cui connesso Figura 6 26 vista in sezione del Front End protonico assemblato 193 Nella Figura 6 26 rappresentato il Front End protonico completo di tutti gli elementi accoppiati correttamente Inoltre si ritenuto opportuno adottare un ulteriore valvola VAT analoga a quella presente nel sistema di pompaggio per poter disabilitare all occorrenza il Front End protonico dai dispositivi accoppiati a valle quest ultima stata posizion
238. mine ma lo stato sar convertito in ERROR 263 Attraverso il tasto Download Partial si potr comunque controllare il file log contenente le informazioni sullo stato di avanzamento del job Una volta terminata per poter scaricare i risultati necessario aprire il file log e modificare l indirizzo visualizzato sostituendo all estensione og la stringa tar gz Ad esempio dal tasto Download Partial si viene inviati all indirizzo http darkstorm cnaf infn it 8085 webdav zansys nwh3rufmyqajsospgl9sx8gxiiu_ logname 20140612113535 log i risultati potranno essere scaricati inserendo come indirizzo http darkstorm cnaf infn it 8085 webdav zansysInwh3rufmygajsospgl9sx8gxiiu standard 370_20140612113535 gz tar 0 6 Accortezze da adottare nei listati di codice APDL di una analisi Nel preparare i listati APDL necessario considerare che il portale IGI esegue Ansys su una piattaforma Linux mediante degli script che richiedono alcuni accorgimenti descritti nel seguito e Le macro devono essere richiamate con l istruzione in formato esteso USE nome macro mac e Il modello deve essere concepito in modo che i carichi siano definiti su elementi geometrici ad esempio i keypoint e non sui nodi degli elementi e possibile lanciare simulazioni in cui sono definiti pi oadstep purch arrivino a convergenza prima della risottomissione cio prima di 23 ore infatti lo script per la risot
239. mo luogo alla definizione di un modello preliminare del collimatore per poi giungere ad una configurazione pi dettagliata e completa che tiene conto di tutte le funzionalit richieste 2 3 Definizione delle condizioni di progetto iniziali Prima di procedere alla progettazione dettagliata del collimatore necessario definire in maniera sommaria le condizioni al contorno iniziali che porteranno alla definizione di tale dispositivo e Potenza termica massima teorica dal momento che il fascio protonico intercetta parzialmente le superfici dei dischi si avr inevitabilmente la generazione di una potenza termica netta che dev essere smaltita Come dato di progetto si assume che il dispositivo debba essere in grado di smaltire in misura cautelativa una potenza termica massima teorica di 3 kW 38 24 Condizioni di alto vuoto il collimatore collocato nel canale protonico deve operare in condizioni di alto vuoto 10 mbar Questa condizione risulta essere di fondamentale importanza poich condiziona fortemente il flusso termico e il campo di temperatura raggiunto dai componenti Ingombri e dimensioni si cercher di contenere il pi possibile l estensione assiale dello strumento per poter limitare gli ingombri e quindi lasciare dei margini in termini di spazio per gli altri componenti presenti nel canale protonico al fine di facilitare le operazioni di assemblaggio Al riguardo sono state considerate le dimensioni massime
240. modo riduce l area d impatto del fascio stesso adattandola alla dimensione dei dischi di uranio Nella struttura esterna che contiene 1 dischi di graffite stato ricavato un condotto per la circolazione di acqua per il raffreddamento Figura 1 7 Esempio di del vecchio collimatore sviluppato per il progetto SPES Il blocco di diagnostica consente l installazione della Faraday cup uno strumento di misura della corrente del fascio protonico ed inoltre fissa nell imbocco sottostante la pompa turbo molecolare L isolatore in allumina 12 provvede al collegamento degli organi precedenti al Front End mantenendo l isolamento elettrico 1 2 2 3 Il canale radioattivo FER Il canale radioattivo riceve e trasporta il fascio radioattivo Esso composto da due parti e parte di telaio fissata con il gruppo di quadripoli che controlla il fascio 15 e parte di telaio removibile che comprende la tavola di ammaraggio che sostiene la camera target e tutti gli oggetti vicini ad essa Le zone pi prossime alla camera target sono soggette a un notevole danneggiamento dovuta all alta dose radioattiva assorbita e proveniente dal target la quale varia approssimativamente con il quadrato della distanza dalla fonte irradiante Proprio per questo motivo si stima la sostituzione della camera target ogni 15 giorni di lavoro La parte amovibile del telaio contiene i componenti pi sollecitati dell intero Front End La sua funzione princ
241. n alimentazione di soppressione per polarizzare l elettrodo di soppressione al voltaggio di soppressione relativamente al potenziale del corpo della Faraday Cup Figura 4 2 In altre costruzioni tutte le parti della superficie interna della Faraday Cup sono rivestite con un materiale che mostra un emissione di elettroni relativamente bassa In questi casi la superficie interna della tazza ha un rivestimento di Carbonio oppure in alternativa costruita interamente in Grafite Permanent Magnetic Magnets Field Suppressor Electrode Secondary Electrons 4 I tibia Primary x lons Insulator Graphite Current Meter Figura 4 2 sistemi di sopressione con elettrosopressore a e con magneti permanenti b Dalla Fig 2 4 b si osserva che il campo magnetico agisce sugli elettroni secondari emessi mentre sugli ioni primari esso apparentemente non ha effetto In realt il campo magnetico agisce su tutte le particelle cariche in moto indipendentemente dal loro segno L entita della sua azione dipende dalla carica velocit e traiettoria posseduta dalle particelle ed ovviamente dall intensit del campo magnetico legge di Lorentz 4 2 117 4 2 Dove F la forza di Lorentz prodotta dal campo magnetico B che agisce sulla carica in moto con velocit e carica q Si osserva che il modulo della forza di Lorentz dipende dall angolo 0 tra v e B La forza dunque nulla se la veloci
242. n condizioni di sicurezza necessario verificare per ogni componente del sistema la seguente relazione 2 17 Oid vM lt 2 17 67 Pertanto prima di descrivere l analisi strutturale opportuno fornire alcune informazioni riguardanti le propriet meccaniche dei materiali impiegati nel collimatore 5 Grafite C le propriet meccaniche di questo materiale sono fortemente influenzate dal numero di difetti ed inclusioni presenti nel volume strutturale e dalla densit Inoltre a differenza dei metalli la grafite presenta la singolare propriet che le sue caratteristiche meccaniche aumentano sensibilmente con la temperatura per esempio la resistenza a trazione a 2500 C dal 50 al 100 pi alta di quella a temperatura ambiente e tale aspetto risulta essere vantaggioso nel caso in esame dovendo ragionare con temperature elevate prossime ai 7000 C nelle condizioni operative Tipicamente il carico di rottura a trazione di questo materiale varia tra 7 Mpa e 70Mpa mentre il carico a compressione oscilla tra 80 e 80 MPa considerando una temperatura di riferimento di 000 C il valore del carico di rottura della grafite si aggira attorno ai 50 MPa sia per la trazione che per la compressione Lega Al 6082 questa lega alluminio silicio presenta medie propriet meccaniche e un ottima saldabilit Il carico di rottura si aggira attorno ai 270 MPa mentre il carico di snervamento vale 720 MPa Allumina Al203 l ossido
243. n quanto al momento della misura l intero fascio fermato Si prevede quindi che la Faraday Cup sia movimentata per essere inserita disinserita dalla linea d asse del fascio Nelle costruzioni pi semplici e simili all applicazione richiesta per il progetto SPES la Faraday Cup montata su un supporto ad intercettazione azionato da un attuatore pneumatico che la inserisce nella linea d asse al momento della misura e che la disinserisce quando aggiustati parametri si vuole utilizzare il fascio 113 Il alternativa al movimento in and out il sistema Faraday Cup pu essere mosso in modo continuo o a passi per misurare scansione l uniformit del fascio di ioni In altre applicazioni la Faraday Cup posta in posizione fissa adiacente alla linea del fascio ed in prossimit dell utilizzazione finale ad esempio per un workpiece costituito tipicamente da un wafer in materiale semiconduttore ed il fascio deflesso nel sistema Faraday Cup al momento della misura Od ancora in altre costruzioni la Faraday Cup disposta su un sistema cartesiano di slitte tipicamente nelle applicazioni di regolazione e focalizzazione di un fascio elettronico per la saldatura Gli scopi per cui necessario effettuare misurare precise dell intensit del fascio sono Misura accurata del flusso di particelle di un esperimento necessaria ad esempio per l esatta determinazione delle dosi ioniche di implantation
244. nch esso in tantalio dovendo resistere alle alte temperature 152 Infine un passante rotante da vuoto solidale alla camera si rende necessario per poter garantire il moto rotatorio del sistema e nel contempo assicurare la tenuta all interno della camera stessa in particolare stata considerata una soluzione presente nel mercato che risponde alle esigenze specifiche Figura 5 10 le cui specifiche sono riportate nel datasheet presente in allegato Figura 5 10 passante rotante modello RD 91 VG SCIENTA Inoltre in maniera preliminare sono stati utilizzati degli isolatori in allumina analoghi a quelli utilizzati per il collimatore per isolare elettricamente il filo rotante rispetto alla camera per limitare il passaggio di corrente al dispositivo di acquisizione Nel prossimo paragrafo verr descritta l analisi termica eseguita al modello appena descritto eseguita al fine di valutare i livelli termici raggiunti dai singoli componenti in base alle condizioni operative di funzionamento richieste 5 4 Analisi termica L analisi termica del dispositivo si prefigge l obiettivo di valutare le massime temperature raggiunte dai componenti che lo costituiscono per poter simulare le condizioni di funzionamento ed individuare le zone maggiormente sollecitate in termini di gradienti termici 153 Quindi sulla base di un modello semplificato stato realizzato un programma APDL che riassume i comandi per l esecuzione dell
245. ne mentre la tenacit a temperatura ambiente non elevata Se il tungsteno viene trattato termicamente intorno ai 1370 C si induce una ricristallizzazione che ha come effetto quello di infragilire il materiale dunque necessario utilizzare elementi in lega per innalzare la temperatura di ricristallizzazione del tungsteno e rendere cos migliori le propriet alle alte temperature Alcune delle leghe di tungsteno maggiormente commercializzate vedono come elementi leganti l ossido di torio il molibdeno il renio o il tantalio Lo spessore del filo rotante stato scelto pari a 2 mm sufficiente a fermare localmente il fascio Il diametro del profilo elicoidale risulta pari a 35 mm maggiore del diametro dello spot intercettato per poter prevedere nelle posizioni di fine corsa dei punti di lavoro in cui il filo non risulta investito dal fascio Figura 5 8 geometria del filo rotante sviluppato 151 Figura 5 8 geometria del filo rotante sviluppato A questo punto stato possibile definire un modello preliminare dell intero dispositivo Figura 5 9 al riguardo sono stati sviluppati i componenti dedicati alla movimentazione e al sostegno del filo rotante appena definito Figura 5 9 schematizzazione del modello preliminare In particolare il filo rotante collegato ad un braccio di sostegno opportunamente sagomato e realizzato in tantalio A sua volta tale sostegno risulta solidale ad un albero rotante a
246. ne prolungato nel tempo fino anche a 3 o 4 ore per permettere al film di raggiungere spessori dell ordine dei 250 mm Il procedimento di anodizzazione ha quindi funzioni sia protettive che decorative ma anche la base per applicazioni di vernici organiche e elettrodeposizioni di varia natura che trovano migliore adesione sul substrato creato da questo processo 213 Composizione dell ossido anodico La composizione dell ossido superficiale dipende largamente dal tipo di elettrolita utilizzato ma anche molto dalle condizioni di processo Generalmente lo strato di ricoprimento composto di ossido di Alluminio sia nella forma cristallina di y Al2O3 che in stato di materiale amorfo Lo strato d ossido anodico si compone di due parti la zona porosa esterna che cresce su di uno strato profondo molto pi sottile denso e dielettricamente compatto chiamato strato barriera Barrier Layer Il suo spessore al massimo il 2 dello spessore dell intero strato e la sua natura la stessa dell ossido naturale Figura 5 Figura A 5 particolare dello strato superficiale di ossido anodico Durante il processo di anodizzazione la parte che si forma per prima e lo spessore varia linearmente con il voltaggio applicato crescendo fino al limite di dissoluzione di circa 14 per Volt applicato nonostante sia intrinsecamente non conduttivo n poroso la corrente rimane in circolazione nel circuito in virt del piccolissimo sp
247. necessaria per l aggiornamento del proxy cliccare poi su Save 256 Please choose a password to encrypt your credentials You have to insert this password every time you need to retrieve your credentials don t forget it because we don t conserve it Insert Password Confirm Password e Technical Information Save Figura D 13 inserimento della password per il proxy Si deve quindi scegliere la propria organizzazione virtuale Per controllare di essere correttamente registrati alla lista gridit risulta necessario collegarsi al sito della VO Membership Service ttps voms cnafinfn it 8443 voms gridit Apparir una schermata dove l ultima voce con la sigla APPROVED significa che la registrazione confermata Certificates Certificate CN Nome Cognome CN INFN CA Added on 11 06 2013 02 05 03 PM CET Request new certificate Your groups and roles Igridit auger Request membership Group name Roles gridit pilot Request role gridit ansys plot w Request role Your generic attributes No attribute classes defined for this VO Your AUP acceptance status The current AUP was last signed 0 days ago This signature will expire in 364 days Your request history Request type Info Status VO membership request 11 APPROVED Figura D 14 riepilogo del proprio status nella VO Gridit 257 Tornare al portale Grid Si ricorda che la registrazione pu esser
248. ngs Figura 4 9 vista in sezione del corpo centrale della Faraday Cup Una box di grafite si resa necessaria per il posizionamento dei dischi e degli anelli distanziatori essi presentano all interno un giuoco radiale cautelativo di 0 5 mm in vista delle dilatazione termiche nascenti che possono indurre a stati di tensione che possono compromettere la resistenza e l integrit fisica del sistema interamente realizzato in grafite Per gli stessi motivi si scelto di posizionare i componenti con un certo lasco in direzione assiale e di bloccarli con opportuni fili in tantalio alle estremit Sono stati definiti degli elementi di supporto per la Faraday Cup Figura 4 10 in particolare stato previsto inizialmente di posizionare la box di grafite all interno di un tubo in tantalio a sua volta vincolato ad un braccio di supporto Il sostegno solidale ad una base realizzata in acciaio AISI 316 mediante viti mentre l isolamento elettrico dello stesso necessario per eseguire le misure di corrente nella zona adiacente alla box in grafite reso possibile da opportuni isolatori ceramici Infine l intero sistema sorretto da un albero realizzato in acciaio montato a sua volta su un sistema di movimentazione azionato da un motore pneumatico il quale verr descritto pi in dettaglio nel sesto capitolo 130 Figura 4 10 particolare del sistema di sostegno della Faraday Cup La Faraday Cup situata a valle del sistema multi
249. nica di medicina nucleare e diagnostica medica che utilizza l emissione di positroni per realizzare immagini tridimensionali o mappe ad alta risoluzione degli organi interni dei pazienti La procedura PET inizia con l iniezione generalmente per via endovenosa nel soggetto da esaminare di un isotopo tracciante di breve vita media legato chimicamente ad una molecola attiva a livello metabolico Dopo un tempo di attesa durante il quale la molecola metabolicamente attiva spesso uno zucchero raggiunge una determinata concentrazione all interno dei tessuti organici da analizzare il soggetto viene posizionano nello scanner Figura 1 21 Figura 1 21 Scanner impiegato nella tecnica di rilevazione PET L isotopo di breve vita media decade emettendo un positrone Dopo un percorso che pu raggiungere al massimo pochi millimetri il positrone si annichila con un elettrone producendo una coppia di fotoni di energia paragonabile a quella dei raggi gamma emessi in direzioni opposte fra loro sfasate di 80 lungo una stessa retta 32 Questi fotoni sono successivamente rilevati dal dispositivo di scansione grazie anche all impiego di speciali tubi fotomoltiplicatori Punto cruciale della tecnica la rilevazione simultanea di coppie di fotoni i fotoni che non raggiungono il rilevatore in coppia cio entro un intervallo di tempo di pochi nanosecondi non sono presi in considerazione dalla misurazione della posizione in cui i fotoni colp
250. no pari ai dati immagazzinati in una pila di CD di 20 mila metri Coinvolge 140 centri di calcolo distribuiti in 33 paesi e ha una potenza di calcolo pari a quella di 100000 computer Figura D 1 L INFN uno dei promotori principali del progetto Grid e ospita al CNAF di Bologna uno degli 11 nodi di primo livello della Grid Figura D 2 In altre parole la Grid Grid computing un infrastruttura di calcolo distribuito utilizzata per l elaborazione di grandi quantit di dati mediante l uso di una vasta quantit di risorse quella italiana prende il nome di Infrastruttura Grid Italiana IGI Alla base c la necessit della condivisione coordinata di risorse all interno di una dinamica e multi istituzionale organizzazione virtuale Virtual Organization VO La condivisione non limitata solo allo scambio dei file ma si estende all accesso diretto a computer a software e in generale a tutto l hardware necessario alla risoluzione di un problema scientifico ingegneristico 0 industriale A tale scopo stato sviluppato presso il CNAF di Bologna un portale di accesso alla Grid per la sottomissione di Job e l utilizzo dei suoi servizi in modo trasparente e tutto direttamente dall interfaccia del portale In particolare per i problemi ingegneristici stato implementato il porting del pacchetto software Ansys sull IGI web portal 249 Figura D 1 nodi della Grid CNAF di Bologna da LNI y n Sr Laboratori
251. no del cristallo impurezze radioattive che emettono particelle cariche emission channeling La misura dell emissione lungo differenti direzioni cristalline permette la determinazione del sito cristallografico dell atomo emittente con un accuratezza di pochi decimi di Figura 1 20 Emission Channeling 2 dimensional i1 position sensitive detector Figura 1 20 Emission channeling degli elettroni emessi da atomi radioattivi 1 3 3 Applicazioni mediche la Tomografia ad Emissione Positronica Prima di procedere si forniscono alcune fondamentali definizioni e L antimateria la materia composta da antiparticelle si tratta di particelle aventi la stessa massa e caratteristiche opposte a quelle che costituiscono la materia ordinaria e detto anche antielettrone l equivalente di antimateria dell elettrone ed ha carica elettrica pari a 1 31 Quando un positrone si annichila con un elettrone la loro massa viene convertita in energia sotto forma di due fotoni ad altissima energia nella banda dei raggi gamma Un positrone pu essere generato dal decadimento radioattivo con emissione di positroni o dall interazione con la materia di fotoni con energia superiore a 022 MeV Sebbene utilizzata principalmente per studiare le interazioni tra particelle elementari l antimateria ha anche un applicazione tecnologica la Tomografia ad Emissione Positronica PET Positron Emission Tomography una tec
252. noscenze sia nel campo della fisica che per la sua applicazione in meccanica nel campo della termodinamica A seguito della valutazione di altri parametri dell oggetto indagato ad es emissivit e dell ambiente ad es temperatura riflessa possibile convertire il valore misurato di radiazione infrarossa in valori di temperatura Il metodo termografico per la determinazione dell emissivit di un materiale si basa sul confronto diretto fra la temperatura rilevata sulla superficie da ispezionare con quella di un marker di riferimento ad emissivit nota In particolare la procedura seguita la strumentazione allestita per l esecuzione del test sperimentale si pu cos riassumere e Si posizionano sulla superficie dell oggetto in esame dei marker di riferimento con emissivit impostata 0 97 In particolare nella piastra di riferimento Figura A 13 sono stati posizionati tre marker in prossimit della superficie sabbiata e alrettanti tre in corrispondenza della superficie lucida in modo tale da abbattere l errore di ripetibilit nelle misurazioni eseguite e poter stimare una media del valore cercato con un certo margine Figura A 13 piastra utlizzata e marker di riferimento disposti nella superficie lucida L e sabbiata 5 232 e Si provvede a riscaldare l oggetto da ispezionare ad una temperatura di riferimento e si attende per qualche minuto affinch si raggiunga l equilibrio termico tra l oggetto e
253. ntaggio di sicurezza Infatti nei suddetti test si valutata la resistenza del singolo petalo quale unico corpo sollecitato a compressione mentre nella realt questo si trova accoppiato assieme ad altri 3 petali analoghi Quindi il fatto di considerare il sistema reale costituito da 4 corpi indipendenti fa si che le dilatazioni termiche prodotte dagli stessi vengano compensate dalle labilit e dai laschi inevitabilmente presenti Dunque gli stati di tensioni che si riscontrano nella realt risulteranno inferiori rispetto a quelli pervenuti sperimentalmente per queste ragioni il test concepito opera in vantaggio di sicurezza 108 BIBLIOGRAFIA SPES Forno per test ad alta temperatura Manuale d installazione uso e manutenzione Istituto Nazionale di Fisica Nucleare di Legnaro 2008 Mazzoldi M Nigro C Voci Fisica Volume II EdiSES Napoli 2001 109 110 CAPITOLO 4 Progettazione e verifica termo strutturale della Faraday Cup 4 1 Introduzione In questo capitolo ci si propone di progettare una Faraday Cup per il fascio protonico un dispositivo capace di intercettare completamente il fascio misurandone intensit di corrente Innanzitutto si ritiene necessario approfondire la conoscenza di questo dispositivo fornendo le dovute informazioni sullo strumento e le architetture pi comunemente adottate nelle applicazioni pratiche prima di proseguire con lo studio di dettaglio del progetto specifico
254. nti al secondo e quindi la corrente sviluppata 2 4 1eV 1 60217733 10 1MeV 1 109eV 1 60217733 10713 8000 W ________________________ 1 2483 10 parti 24 40 MeV u 1 60217733 10 13 MeV partic s 2 4 Con questi dati di progetto secondo la relazione 2 3 la corrente sviluppata stimata e di 15 10 e I e 1 2483 1 602 1071 C 0 0002 A 0 2 Oppure eseguendo la proporzione 1 1 2028321007078 a Si tratta di correnti deboli che richiedono di essere amplificate prima di poter essere elaborate nella lettura dati La misura dell intensit di corrente del fascio nel collimatore ha una duplice importanza 44 e Calibratura E necessaria per capire se l impostazione dello strumento stata fatta nel modo corretto nella fase di allineamento del dipositivo con l asse del fascio protonico e se i parametri della sorgente di ioni sono stati impostati correttamente e Misurazione E necessaria per un accurata valutazione del numero di particelle che transitano risulta dunque un parametro fondamentale ai fini delle valutazioni statistiche sui dati di processo fisico che si vuole studiare 2 6 Analisi termica preliminare Una volta definito un modello semplificato del collimatore Figura 2 6 tramite modellatore solido PRO E stata eseguita un analisi termica preliminare al fine di valutare la massima temperatura in esercizio raggiunta n
255. nucleare specie radioattive all interno del target Le particelle radioattive generate vengono successivamente estratte ionizzate separate in massa ed accelerate come fascio di ioni radioattivo Solitamente il target si presenta come un unico blocco cilindrico racchiuso all interno di una scatola in grafite l idea innovativa introdotta dal progetto SPES la suddivisione del target in sette dischi opportunamente spaziati questo consente a parit di volume di aumentare la superficie di scambio termico radiativo tra il target e la scatola che lo contiene tale particolare di fondamentale importanza in quanto permette al target di smaltire con maggiore efficienza la potenza termica dissipata dal fascio protonico che lo investe stimato in circa 8 KW Gli isotopi prodotti vengono estratti dalla scatola grazie alla linea di trasferimento attraverso tale dispositivo le particelle vengono indirizzate verso la sorgente di ionizzazione ion source dove avviene il processo di ionizzazione ioni 1 La scelta della sorgente di ionizzazione di fondamentale importanza in quanto il suo funzionamento influenza l intensit e la qualit del fascio radioattivo A seconda del tipo di elemento di cui si vuole produrre il fascio vengono impiegate sorgenti di ionizzazioni differenti in particolare si possono avere sorgenti con ionizzazione superficiale sorgenti laser RILIS sorgenti al plasma FEBIAD o la sorgente ECR Electron Cycl
256. o 75V produce rivestimenti di colore da ambrato bronzeo a nero con un ottima resistenza agli agenti atmosferici e Sigillazione e o Elettrocolorazione 225 RISCIACOUK ANODIZZAZIONE FREDDO RISCIACQUO DECAPAGGIO ASCIUGATURA SIGILLAZIONE FREDCO CARICO SCARICO Figura A 9 schema a blocchi del processo di anodizzazione A 5 2 Alumite L alumite un trattamento galvanico unico per leghe di alluminio che offre eccezionali propriet di irraggiamento di calore a infrarossi Uno speciale trattamento superficiale destinato a manufatti in alluminio permette di ottenere lamiere o altre forme con caratteristiche termiche ineguagliabili Grazie a questo trattamento denominato Alumite la superficie del metallo migliora la sua durezza diventa resistente a picchi istantanei di temperatura molto elevati oppone una minor resistenza all attrito e quindi aumenta la resistenza all usura e acquista delle propriet termiche molto interessanti soprattutto per quanto riguarda l irraggiamento e la capacit di assorbimento di calore sotto forma di raggi infrarossi Il prodotto si ottiene facendo formare mediante ossidazione anodica un tipo speciale di Alumite sulla superficie di una lega di alluminio Collaudato in tante applicazioni in tutto il mondo l Alumite offre prestazioni meccaniche simili a quelle dell acciaio inox sotto molti punti di vista ma con una maggior capacita di radiazione termica Cara
257. o e Magnesio ha un effetto sbiancante dovuto all indice di rifrazione molto simile a quello dell ossido di Alluminio e Rame a concentrazioni superiori al 3 produce discontinuit cromatiche sulla superficie l anodizzazione decorre con fatica e il rivestimento molto piu tenero e meno protettivo Manganese concentrazioni minori dell 7 produce ossidi molto brillanti se sottili che diventano via via pi scuri all aumentare dello spessore o della concentrazione 220 e Zinco forma uno strato molto protettivo fino al 5 di concentrazione sia privo di colorazione che ad apparenza marmorea e Cromo se presente a concentrazioni superiori allo 0 3 produce una colorazione giallastra Anodizzazione di Anodizzazione e Anodizzazione protezione colorazione profonda 1080 Ottimo Ottimo Ottimo 1050 Ottimo Molto buono Ottimo 1200 Molto buono Molto buono Ottimo 2011 Medio buono Medio buono Buono 2014 Medio Medio Buono 2031 Medio Medio Buono 3103 Buono Buono Buono 3105 Buono Buono Buono 4043 Medio Medio Buono 5005 Ottimo Molto buono Ottimo 5056 Buono Buono Ottimo 5083 Buono Buono Buono 5154 Molto buono Molto buono Ottimo 5251 Molto buono Molto buono Ottimo 5454 Molto buono Molto buono Ottimo 6061 Molto buono Buono Molto buono 6063 Ottimo Molto buono Ottimo 6082 Buono Buono Buono 6463 Molto buono Molto buono Molto buono 7020 Buono Buono Buono
258. o adottato costituito da una serie di viti realizzate in tantalio Ta viste le alte temperature raggiunte avvitate in corrispondenza della superficie esterna del disco in grafite il fissaggio del disco viene dunque garantito dalla compressione generata dalle viti che insistono nella parete della camera inoltre una serie di isolatori commerciali in allumina Al203 sono utilizzati per isolare il disco elettricamente rispetto al telaio E facile intuire come tale soluzione conferisca al collimatore un elevata flessibilit per quanto riguarda il montaggio e il posizionamento in particolare nella calibrazione del singolo disco rispetto all asse del canale protonico oltre che presentare una notevole semplicit nella realizzazione pratica Basti pensare infatti che ruotando in maniera opportuna le viti diametralmente opposte si ottengono traslazioni nette che permettono di spostare il disco lungo le direzioni assiali delle viti e dunque con semplici movimenti si riesce ad orientare in maniera opportuna ogni singolo disco 50 Per quanto riguarda il quarto disco collimatore stata adottata un architettura diversa infatti come accennato nei paragrafi precedenti in questo si associa una potenza di fascio collimato maggiore per poter misurare l effetto wobbling Dunque per poter misurare in termini di intensit di corrente le componenti rotative caratteristiche del fascio radiattivo si pensato di suddividere il disco in 4 settor
259. o e valutato il tempo massimo necessario per portare la sonda alla temperatura limite di utilizzo che ricordo essere di 2000 C La Figura 5 17 sottostante rappresenta il surriscaldamento del filo prodotto dall irraggiamento del blocco di grafite nella condizione iniziale dell analisi transitoria ANSYS J NODAL SOLUTION 15 0 STEP 1 NOV 24 2014 SUB 32 17 20 00 5000 TEMP AVG RSYS 0 SIN 559 823 SMX 1388 75 559 828 744 032 928 237 1112 44 1296 65 651 93 836 135 1020 34 1204 54 1388 75 Figura 5 17 andamento di temperatura del sistema C nelle condizioni iniziali del transitorio 159 Quindi tale andamento stato implementato nell analisi transitoria per valutare il tempo limite di surriscaldamento La Figura 5 18 seguente rappresenta l andamento delle temperature raggiunte dal sistema nelle condizioni di regime al tempo di 5000 secondi mentre il grafico rappresentato nella Figura 5 19 mostra l evoluzione della temperatura massima raggiunta dal filo nel tempo 1 ANSYS NODAL SOLUTION R15 0 STEP 1 NOV 25 2014 SUB 48 09 31 59 5000 AVG RSYS 0 SMN 857 944 SMX 3332 83 cc 85 857 944 1407 92 1957 89 2507 87 3057 84 1132 93 1682 91 2232 88 82 85 3332 83 thermal analysis Figura 5 18 andamento di temperatura del sistema C nelle condizioni di regime Twire C 3500 3000 2500 2000
260. o formatosi tramite processo elettrolitico Figura 4 210 Protection anode Cothode Figura A 4 schema del processo di anodizzazione Lo strato di materiale formato variabile normalmente 10 um ed esistono due tipi di ossidazione anodica quella sottile e l anodizzazione dura L anodizzazione sottile comporta uno strato variabile dai 5 ai 20 micron e quella semi dura che comporta uno strato dai 20 ai 30 micron I trattamenti chimici di conversione superficiale hanno un ruolo molto importante nella tecnologia dell Alluminio ma i risultati ottenibili sono globalmente inferiori a quelli ottenuti con il processo di anodizzazione per qualit di finitura range di applicazioni e protezione alla corrosione I ricoprimenti ottenuti per via elettrolitica sono superiori anche dal punto di vista meccanico e di resistenza all abrasione La natura porosa dei film di ossidi permette anche la produzione di ricoprimenti colorati tramite la deposizione di pigmenti organici e metallici Quando una corrente elettrica fatta circolare attraverso una cella elettrolitica nella quale l Alluminio funge da anodo gli anioni migrano verso l anodo al quale cedono le cariche elettriche che trasportano e si depositano su di esso In soluzione acquosa gli anioni sono costituiti in gran parte da Ossigeno il quale si combina con l Alluminio In funzione della solubilit delle specie chimiche che si depositano sul metallo si possono avere
261. ogettazione Dunque la necessit di avere un modello standarizzato per poter definire le dimensioni fondamentali degli alloggiamenti in questione risulta uno strumento di enorme utilit nelle fasi di progettazione e realizzazione di tenute meccaniche in indio 243 C 2 Descrizione del modello Molte case che realizzano anelli di tenuta in indio affermano che una buona geometria degli alloggiamenti dovrebbe assicurare alla guarnizione un certo grado di riempimento commisurato dalla porzione di sezione della tenuta stessa che rimane contenuta nella cava considerata La sezione eccedente sar interessata invece ad uno schiacciamento localizzato quindi si deforma plasticamente al fine di garantire la tenuta stagna tra gli elementi accoppiati Pertanto il valore ottimale del grado di riempimento deriva da risultati sperimentali e dipende dalle condizioni d esercizio quali temperatura pressione e fluidi vettori utilizzati Nel caso specifico per le applicazioni di vuoto spinto i costruttori raccomandano di adottare in misura cautelativa un grado di riempimento che varia tra il 60 e 1 80 cosicch la porzione di sezione che eccede dagli alloggiamenti non mai inferiore al 20 P Inoltre tali valori variano a seconda del diametro del filo che costituisce l anello in particolare maggiore tale diametro e minore sar la porzione di sezione eccedente prevista quindi maggiore sar il coefficiente di riempimento poich nella def
262. ometro tuttavia si possono raccogliere solo distribuzioni di temperatura superficiali poich risulta impossibile con tale strumento la valutazione dei livelli termici interni Per quanto riguarda la verifica strutturale del sistema invece stata valutata l integrit fisica del componente in prossimit dei punti maggiormente sollecitati Come si potr meglio apprendere in seguito la geometria del petalo ha subito alcune variazioni rispetto alla corrispondente geometria finale per risolvere alcuni inconvenienti occorsi all allestimento del banco prova perci i modelli numerici sono stati reimpostati per poter tener conto delle mutate condizioni al contorno 32 Descrizione dell apparato sperimentale In questo paragrafo vengono descritti i componenti che costituiscono l intero apparato sperimentale utilizzato In particolare vengono presentati gli elementi che costituiscono il forno utilizzato per somministrare la potenza termica il petalo in grafite nella versione modificata e gli elementi di supporto necessari 79 3 1 1 Descrizione del forno Il forno utilizzato stato progettato per l esecuzione dei test ad alta temperatura eseguiti su componenti appartenenti alla zona target del progetto SPES Figura 3 1 Tali test vengono svolti all interno di un contenitore di forma cilindrica denominato camera attraverso il riscaldamento per effetto joule di un elemento che in questo caso rappresentato dal petalo in grafite
263. ondizione di regime termico Ta 1200 1000 800 600 T C 400 200 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 t s Figura 3 23 andamento della temperatura media del petalo in funzione del tempo Nel prossimo paragrafo verr descritta in dettaglio l esecuzione del test sperimentale In concomitanza a questo stata eseguita un ulteriore analisi termo elettrica in riferimento al modello gi definito in modo da poter confrontare 1 risultati con i valori sperimentali ottenuti nonch valutare le temperature a parit di corrente assegnata e risalire alle caratteristiche elettriche di resistenza del sistema 98 3 5 Esecuzione del test sperimentale Una volta verificato l assemblaggio dei componenti collaudato il sistema di controllo e verificato il funzionamento delle pompe per il raggiungimento di un vuoto soddisfacente 1 2 10 mbar stato eseguito il primo test sperimentale Quindi stata fatta passare una serie di correnti attraverso il corpo di grafite mente il pirometro eseguiva misure di temperatura scansionando la parte superficiale dello stesso Figura 3 24 Figura 3 24 particolare della zona scansionata dal pirometro per le misure di temperatura percorso evidenziato in giallo a sinistra e il pirometro in funzione a destra In riferimento alle analisi FEM relative al petalo Figura 3 22 osservo che la parte superficiale scansionata dal pirometro lungo il percorso evidenziato presenta una temp
264. opera per poter allineare correttamente il sistema e permettere l inserimento della camera con il sistema portante Figura 3 15 9 Figura 3 15 particolare delle lavorazioni eseguite nei puntali elettrici sinistra e dell innesco dell apparato sperimentale nel sistema portante destra Dunque tutti gli elementi una volta ispezionati sono stati puliti accuratamente Il processo di pulizia di fondamentale importanza per il livello di vuoto che si vuole raggiungere infatti i contaminanti presenti le impurezze e i residui di lavorazione spesso non visibili ad occhio nudo rappresentano un problema nei confronti del raggiungimento del vuoto desiderato dunque particolarmente importante rimuovere il pi possibile tali impurezze considerate nocive per l interno processo basti pensare che nella manipolazione dei componenti per le operazioni di montaggio si sono utilizzati dei guanti in lattice per non contaminare le parti Quindi i componenti pi piccoli sono passati in una macchina di lavaggio ad ultrasuoni si tratta di un dispositivo in grado di rimuovere l unto e il grasso presente nella parte superficiale dei componenti che si trovano immersi in una soluzione le micro bolle prodotte dagli ultrasuoni implodono in corrispondenza dei componenti e favoriscono il processo di sgrassatura bagno rappresentato da una soluzione di acetone 6 diluito in acqua con rapporto 00 questo viene portato alla temperatura di 60
265. or read nodal temperatures initial condition heat generator on collimator W m3 heat generator on discs W m3 defines a free space ambient temperature for radiation using the Radiosity specifies Gauss Seidel Radiosity Solver options specifies options for Hemicube view factor calculation specifies Stefan Boltzmann radiation constant W m 2 K 4 Ispecifies the temperature offset from absolute zero to zero C ALLSEL ALL VSEL ALL VSEL R MAT A15083 ALLSEL BELOW VOLU SFA ALL RDSF 0 6 1 ALLSEL ALL VSEL ALL VSEL R MAT SS3 16 ALLSEL BELOW VOLU SFA ALL RDSF SS316 1 ALLSEL ALL VSEL ALL VSEL R MAT Mo ALLSEL BELOW VOLU SFA ALL RDSF Mo 1 ALLSEL ALL VSEL ALL VSEL R MAT Cu ALLSEL BELOW VOLU SFA ALL RDSF Cu 1 ALLSEL ALL ALLSEL ALL VSEL ALL GET nvolu VOLU 0 COUNT nn 0 DO i 1 nvolu nn vlnext nn VSEL ALL VSEL U VOLU nn ALLSEL BELOW VOLU VSEL S VOLU nn ASLV R SFADELE ALL RDSF ALLSEL ALL ENDDO 343 VSEL ALL ALLSEL BELOW VOLU ASEL INVE ADELE ALL 1 LSEL INVE LDELE ALL 1 KSEL INVE KDELE ALL FINISH lexits normally from a processor CONVECTION LOADS external convective loads PREP7 lenters the model creation preprocessor SET airl 5 lenter alfa W m2 C SET air2 25 lenter fluid temperature C SFA 176 CONV airl air2 thermal convection on areas SFA 173 CONV airl air2 SFA 175 CONV airl air2 SFA 174 CONV airl air2 SFA 192 CONV airl air2 SFA
266. orico aprossimato gi stato stimato un valore indicativo della massima corrente richiesta ma tale risultato non teneva conto dell intero sistema dedicato al trasporto della potenza elettrica Dunque in questo tipo di analisi si assegna una corrente elettrica come condizione al contorno assieme ai vincoli di potenziale elettrico e il calcolatore fornisce in uscita i gradienti termici riscontrati nei componenti dovuti al surriscaldamento per effetto joule assieme agli andamenti del potenziale elettrico Per poterlo fare si utilizza l elemento SOLID226 discretizzato con 20 nodi ognuno dei quali avente 5 gradi di libert Figura 3 18 Tetrahedra Option Q Pyramid Option X M S Q P W Y AB I K L S Q R J Prism Option Figura 3 18 schematizzazione dell elemento SOLID226 Quindi stato generato un programma APDL che contiene i comandi per l esecuzione dell analisi per la consultazione del listato generato si rimanda all appendice Sulla base di un modello semplificato stato discretizzato il sistema ohmico resistivo con elementi tetragonali definendo una mesh con una dimensione media degli elementi di 4 mm in prossimit del petalo e 6 mm per i componenti rimanenti Figura 3 19 94 ELEMENTS NOV 19 2014 10 48 28 natal enarimantal analiwcioe Figura 3 19 mesh utilizzata per la discretizzazione del sistema ohmico resistivo Dunque sono stati assegnati 1 carichi term
267. ormazione plastica coinvolto un maggior volume strutturale rispetto agli spessori pi esili che garantiscono la tenuta meccanica adottando coefficienti di riempimento pi bassi Nello schema rappresentato in Figura C 1 un anello di tenuta O Ring generico a sezione circolare alloggiato in una scanalatura circolare di raggio ad una profondit rispetto al centro della sezione trasversale E stato sviluppato un algoritmo in grado di definire la geometria dell alloggiamento di tale anello avente raggio del filo noto pari ad in funzione del grado di riempimento F che 51 desidera ottenere in particolare il parametro caratteristico che pi interessa conoscere d f R F inteso come distanza tra il centro della sezione trasversale del filo e la superficie di battuta Per poter valutare tale parametro occore prima calcolare l angolo del settore circolare sotteso all angolo 0 L area del settore circolare definito dall angolo cosi definito 1 As 5 R70 1 244 mentre l area del triangolo isoscele sotteso allo stesso angolo avente come base la corda ed altezza definita come C 2 1 R seno C 2 L area del segmento circolare A sottesa alla corda ce all arco s data dalla differenza tra l area del settore circolare As e quella del triangolo isoscele ovvero 3 1 1 1 A 2570 2 R sen0 LO sen0 C 3 Considerando quindi un grado di riempimento
268. osforico 4 25 40 8 40 4 Tabella A 6 densit dei pori in funzione del voltaggio applicato per diverse soluzioni Nello sviluppo dell ossido anodico i pori crescono in dimensioni il diametro delle celle e dei pori rimane proporzionale al voltaggio mentre le caratteristiche della base delle celle sono legate all equilibrio che si instaura tra la crescita per deposizione e la dissoluzione che pu anche essere accelerata da fenomeni di riscaldamento locale Comportamento delle varie leghe Generalmente quasi tutte le leghe d alluminio mostrano un buon comportamento durante il decorso del processo di anodizzazione Tabella A 7 anche se la tipologia di trattamento di formatura utilizzato influenza la microstruttura degli strati superficiali e perci anche il risultato dell anodizzazione 219 Per questo motivo ad esempio le leghe al Silicio serie 4xxx sono meno adatte a questo tipo di trattamento data la composizione ricca in Silicio degli strati superficiali Gli elementi di lega hanno anche un effetto sull aspetto del prodotto anodizzato con comportamenti diversi da metallo a metallo Il fattore determinante l omogeneit della lega un incremento dei costituenti eterogenei ha una grande influenza sulla riflettivit debole sul colore del film L effetto della dimensione dei grani sulla qualit dell anodizzazione varia con la lega in questione e il trattamento applicato In generale al termine d
269. ostituiti da dei blocchi di riferimento realizzati in alluminio e risultano fondamentali per le operazioni preliminari di allineamento del sistema rispetto all asse del canale protonico 172 Inoltre nella tavola stato realizzato uno scavo circolare passante per permettere l accoppiamento della camera di diagnostica con il gruppo di pompaggio collocato nella parte sottostante della tavola Nella Figura 6 2 seguente rappresentato il sistema di supporto appena descritto vincolato alla struttura portante gi esistente realizzata da profilati in alluminio commericiali opportunamente accoppiati Gli elementi di allineamento sono realizzati da opportune staffe collegate rigidamente al telaio e la regolazione di opportune viti in battuta con gli elementi di centraggio della tavola rende possibile il movimento del sistema nelle operazioni di centratura Figura 6 2 rappresentazione del sistema di supporto accoppiato alla struttura portante Dunque stato possibile definire un sistema di supporto in grado di assolvere alle specifiche funzioni richieste capace di adattarsi perfettamente alla struttura portante preesistente Inoltre come vedremo nei prossimi paragrafi essa rappresenta una soluzione compatta in grado di contenere l estensione assiale dell intero apparato e nel contempo permette unagevole accoppiamento di tutte parti che si rendono necessarie assicurando margini di flessibilit nelle operazioni di assemblagg
270. otron Resonance Gli ioni prodotti dalla sorgente di ionizzazione vengono accelerati da un elettrodo estrattore electrode realizzato in lega di titanio il quale viene mantenuto ad una differenza di potenziale di 60 kV rispetto alla sorgente Lo studio della distribuzione di temperatura e delle deformazioni termiche presenti nei componenti che costituiscono il target la linea di trasferimento la sorgente di ionizzazione e l elettrodo estrattore assai complesso Per tale motivo i Laboratori Nazionali di Legnaro hanno avviato delle strette collaborazioni con l ENEA Bologna i Dipartimenti di Ingegneria Meccanica e di Scienze Chimiche dell Universit degli Studi di Padova il CERN Svizzera ed i Laboratori di Oak Ridge USA In questo elaborato vengono descritte le fasi seguite per lo sviluppo del Front End protonico del progetto SPES Questo sistema adibito al trasporto e al controllo del fascio protonico permette di conformare il fascio secondo le specifiche richieste e nel contempo permette di rilevare le caratteristiche dello stesso mediante dispositivi di collimazione e strumenti di diagnostica opportunamente definiti e verificati Per poter fare questo ci si appoggia a dei metodi numerici in particolare si fa riferimento al metodo degli Elementi Finiti ed al codice di calcolo Ansys Release 15 0 con il quale si sono effettuate tutte le analisi esposte nel presente lavoro La tesi si sviluppa in sei capitoli il cui contenuto vien
271. ovendo smaltire una potenza termica di 5 kW dato di progetto era stato dimensionato un sistema di raffreddamento ricavato direttamente nel corpo conico della coppa dove una portata di acqua deionizzata permetteva di mantenere il sistema a una temperatura costante La progettazione del dispositivo nella nuova soluzione proposta tiene conto dei seguenti aspetti e Il corpo della Faraday Cup sar realizzato in grafite questo materiale presenta inanzitutto una minore emissione di elettroni secondari rispetto al rame tale aspetto di fondamentale importanza per le funzionalit che deve assolvere poich oltre ad abbattere l effetto subordinato degli elettroni secondari che 121 compromettono la misura della corrente del fascio permette di rinuciare alla tipica forma a coppa optando quindi per geometrie cilindriche costruttivamente pi semplici Inoltre l elevata emissivit della grafite 0 9 contro 0 1 del rame permette di smaltire in maggior misura la potenza termica prodotta verso l esterno potenza termica prodotta sulla Faraday Cup viene smaltita per irraggiamento verso la camera esterna pertanto un sistema di raffreddamento si rende necessario per limitare le temperature raggiunte nei singoli componenti In particolare verr dimensionato un sistema di raffreddamento direttamente nella camera esterna e ci risulta essere un vantaggio per il sistema di canali e tubazioni utilizzato in questa soluzione infatti il s
272. pendere dallo stato del portale o del proxy ad esempio se non viene aggiornato in seguito viene spiegato come aggiornarlo Per riprendere la simulazione ci sono due possibilit scegliendo una delle opzioni che appaiono sopra il tasto Submit mettendo una spunta nella relativa E possibile riavviare da capo l analisi oppure riprendere il calcolo dall ultimo substep eseguito 261 Se lo status di errore appare pochi secondi dopo che stata avviata la simulazione e il pulsante Download Partial rimanda ad una pagina con un messaggio di errore del tipo file not found si pu provare ad aprire le impostazioni del proprio account VO premendo il tasto verde gridit a fianco alla frase your active VO in alto a sinistra Figura D 23 NEW JOB Refresh Insert APDL n APDL_cam_sempi 80 txt Browse No file selected Upload Insert input ANSYS camera sempl 80 tar 1D 06 11 2013 05 23 42 Outputs file name cam s 80 Set Ouputs Submit I Resubmit this Show Details Browse No file selected Upload P Continue this ERROR Download Partial Delete CPU Number 215 Set CPUNumber Figura D 22 comparsa dello stato di errore Fluka Storage Data Calendar Wiki Hi Nome your active VO NEW JOB Insert APDL A A APDL cam sempl 80 txt Browse No file selected Insert input So ANSYS Sana n Browse No file selected Upload ID 06 11 2013 05 23 42 Outputs file name cam_s_80
273. per verificare nuovamente l efficacia del sistema di raffreddamento nella nuova versione 195 196 stato realizzato il quarto disco del sistema multi collimatore per verificare la stabilit e l assemblaggio dello stesso durante le operazioni di montaggio Sulla base delle problematiche riscontrate sono state apportate le modifiche necessarie ai modelli di riferimento Una volta ultimato l intero assieme sono stati rinominati tutti 1 componenti secondo le codifiche in uso eseguite le tavole costruttive dei singoli componenti in vista della loro realizzazione alcune delle quali sono riportate negli allegati BIBLIOGRAFIA http www adixen fr 2 http www vatvalve com 2 http www comvat com http www friatec com 197 198 CONCLUSIONI E SVILUPPI FUTURI Nel presente lavoro di tesi stato sviluppato il Front End protonico per il progetto SPES completo di tutti i dispositivi che si rendono necessari per il trasporto e il controllo del fascio protonico capace di soddisfare le specifiche condizioni operative Sulla base delle caratteristiche del fascio protonico e dei vincoli di carattere funzionale suggeriti dalla letteratura sono stati definiti i dispositivi di collimazione e i sistemi di diagnostica che si rendono necessari per avere un controllo soddisfacente del fascio considerato in grado di funzionare in condizioni di sicurezza Al riguardo 11 codice di calcolo Ansys si rivelato un valido st
274. permette di conoscere forma e posizione del fascio istante per istante dunque la misura dell intensit di corrente si rivela indispensabile in questo caso per risalire alla conoscenza di tali parametri E possibile stimare l ordine di grandezza delle correnti circolanti richiamando alcune definizioni L intensit di corrente 7 direttamente proporzionale al numero di atomi al secondo che vengono ionizzati ed accelerati e che colpiscono il bersaglio la seguente relazione 2 3 valida per un fascio ionico continuo e stabile in cui ogni ione ha una carica singola 43 2 2 3 e Per cui dalla misura della corrente J possibile conoscere il numero di ioni N che provengono nella sezione di misura nel tempo t essendo e la carica elementare dell elettrone pari e 1 602 10719 Questa espressione molto accurata per via della relazione diretta tra corrente misurata e numero di ioni Infatti poich come stato detto la carica elementare di un elettrone 1 602 1071 Coulumb ed un Ampere corrisponde ad un Coulumb sec una corrente di 1 nA corrisponde ad un flusso di 6 25 101 elettroni al secondo 1 1079 5 ina 110P A 1 10 3 lt o 6 5 1602 10 9C e 6 25 10 e s La corrente rilevata nei dischi molto bassa Infatti facendo riferimento alle caratteristiche del fascio considerato energia specifica di 40 MeV u e potenza di 8 kW si possono stimare il numero di particelle incide
275. pionata istante per istante dai diversi fili che la costituiscono mano a mano che questi intercettano il fascio Pertanto durante la movimentazione della sonda i segnali acquisiti sono sensibili alle variazioni longitudinali e trasversali dell intensit del fascio misurata nel tempo La soluzione a griglia si rivela pi sensibile nei riguardi della sincronizzazione diretta rispetto alla soluzione a filo in particolar modo nelle applicazioni che vedono la scansione dei fasci pulsati Nei profili a griglia l integrazione del segnale ottenuta come somma dei contributi che derivano dai singoli filamenti migliora il rapporto segnale rumore dell intensit misurata del fascio Nella soluzione a filo le diverse configurazioni angolari assunte dal filo durante la rotazione permettono di misurare una potenza del fascio superiore rispetto a quella misurata da una griglia statica Il disturbo prodotto nel segnale acquisito causato dall emissione degli elettroni secondari minimizzato nella configurazione a filo L elettronica di acquisizione dati pi conveniente per la soluzione a filo Infatti per la configurazione a griglia richiesto un canale dedicato per ogni filamento presente Figura 5 4 tuttavia in entrambi i casi se non vi alcuna necessit di digitalizzare 1 segnali per l elaborazione nel computer i profili possono essere monitorati utilizzando un normale oscilloscopio Grid Selection 9
276. privi di carica non alimentano la forza repulsiva elettrostatica come se non bastasse la forza coulombiana limita pure l esistenza di elementi super pesanti dato che il corto raggio di azione della forza nucleare forte non permette un efficace opposizione alla forza elettrostatica agente invece a pi lungo raggio I nuclei con eccesso o difetto di neutroni e quindi lontani dalla valle di stabilit sono radioattivi e decadono con emissione di particelle alfa beta neutrini e raggi y Tali nuclei instabili vengono comunemente chiamati esotici ed al momento circa 2000 di essi sono stati prodotti e caratterizzati in laboratori di ricerca di tutto il mondo Calcoli teorici prevedono tuttavia l esistenza di un numero di nuclei esotici molto pi elevato pi di 6000 cosicch possibile che un gran numero di essi sia presente nella cosiddetta terra incognita che comprende la regione ricca di neutroni n rich e quella dei nuclei superpesanti SHE Super Heavy Elements La stabilit di questi nuclei una questione fondamentale nella scienza nucleare e recenti studi hanno dimostrato che l esistenza di nuclei con numero atomico pi grande di 102 interamente affidata agli effetti quantistici che gli specialisti definiscono di shell La carta dei nuclidi rappresentata in Figura 1 2 individua e classifica i nuclei in base al numero di protoni Z e al numero di neutroni Nuclei stabili lt 300
277. ratta di uno sviluppo della sorgente MK ISOLDE sviluppata dal CERN Il componente principale della sorgente MK la hot cavity un tubicino in renio all interno del quale avviene la ionizzazione 20 SCHERMO PERLA SCHERMO PER LA HOT SORENTE DI CAVITY IONIZZAZIONE TRANSFERT LINE CONNETTORE i ELETTRICO SUPPORTO PERIL CONNETTORE ELETTRICO Figura 1 12 Architettura sorgente di ionizzazione MK1 La hot cavity dotata di un opportuno invito conico viene accoppiata per interferenza al foro centrale del supporto support in tantalio la gestione delle tolleranze tale da impedire qualsiasi movimento relativo tra i due componenti Dall altra parte il collegamento con la linea di trasferimento avviene per mezzo di un tappo bush in tantalio sul quale vanno in battuta sia la linea di trasferimento sia la hot cavity Le elevate temperatura raggiunte dalla sorgente di ionizzazione in condizioni di utilizzo fanno si che i componenti si saldino tra loro Il collegamento tra il supporto e la flangia principale avviene mediante 4 viti DIN9 2 M5x12 Tra supporto e flangia principale viene interposto uno schermo screen in tantalio si tratta di un componente fondamentale l estrazione degli isotopi radioattivi 21 Surface Ion Source Attraverso la Surface Ion Source la ionizzazione causata dallo strisciamento degli isotopi radioattivi provenienti dal target sulla superficie interna della hot cavity A causa di t
278. rattamenti superficiali finalizzati all incremento dell emissivit globale dei materiali A 1 Introduzione In questo capitolo vengono descritti i principali trattamenti superficiali che possono essere eseguiti nelle parti in lega di alluminio interessate da scambio termico al fine di incrementarne l emissivit globale e favorire lo smaltimento delle potenze termiche in gioco nei flussi radianti Come possibile constatare nei capitoli precedenti la termica gioca un ruolo di fondamentale importanza per il collimatore e la faraday cup nel progetto SPES in particolare abbiamo visto che i dischi collimatori raggiungono un livello di temperatura prossimo ai 000 C e la faraday cup raggiunge temperature prossime ai 2000 C ed entrambi i dispositivi in questione vengono mantenuti in vuoto nelle rispettive camere raffreddate facile a questo punto dedurre che le modalit di trasmissione del calore che controlleranno il problema saranno la conduzione ed in maniera preponderante l irraggiamento La conduzione termica dovuta alla cessione di energia cinetica da parte di molecole in zona a pi alta temperatura verso altre molecole in zona adiacente a pi bassa temperatura a questa componente di scambio termico nei metalli si aggiunge la componente elettronica dovuta al movimento degli elettroni da un punto di vista macroscopico la conduzione si manifesta come scambio di calore all interno di corpi solidi liquidi gassosi senz
279. re lo script APDL e un archivio in formato tar contenente tutti i file necessari all analisi cio 1 modelli geometrici iges igs eventuali macro mac etc Per creare tale archivio che non deve essere compresso opzione NON COMPRESSO o STORE nel software per gestire gli archivi si possono utilizzare programmi quali 7zip scaricabile gratuitamente 259 importante creare un archivio dei file necessari alla simulazione e non contente invece la cartella con i file all interno inoltre per evitare errore nel lancio dell analisi e nella gestione dei file sul portale conviene che i nomi di tutti gli oggetti cio APDL ed archivio non contengano spazi o punti Una volta in possesso di questi prerequisiti si pu cliccare sulla voce NEW JOB per procedere col caricamento dei file necessari Comparir la seguente schermata Figura D 19 nome your active VO 400 ere 9664 2012 05 22 42 Figura D 19 schermata iniziale per il lancio di una simulazione Procedere come segue 1 Cliccare sul tasto Browse alla voce Insert ADPL Si aprir una finestra da cui selezionare il file di testo corretto Confermare la scelta con il tasto Upload 2 Procedere al caricamento dell archivio tar cliccando sul tasto Browse alla voce Insert Input possibile selezionare l archivio Confermare con il tasto Upload come in precedenza 3 Impostare il nome del
280. rea dA rispetto a tutte le lunghezze d onda e tutte le direzioni possibili di emissione Il parametro emissivit molto sensibile alle variazioni di temperatura e allo stato di finitura superficiale della porzione di area considerata per lo scambio termico possibile al riguardo fissare alcune regole di ordine generale per i diversi materiali e Le emissivit dei conduttori metallici sono basse ed essenzialmente proporzionali alla temperatura assoluta la costante di proporzionalit varia per i diversi metalli con la radice quadrata della resistivit elettrica e Le emissivit dei materiali non conduttori elettrici in cui vanno inclusi anche gli ossidi metallici sono molto pi alte e a differenza dell emissivit dei metalli generalmente diminuiscono all aumentare della temperatura l emissivit dei refrattari a 1500 C ridotta ad 1 3 circa del valore a 1000 C e Il valore di emissivit dei materiali non metallici in genere maggiore di 0 8 a temperatura ambiente compreso tra 0 3 e 0 8 alla temperatura dei refrattari nei forni e L emissivit del ferro e dell acciaio varia fortemente col grado di finitura e di ossidazione della superficie superfici lucidate e non ossidate hanno emissivit compresa tra i valori 0 03 e 0 045 a temperatura ambiente e tra 0 4 e 0 7 ad alta temperatura gt 1000 C superfici ossidate grezze hanno invece valori dell emissivit compresi tra 0 6 e 0 9 a temperatura ambiente
281. reprocessor linitial conditions at time 0 s heat generator on collimator W m3 heat generator on discs W m3 defines a free space ambient temperature for radiation using the Radiosity specifies Gauss Seidel Radiosity Solver options Ispecifies options for Hemicube view factor calculation Ispecifies Stefan Boltzmann radiation constant W m 2 K 4 Ispecifies the temperature offset from absolute zero to zero C 325 VSEL ALL discs VSEL R MAT C_ATJ ALLSEL BELOW VOLU SFA ALL RDSF C_ATJ 1 ALLSEL ALL VSEL ALL shell VSEL R MAT A15083 ALLSEL BELOW VOLU SFA ALL RDSF 0 3 1 ALLSEL ALL VSEL ALL block and shaft VSEL R MAT SS3 16 ALLSEL BELOW VOLU SFA ALL RDSF SS316 1 ALLSEL ALL VSEL ALL suppressor VSEL R MAT Mo ALLSEL BELOW VOLU SFA ALL RDSF Mo 1 ALLSEL ALL ALLSEL ALL VSEL ALL GET nvolu VOLU 0 COUNT nn 0 DO i 1 nvolu nn vlnext nn VSEL ALL VSEL U VOLU nn ALLSEL BELOW VOLU VSEL S VOLU nn ASLV R SFADELE ALL RDSF ALLSEL ALL ENDDO 326 VSEL ALL ALLSEL BELOW VOLU ASEL INVE ADELE ALL 1 LSEL INVE LDELE ALL 1 KSEL INVE KDELE ALL CONVECTION LOADS external convective loads SET airl 5 SET air2 25 SFA 109 CONV airl air2 SFA 110 CONV airl air2 SFA 111 CONV airl air2 SFA 114 CONV airl air2 SFA 115 CONV airl air2 SFA 116 CONV airl air2 SFA 105 CONV airl air2 SFA 106 CONV airl air2 SFA 107 CONV airl air2 SFA 108 CONV airl air2 SFA 126
282. ressione degli elettroni secondari perci l effetto di questi pu perturbare il segnale acquisito La Figura 5 1 mostra un esempio di sonda utilizzata nella configurazione a griglia 7 essa costituita da una matrice formata da due serie di fili realizzati in lega di tungsteno renio W Re disposti ortogonalmente aventi un diametro di 0 1 mm e distanziati tra loro di 1 mm inoltre nella Figura 5 2 rappresentato il relativo sistema di movimentazione utilizzato che vede l utilizzo di un motore pneumatico 1 Figura 5 1 esempio di una sonda utilizzata nella configurazione a griglia 144 Figura 5 2 particolare del sistema di movimentazione utilizzato La Figura 5 3 mostra invece una soluzione del Beam Profiler che utilizza il filo rotante 2 nella soluzione rappresentata lo scanner pu ruotare ad una velocit di rotazione di 750 RPM che corrisponde ad una velocit di scansione di 1 344 mm ms e si appresta ad intercettare trasversalmente un fascio avente un diametro di spot pari a 35 mm il filo realizzato in tantalio ha un diametro di mm e corrisponde indicativamente alla risoluzione che pu essere raggiunta nella scansione Figura 5 3 esempio di un Beam Profiler nell architettura a filo rotante Entrambe le architetture presentano vantaggi e svantaggi in base alle applicazioni specifiche in cui si trovano ad operare 145 Nella configurazione a griglia l intensit del fascio viene cam
283. restazioni progetto EURISOL la realizzazione operativa di tale progetto prevede l allestimento di una facility intermedia in grado di ottenere come prestazioni 10 fissioni s in un target formato da 7 dischi in Carburo di Uranio bombardati da un fascio protonico di 40 MeV a 0 2 mA Il presente lavoro di tesi si inserisce all interno del progetto SPES in particolare stata sviluppata la progettazione completa del sistema collimatore seguita da un analisi termica strutturale del modello generato quindi di fondamentale importanza oltre alla conoscenza delle leggi che controllano la fisica del sistema disporre di uno strumento in grado di prevederne il comportamento nei casi in cui a causa della complessit del problema un approccio analitico risulti incapace di fornire risultati soddisfacenti tale strumento rappresentato dal metodo degli Elementi Finiti 35 BIBLIOGRAFIA M Manzolaro Analisi termica e strutturale del bersaglio diretto per la produzione di fasci radioattivi per il progetto SPES Tesi di Laurea Specialistica a a 2006 2007 Universit degli Studi di Padova G Diavola Fasci di ioni radioattivi ai laboratori nazionali del sud dell INFN il progetto Il Saggiatore 1999 M Lindroos SOL type radioactive beam facilities EPAC 2004 http www eurisol org site02 doc brochureEurisol 100709 italian pdf A Andrighetto et al The SPES Project At LNL AIP American
284. rmette al calore di attraversarla molto facilmente Questo porter ad un raffreddamento della parte pi calda e anche ad un riscaldamento della parte pi fredda Quindi la lamiera trattata su due facce risulta molto utile nelle applicazioni di scambio termico come radiatori e scambiatori calore in genere Questa lamiera si usa nei forni ad atmosfera controllata dove l aria che riscalda 11 forno deve essere tenuta separata fisicamente da quella contenuta all interno del forno 228 e Trattamento Alumite su una faccia La lamiera trattata Alumite su una sola faccia assorbir ed emetter calore prevalentemente su una sola faccia La faccia non trattata assorbir ed emetter poco calore Il materiale tende a comportarsi come una barriera termica Se la superficie trattata pi calda di quella non trattata il calore sar respinto verso la fonte di calore Questa situazione si verifica per esempio nei forni dove il calore viene riflesso e non disperso in questo caso la lamiera Alumite pu essere associata ad un isolante termico per migliorare sensibilmente la riflessione del calore Se la superficie trattata pi fredda di quella non trattata l irraggiamento di calore viene assorbito in modo pi efficiente Questa caratteristica la rende adatta a rivestimenti interni di frigoriferi e contenitori refrigerati contenitori per apparecchiature elettroniche o dissipatori di calore 5 3 Sabbiatura Per incrementare l emissivit n
285. rofiler il disco soppressore il disco collimatore e tutti gli elementi di collegamento che si rendono necessari ovvero i tubi di raccordo e le flange di accoppiamento Errore L origine riferimento non stata trovata Figura 6 10 vista in sezione del modello considerato nell analisi termica 180 Inoltre nei canali di raccordo in riferimento al modello semplificato sono stati inseriti degli schermi in grado di contrastare l irraggiamento prodotto nei riguardi di alcune parti in acciaio ritenute critiche questi sono realizzati da una serie di dischi in tantalio coassiali opportunamente distanziati e forati per non ostacolare il raggiungimento del vuoto In particolare stato adottato uno schermo in corrispondenza del Beam Profiler per contenere le temperature raggiunte nel passante rotante e nel sostegno in acciaio mentre un altro schermo stato posizionato in prossimit della pompa turbomolecolare al fine di limitare livelli termici delle parti in acciaio Sulla base del modello semplificato descritto stato realizzato un programma APDL che riassume i comandi per l esecuzione dell analisi mediante il codice di calcolo ANSYS Quindi dopo aver importato i files IGS del modello 3D sono state importate le caratteristiche dei materiali e definite le emissivit delle parti interessate da scambio termico per irraggiamento Al rigurdo per la consultazione dei comandi implementati si rimanda alla lettura del listato pre
286. rollo di posizione reso possibile adottando per esempio un azione di controllo proporzionale integrale derivativa PID dopo che sia stata eseguita un attenta taratura dei guadagni Dunque la valutazione della velocit di rotazione coinvolge diversi aspetti e la scelta del valore ottimale un risultato di compromesso che varia a seconda delle specifiche funzioni richieste 157 Analizzando la rotazione del filo nel caso specifico Figura 5 15 il movimento dello stesso inizia da una posizione di riposo in cui non intercettato dal fascio 0 quindi prosegue nel movimento per eseguire la scansione fino a raggiungere la posizione finale di riposo met dell angolo giro 1809 nella scansione successiva il filo prosegue nel movimento rotatorio fino a completare un giro completo 360 oppure pu invertire il senso per tornare nella posizione di partenza 0 Proton beam 180 Wire position Figura 5 15 schema del percorso seguito dal filo durante il processo di scansione Per la determinazione della velocit minima di funzionamento si reso necessario valutare il tempo massimo di surriscaldamento del filo durante il processo di scansione in riferimento alla temperatura limite di utilizzo del tungsteno al riguardo stata condotta un attenta analisi termica transitoria Il modello discretizzato rappresentato dal filo elicoidale e da un blocco cilindrico di grafite che riassume la presenza della Farada
287. rranno descritte nei prossimi paragrafi in maggior dettaglio dopo che sono stati definiti tutti gli elementi che compongono il sistema ohmico resistivo 86 3 1 2 2 Modellazione e realizzazione dell apparato sperimentale Il sistema ohmico resistivo facente parte dell apparato sperimentale costituito dal petalo in grafite l oggetto che si vuole testare e dai supporti necessari al sostegno dello stesso e al trasporto della corrente Le geometrie degli elementi gi esistenti nella camera hanno rappresentato un vincolo geometrico per la progettazione dettagliata assieme alla necessit di concepire geometrie semplici facilmente realizzabili dal punto di vista tecnologico e nel contempo funzionali Nella Figura 3 8 sottostante rappresentata una schematizzazione della soluzione adottata ottenuta con modellatore solido CREO Sustain Petal Upper plate Lower plate Figura 3 8 vista del sistema completo sinistra e del sistema ohmico resistivo destra Come gi stato anticipato la geometria del petalo concepita nella versione originale stata modificata per ragioni di carattere funzionale in riferimento al test sperimentale che si intende eseguire In particolare prevedendo in questo elemento un passaggio di corrente in senso radiale si sono resi necessari degli accoppiamenti con viti in corrispondenza delle superfici curve in modo da assicurare un collegamento saldo dell elemento con dei terminali elettr
288. rsione sviluppata Figura 6 21 vista del quarto disco collimatore nella prima versione Nella figura si pu notare la presenza degli elementi elastici interposti tra gli isolatori e la camera dai risultati ottenuti precedentemente stato possibile optare per il non utilizzo di tali elementi vista la resistenza strutturale offerta dagli isolatori verificata durante 1 test sperimentali eseguiti Durante il fissaggio delle viti si sono riscontrati dei problemi nell inserimento della chiave inglese per le operazioni di avvitaggio l inconveniente stato risolto aumentando l estensione dello scavo in modo tale da agevolare l assemblaggio e avere dei margini maggiori in termini di spazio Durante le fasi di assemblaggio il sistema ha riscontrato alcune labilit infatti in riferimento ad un modello teorico si osserva come il disco sia composto da 4 corpi indipendenti accoppiati e i gradi di libert non vincolati favoriscono delle mobilit indesiderate Inoltre lo spazio garantito tra i petali non risulta costante lungo la direzione radiale e le deflessioni riscontrate durante il fissaggio dei componenti compromettono la circolarit del foro collimatore oltre che compromettere l isolamento elettrico dei petali se questi venissero in contatto 190 Dunque per aumentare l affidabilit e la rigidit del sistema si ritenuto opportuno vincolare le 4 parti utilizzando ulteriori isolatori ceramici Figura 6 22
289. rumento nel corso della progettazione dei dispositivi infatti le analisi agli elementi finiti svolte hanno permesso di verificare la resistenza termica e meccanica dei singoli componenti simulando le reali condizioni operative oltre che individuare le criticit riscontrate in corso di definizione In particolare stato definito il sistema multi collimatore in grado di conformare il fascio secondo un certo diametro di spot e rilevare le caratteristiche dello stesso in termini di forma e posizione nonch la valutazione delle componenti rotative che lo caratterizzano Le verifiche termiche e strutturali dei singoli elementi si sono rese necessarie per l affinazione del modello e i componenti critici maggiormente sollecitati sono stati sottoposti a test sperimentali specifici Le misure sperimentali ottenute unitamente ai risultati delle analisi svolte hanno potuto convalidare la resistenza dell intero dispositivo per poter garantire un funzionamento in condizioni di sicurezza Un importante sviluppo di questo progetto consiste nell ottimizzare il sistema di rilevazione della corrente che circola nei dischi collimatori prevedendo opportuni schermi soppressori utilizzati per mitigare l effetto indesiderato prodotto dagli elettroni secondari Inoltre stato definito un sistema di diagnostica completo che prevede l utilizzo di due dispositivi accoppiati nella stessa camera il Beam Profiler e la Faraday Cup Per il primo stata proposta
290. s and protect your GRID credentials e g private keys passwords sensitive data and files 3 You shall immediately report any known or suspected security breach or misuse of the GRID or GRID credentials to the incident reporting locations specified by the VO and to the relevant credential issuing authorities 4 Use of the GRID at your own risk There is no guarantee that the GRID will be available at any time or that it will suit any purpose 5 Logged information including information provided by you for registration ad and seniii only This infarmation mav he diechesd fe other 1 confirm I have read and agree with the terms expressed in the VO Acceptable Usage Policy document displayed above Submit Figura D 5 inserimento dei dati attraverso la VO 253 Si pu procedere ora alla registrazione alla Virtual Organization andando all indirizzo https voms cnaf infn it 8443 voms gridit Accedere alla pagina anche se compaiono messaggi di Warning e autorizzare l identificazione tramite certificato Si aprir una schermata come quella in Figura D 5 in cui immettere i propri dati Spuntare la casella a fondo pagina sotto le condizioni e procedere con submit Apparir la schermata di conferma in cui si comunica l invio di una mail alla propria casella di posta con le successive istruzioni per procedere Figura D 6 Nella mail da parte di VOMS Admin for VO gridit contenuto un r
291. scio in uscita dovr essere necessariamente collimato da un ulteriore disco posto a valle al fine di conformarlo in un profilo perfettamente circolare e recuperare l energia che altrimenti andrebbe perduta Aspetto peculiare del quarto disco risiede nella labilit che nasce tra i diversi petali adottando tale soluzione infatti gli isolatori che insistono nelle rispettive sedi sono accoppiati con un leggero giuoco per poter essere fissati la rotazione relativa che nasce tra 11 diversi settori compromette l integrit strutturale in termini di labilit giacch a differenza degli altri dischi questo non pu essere considerato come un corpo unico Per ovviare a tale problema possibile per esempio prevedere un secondo isolatore interposto tra i petali che inibisce la rotazione relativa e dunque blocca gradi di libert ma l estensione radiale esigua non lascia spazio per poter aggiungere altri componenti Tuttavia tale inconveniente pu essere considerato un vantaggio perch permette di ottenere una maggior flessibilit durante le operazioni di fissaggio dei petali che compongono il quarto disco e in un sistema cosi compatto dovendo operare su spazi molto ristretti e con componenti di piccole dimensioni risulta essere di fondamentale importanza in vista dell assemblaggio e della manipolazione Per tutte le viti utilizzate si cercato di minimizzare il passo in modo tale da avere un miglior controllo nella calibratura 0 5 mm e le sago
292. sente in appendice Nell analisi termica si scelto di discretizzare 11 modello con l elemento volumetrico SOLID 90 tale elemento costituito da 20 nodi ognuno con un grado di libert la temperatura Figura 6 11 Tetrahedral Option MNOP UVWX Figura 6 11 geometria dell elemento SOLID 90 Il modello stato discretizzato con una mesh ad elementi tetragonali aventi come dimensione caratteristica pari a 8 mm per la camera esterna mm per la sonda rotante e 3 mm per i restanti componenti Figura 6 12 181 Figura 6 12 rappresentazione della mesh generata Per quanto riguarda il carico termico che rissume il sistema di raffreddamento della camera analogamente a quanto fatto nell analisi termica descritta nel capitolo 4 sono stati applicati dei carichi convettivi in prossimit dei canali della camera al fine di simulare 11 flusso dell acqua deionizzata utilizzata come fluido vettore e vincolata alla temperatura di 35 Analogamente a quanto fatto precedentemente per il Beam Profiler e per la Faraday Cup sono state applicate le potenze per unit di volume nelle porzioni intercettate dal fascio protonico In particolare stata assegnata a una potenza di 640 W in corrispondenza della porzione di filo intercettata dal fascio e una potenza di 8 kW nel blocco di grafite in prossimit della parte investita dallo spot Nella Figura 6 13 rappresentato l andamento di temperatura che risulta dall analis
293. shell 1 6 shell 1 7 shell 1 8 shell 1 9 shell 1 10 shell 1 11 shell 1 12 2 15 15 15 15 15 15 15 15 CFCLOS PATH 6 2 30 30 IPETAL path x y z PPATH 1 0 5000000E 03 0 1599219E 01 0 5250000E 01 PPATH 2 0 5000000E 03 0 4749737E 01 0 5250000E 01 PDEF S 1 PDEF S 2 PDEF S 3 PDEF S EQV PDEF U X PDEF U Y PDEF U Z PDEF U SUM 306 PAGET petal table ALLSEL CFOPEN SD results dat APPEND VWRITE PETAL C VWRITE Position m Stress 1 Pa Stress 2 Pa Stress 3 Pa Stress VM Pa Disp X m Disp Y m Disp Z m Disp SUM m 10 17 17 17 17 17 20 20 VWRITE shell 1 4 petal 1 5 petal 1 6 petal 1 7 petal 1 8 petal 1 9 petal 1 10 petal 1 11 petal 1 12 2 15 15 15 15 15 15 15 15 CFCLOS PATH 7 2 30 30 INSULATOR path x y z PPATH 1 0 3090057E 01 0 3090057E 01 0 6150000E 01 PPATH 2 0 3443610E 01 0 3443610E 01 0 6150000E 01 PDEF S PDEF S 2 PDEF S 3 PDEF S EQV PDEF U X PDEF U Y PDEF U Z PDEF U SUM PAGET insulator table ALLSEL CFOPEN SD results dat APPEND VWRITE INSULATOR C VWRITE Position m Stress 1 Pa Stress 2 Pa Stress 3 Pa Stress VM Pa Disp X m Disp Y m Disp Z m Disp SUM m 10 17 17 17 17 17 20 20 VWRITE insulator 1 4 insulator 1 5 ins
294. siano presenti altri sistemi di dissipazione del calore che vengono a sovrapporsi come per esempio lo scambio termico radiativo verso l ambiente esterno L ipotesi di considerare tutto il flusso di calore termico entrante dissipato per convezione attraverso dei canali di raffreddamento si dimostra valida in quanto il calore dissipato per convezione prevalente rispetto a quello dissipato per irraggiamento Infatti in presenza del raffreddamento per sola convezione forzata la temperatura dell oggetto viene mantenuta relativamente bassa e perci l irraggiamento che ha dipendenza con la quarta potenza della temperatura e inifluente Il fluido vettore utilizzato per il raffreddamento acqua trattata Viene ipotizzata la temperatura d ingresso ti 20 C e la velocit media di deflusso attraverso i canali u 1m s La velocita scelta in ragione del fatto che esiste un range consigliato per le velocita di deflusso che per canali in alluminio Umin 1m S Umax 1 5 m s Al di sotto di tale range si incorre in pericolo di sporcamento dei canali mentre al di sopra vi pericolo di erosione Nel caso specifico l acqua di raffreddamento trattata ai fini di limitare l attivazione e scorre in canali scavati all interno di un solido pieno Si sceglie di realizzare il canale in un unico passaggio evitando le complicazioni fluidodinamiche di divisione delle portate perci si sceglie un valore opportuno per la portata in ingr
295. so vuoto raggiunto nel tratto del ramo principale viene monitorato dal misuratore Gb0 Figura B 3 Ga2 y Gat Gb2 SZ Va Pt vs2 4 ver vela Vbi SZ Gbo Pp Figura B 3 esclusione del ramo di by pass e realizzazione del basso vuoto nei tratti indicati in rosso Una volta raggiunto il basso vuoto nel tratto del ramo principale Figura B 4 viene accesa la pompa turbomolecolare che nelle condizioni di regime provvede a far raggiungere pressioni nell ordine dei 0 mbar all aspirazione nei condotti interessati tratti indicati in blu Quindi viene aperta la gate valve al fine di inibire il ramo di by pass e mettere in collegamento l aspirazione della pompa turbomolecolare con il volume del tripletto A questo punto raggiunte le condizioni di regime del sistema l alto vuoto raggiunto viene monitorato dagli appositi misuratori Gal e Ga2 Figura B 4 239 Figura B 4 accensione della pompa turbomolecolare e realizzazione dell alto vuoto nel tripletto e nei tratti indicati in blu B 3 Descrizione dell apparato sperimentale In riferimento allo schema equivalente esaminato sono stati reperiti tutti i componenti neccessari alla realizzazione dell apparato sperimentale Inizialmente sono stati allestiti il ramo di by pass e il ramo principale separatamente utilizzando tubi di collegamento anelli di guarnizione clumps e flange al fine di garantire il
296. sso della camera Lrc Lunghezza della Faraday Cup WP Workpiece a seconda delle applicazioni l utilizzazione pu essere wafer semiconduttore componenti da saldare con fascio elettronico altre utilizzazioni IP Fascio di ioni primari ES Elettroni secondari emessi A Amperometro o Elettrometro apparato rivelatore dell intensit di corrente elettrica La tazza metallica la parte sensibile del dispositivo ed ha come funzione quella di intercettare e raccogliere gli ioni del fascio che si intende analizzare Per fascio si intende un flusso ordinato di particelle cariche o di ioni nel caso specifico gli atomi vengono ionizzati ed accelerati in una certa direzione all interno di una conduttura ad alto vuoto ed hanno carica elettrica negativa se sono dotati di un elettrone in pi oppure positiva se hanno una carenza di un elettrone Il fascio entra attraverso l apertura della tazza e quando gli ioni vengono a contatto con la superficie di essa prelevano l elettrone di cui necessitano per bilanciare la propria carica Nella Faraday Cup come pure per il collimatore gli ioni accelerati sono atomi di idrogeno privati del loro unico elettrone dunque tali elementi hanno carica positiva e il loro nucleo formato da soli protoni per questa ragione il fascio detto protonico 43 Caratteristiche e Parametri di progetto della Faraday Cup La Faraday Cup rappresenta uno strumento di diagnostica distruttivo i
297. stomer seals O Ring NPT To 150 C Bere ae cic 25 C minute Temperature Range E cable connectors Cable Connectors 65 C to 165 C Max Voltage Shield Ground 1 000V DC for floating shields Shield Pin 500V DC Max Voltage for grounded shields 500V DC Max Current 0 5 267 SMB Feedthroughs Cabling Instructions SLEEVE CONTACT NUT INSULATOR 1 Slide grip sleeve over cable jacket Cut and strip cable jacket braid and the dielectric to dimensions indicated in drawing Make all cuts square Do not nick braid dielectric or center conductor Wet conductor using a non acid 60 40 tin lead solder Do not overheat Rar mp 4 0 49 2 Flare braid slightly but do not fray Slide nut onto cable so that stem slides under braid Push until dielectric bottoms out inside nut 3 Slide grip sleeve forward over braid and butt against nut Remove all slack in braid Crimp grip sleeve keeping cable dielectric bottomed out inside nut Slide contact in place using non acid flux Do not get solder on outside surface of contact Lr e 4 Slide insulator over contact then slide cable assembly into shell Screw together with wrench holding cable assembly stationary while rotating shell Isolatore ceramico Azienda Alusik Codice prodotto type C799 R207 Riferimenti http www ingenieurparadies de 268 Technical data Quality Chem phys Composition Type acc
298. sumo del carburante nucleare procede stabilmente e dura bilioni di anni altre volte esplosivo e dura pochi minuti o pochi secondi Nelle differenti fasi della consunzione delle stelle vengono sintetizzati nuovi elementi chimici sia tramite processi di nucleosintesi che seguono strettamente la valle di stabilit sia attraverso processi che si svolgono in un territorio sconosciuto Per sviluppare un modello che descriva il meccanismo di nucleosintesi necessario misurare le rese delle reazioni nucleari relative ai principali cicli astrofisici e le caratteristiche di decadimento di molti nuclei tuttora sconosciuti Queste essenziali informazioni includono i tempi di vita le masse ed i principali canali di decadimento di un numero di nuclei chiave lontani dalla stabilit Le reazioni nucleari coinvolgenti nuclei instabili possono essere misurate unicamente con un fascio radioattivo per tale motivo si prevede che la nuova generazione di facilities per la produzione di fasci radioattivi risulter di fondamentale importanza per la comprensione della sintesi elementare nell Universo 34 1 4 Conclusioni L importanza assunta negli anni dai fasci radioattivi sia per la ricerca teorica che applicata ha spinto la comunit scientifica internazionale a costruire numerose facilities per la loro produzione il progetto SPES ai Laboratori Nazionali di Legnaro rientra nell ambito della realizzazione di una facility europea di tipo ISOL ad alte p
299. t parallela al campo magnetico 0 0 0 ed massima pari a q v B quando ortogonale a B 0 7 2 La direzione della forza ortogonale al piano individuato dai vettori 7 e B ed il verso determinato dalla nota regola del prodotto vettoriale se la carica positiva mentre opposto se la carica negativa ricordiamo che il verso del risultato di un prodotto vettoriale quello di avanzamento di una vite destrosa che nella sua rotazione porta 7 su B regola della vite regola della mano destra Gli ioni primari posseggono una carica positiva mentre gli elettroni secondari emessi posseggono una carica negativa tuttavia gli ioni posseggono una velocit ed una massa nettamente superiore a quella degli elettroni secondari che sono pi leggeri e lenti E l elevata inerzia degli ioni la ragione per cui essi non subiscono nessuna deviazione a differenza dagli elettroni Per fasci con energie inferiori a 2MeV u gli elettroni secondari emessi sono in rapporto 1 10 rispetto agli elettroni prelevati Se indichiamo con 0 l angolo che la traiettoria degli elettroni secondari forma con la linea d asse del fascio si ha che la porzione f di elettroni che fuoriescono dalla coppa dipende dal rapporto tra l apertura della tazza R e la lunghezza Lrc Da una semplice stima si ha che sin 0 R R con arctan 2 2 82 12 Lrc Si evince come Lr deve essere necessariamente maggiore di R per
300. ta anche dalla composizione della lega Generalmente alti spessori si possono ottenere con il metallo puro mentre con leghe da trattamento termico ad alto contenuto di alliganti si ottengono spessori molto minori Con leghe al Magnesio si nota dopo un massimo una riduzione di spessore imputabile alla solubilit degli ossidi formati Infatti mentre nei primi secondi di trattamento un aumento della concentrazione di Magnesio provoca un aumento del tasso di crescita dell ossido successivamente predomina la dissoluzione degli strati formati e quindi un rallentamento di crescita e successivamente diminuzione di spessore Pretrattamenti ancoraggio realizzazione pratica L anodizzazione richiede un alto grado di pulizia della superficie da trattare poich residui di oli o grassi di lavorazione ma anche solo impronte digitali da manipolazione diminuiscono l efficacia della soluzione elettrolitica e producono superfici irregolari Generalmente i manufatti da trattare vengono puliti mediante trattamenti con vapore emulsioni sgrassanti spesso seguiti da pulizia finale in soluzione alcalina Quest ultima fase necessaria per rimuovere eventuali film impuri di ossidi che si possono depositare durante le lavorazioni precedenti 222 L operazione di pulizia deve essere condotta con attenzione evitando un eccessivo prolungamento del trattamento che renderebbe la lega pi suscettibile alla corrosione sotto stress La fase successiva
301. tale dello scambio termico Q cp AT si pu risalire al surriscaldamento subito dal fluido vettore che risulta essere 2 11 29 Q 3000 W AT c m p 4184 4 J KgK 5 107 m3 s 998 16 Kg m 14 37 C 2 11 L acqua dunque entra alla temperatura 7 20 C assorbe la potenza termica prodotta ed esce alla temperatura 7 34 37 C Tuttavia le propriet dell acqua sono state valutate alla temperatura d ingresso per un calcolo pi preciso opportuno valutarle alla temperatura media tra l ingresso e l uscita Tm 27 18 C ricalcolando il tutto considerando come temperatura di riferimento per le propriet dell acqua si ottengono valori aggiornati dei termini a AT T e Tm In particolare dopo 2 iterazioni si raggiunge la convergenza fino alla seconda cifra decimale sulle temperature Considerando l ultima iterazione alla temperatura Tm 27 20 C le propriet dell acqua valgono Densit Conducibilit Viscosit Calore p Kg m W mK u Kg ms specifico cp KgK 996 39 0 61081 0 0008493 4180 94 e il calcolo fornisce i seguenti valori aggiornati Re 7821 26 Pr 5 81 Nu 62 84 a W m 5757 64 34 40 AT C 14 40 A questo punto possibile calcolare la superficie di scambio S richiesta per smaltire la potenza termica di progetto Q 2 12 0 2 12 56 Dove rappr
302. tato nella Figura 2 15a Esso viene realizzato come un unico canale ricavato sulla superficie esterna della camera e delle ulteriori placche opportunamente sagomate si rendono necessarie per la chiusura del condotto stesso al riguardo sono previste delle battute di riferimento Figura 2 15b al fine di garantire un buon accoppiamento delle placche con la camera in vista delle operazioni di saldatura Figura 2 15 a sistema di raffreddamento b particolare delle battute di accoppiamento Per l acquisizione dei segnali di corrente che circolano nei diversi dischi vengono utilizzati dei connettori elettrici nel caso in esame si sono resi necessari dei dispositivi con caratteristiche specifiche per far fronte alle particolari condizioni di lavoro in particolare 58 e Massima corrente circolante i 0 2 mA e Condizioni di alto vuoto p 10 mbar e Ambiente radioattivo e Resistenza alle alte temperature Tali aspetti sono stati determinanti per la scelta dei connettori viste le diverse alternative presenti nel mercato La soluzione finale Figura 2 16 soddisfa le funzionalita richieste e nel contempo non pregiudica in maniera significativa l ingombro della camera nel quale andranno alloggiati Infatti tali connettori sono fissati mediante opportune flange di accoppiamento in prossimit di opportune spianature realizzate sulla superficie esterna della camera mentre degli anelli di tenuta si rendono necessari per garantire le
303. te sullo stesso computer con cui si cominciata la procedura e utilizzando lo stesso browser altrimenti alcuni parametri non correttamente impostati possono bloccare il processo di registrazione ad esempio pu essere impossibile scaricare il certificato dal link fornito dalla Registration Authority ed cos impossibile accedere ai siti qui indicati questo almeno fino a che non si ottenuto il certificato personale e lo si caricato nelle macchine da cui si vuole completare l operazione Figura D 4 P You have certificates from these organizations that identify you Nome Cognome Software Security Device 70 54 04 11 2014 Figura D 4 finestra di controllo dei certificati 252 Nella scheda di visualizzazione dei certificati sotto personali dovrebbe apparire il vostro Con il comando esporta o backup all si pu salvare una copia del certificato inserendo una chiave di sicurezza di almeno dodici caratteri Si raccomanda di conservare tale copia con la massima cura essendo strettamente personale possibilmente su un dispositivo rimovibile D 3 Registrazione alla VO Virtual Organization voms admin Home Browse VO Configuration Info Request membership Other VOs on this server Welcome to the registration page for the gridit VO To access the VO resources you must agree to the VO s Acceptabie Usage Policy AUP rules Please fi out Saids in the form below and click on
304. temperature C SFA 37 CONV airl air2 thermal convection on selected areas SFA 38 CONV air 1 air2 SFA 39 CONV airl air2 BFV 1 HGEN 6 4E9 heat generation on selected volume W m FINISH lexits normally from a processor ali SOLVER PROCESS SOLU lenters the solution processor SOLCONTROL ON Ispecifies whether to use optimized nonlinear solution defaults land some enhanced internal solution algorithms ANTYPE TRANS specifies the analysis type and restart status 336 AUTOTS ON luse automatic time stepping KBC 1 Ispecifies stepped or ramped loading within a load step DELTIM 0 0001 0 0001 1000 specifies the time step sizes to be used for this load step OUTRES NSOL ALL controls the solution data written to the database TIME 3000 sets the time for a load step ALLSEL ALL SAVE ALL SOLVE starts a solution SAVE ALL saves all current database information FINISH lexits normally from a processor F 6 Analisi termica camera di diagnostica FINISH CLEAR ALL Resets the ANSYS database to the conditions at the beginning of the problem CONFIG NRES 1000000 Assign maximum number of results sets substeps allowed on the result file TITLE thermal analysis MATERIALS IMPORT define materials propeties from macro files mac PREP7 lenters the model creation preprocessor Ta USE M26Ta mac calls the macro for Tantalum N 26 USE M29C_ATJ mac calls the macro for Graphite N
305. the submit button at the bottom ofthe page IMPORTANT By submitting this information you agree that it may be distributed to and stored by VO and site administrators You agree that action may be taken to confirm the information you provide 15 correct that may be used for the purpose of controlling access to VO resources and that t may be used to contact you in relation to this activity Afer you submit this request you will receive an email with Instructions on how to proceed Your request willl not be forwarded to the VO managers until you conftem that you have valid email accress by following those Instructions Your certificate subject DN C IT O INFN OU Personal Certificate L LNL CN Gianluca Vivian The CA that issued your certificate IC IT O INFN CN INFN Given name Nome Family name Cognome Institution Universit di Padova cognome Blniininit The VO AUP By registering with the Virtual Organization the VO as a GRID user you shall be deemed to accept these conditions of use 1 You shall only use the GRID to perform work or transmit or store data consistent with the stated goals and policies of the VO of which you are member and in compliance with these conditions of use m 2 You shall not use the GRID for any uniswful purpose and not attempt to breach or circumvent any GRID administrative or security controls You shall respect copyright and confidentiality agreement
306. to elevate Il processo di fissione nucleare che si manifesta quando il fascio di protoni investe sette dischi in carburo di uranio produce nuclei radioattivi aventi massa compresa tra gli 80 ed i 160 uma per la produzione di un RIB la specie esotica desiderata deve essere estratta dal target e ionizzata Tale processo richiede del tempo e non efficiente per isotopi aventi una vita media inferiore a poche decine di millisecondi Il processo di estrazione avviene mediante la linea di trasferimento transfer line attraverso la quale gli isotopi in uscita dal target vengono indirizzati verso la sorgente di ionizzazione ion source dove sono ionizzati positivamente ioni 1 Nell attuale configurazione la linea di trasferimento transfer line un tubo sottile di tantalio saldato al riscaldatore ad un estremit e connesso meccanicamente alla sorgente di ionizzazione all estremit opposta vedi Figura 1 10 18 _ ELECTRODE TARGET 10N SOURCE ag si 4 477 d Figura 1 10 Rappresentazione del sistema di estrazione e ionizzazione del progetto SPES Come accade per il riscaldatore anche il sistema linea di trasferimento sorgente di ionizzazione viene riscaldato mediante dissipazione di potenza per effetto Joule in questo modo la temperatura della sorgente arriva a sfiorare i 2200 C La camera target viene collegata al front end in particolare
307. todo e la consultazione delle tensioni ammissibili calcolate per i diversi materiali oj yy si rimanda al paragrafo 2 9 stato quindi realizzato un programma APDL che riassume i comandi per l esecuzione dell analisi strutturale mediante il codice di calcolo ANSYS per consultare il listato dei comandi implementati e le caratteristiche dei materiali si rimanda all appendice Quindi una volta ultimate le analisi termiche precedentemente descritte ed assegnate le caratteristiche meccaniche ai diversi materiali impiegati noti i campi di temperatura che derivano da queste possibile valutare le tensioni e le deformazioni indotte dai gradienti termici nascenti Innanzitutto si dispone gi di un modello discretizzato con elementi termici quindi risulta relativamente semplice e necessaria ai fini del calcolo strutturale la conversione degli elementi termici in elementi strutturali in particolare nel caso in esame gli elementi SOLID90 vengono convertiti in elementi SOLID186 quest ultimo elemento costituito da 20 nodi ognuno con 3 gradi di libert che rappresentano le 3 traslazioni x y z rispetto a un sistema di riferimento principale Dunque per tale tipologia di elemento le temperature che risultano dalle analisi termiche precedenti vengono ora assegnate come condizioni al contorno iniziali nell analisi strutturale Inoltre di fondamentale importanza vincolare in modo isostatico il modello evitando la nascita di moti rigidi e gradi d
308. tomissione automatica attualmente non prevede l istruzione LSSOVE In alternativa possibile utilizzare un carico progressivo utilizzando un approccio vettoriale e Posizionare il commando SAVE prima e dopo il comando SOLVE senza specificare il Jobname infatti il nome deve essere quello preimpostato file e Per analisi pesanti cio che richiedono pi di 23 ore si consiglia di introdurre l istruzione OTRES NSOL ALL in modo da salvare i risultati al termine di ogni substep Questi verranno automaticamente caricate nell auto risottomissione del Job e necessario assegnare sempre un tempo per l applicazione del carico istruzione TIME tale valore deve essere numerico e non rappresentato da una variabile pena l impossibilit di risottomissione automatica dell analisi e conseguente comparsa dello stato di ERROR Nel caso di analisi non transitorie necessario inserire l istruzione TIME 1 264 BIBLIOGRAFIA A Prevedello Studio elettro termico progettazione meccanica e test del sistema target sorgente per il progetto SPES Tesi di Laurea Magistrale Universit degli Studi di Padova 2012 2013 D Michelotto Analisi e sviluppo di Web Service orientati alla costruzione di sevizi e portali Web per l autenticazione l autorizzazione e la gestione di applicazioni scientifiche in ambiente Grid Tesi di Laurea Specialistica Universit degli Studi di Ferrara Guida utilizzo portale per software Ansys
309. troni prelevati dagli ioni del fascio ma anche quella dovuta all emissione secondaria di elettroni che abbandonano la coppa Per evitare questo effetto indesiderato si utilizza un dispositivo chiamato elettro soppressore Nel prossimo paragrafo verranno descritti i principali sistemi di soppressione adottati e i benefici prodotti in termini di misurazione dei segnali 44 Sistemi di soppressione l elettro soppressore e i magneti permanenti L elettro soppressore consiste in un guscio metallico esterno alla Faraday Cup ma completamente isolato da questa a cui viene applicato un potenziale negativo generalmente maggiore o uguale a 300 V Esso produce un campo elettrico locale di repulsione nella sezione di ingresso che inibisce la fuga degli elettroni dalla camera in questo modo la maggior parte degli elettroni eventualmente emessi rimangono all interno della coppa se fuoriuscenti vengono respinti al suo interno dal potenziale soppressore Il contributo della corrente dovuta all emissione secondaria viene annullato lasciando solamente la corrente dovuta agli elettroni prelevati dagli ioni che viene perci misurata L elettro soppressore pu talvolta consistere in un anello metallico posizionato in prossimit dell apertura della tazza e montato coassialmente a questa mediante opportuni isolatori ceramici L anello di soppressione pu avere un apertura di dimensione maggiore di quella dell ingresso della tazza
310. tteristiche termiche La conducibilit termica definisce la propriet di un materiale di trasportare energia termica attraverso la sua massa L emissivit definisce quanto il materiale assorbe ed emette energia termica sotto forma di irragiamento Non detto che un materiale con una buona conducibilit termica abbia anche una buona emissivit l alluminio un classico esempio di questa situazione L emissivit viene espressa in relazione ad un corpo nero teorico che si presuppone abbia un perfetto profilo di assorbimento e di emissione 226 L importanza dell emissivit pu essere vista riferendosi alla seguente relazione A 10 Q e s A T A 10 dove l energia radiante W m g l emissivit del materiale s la costante di Boltzmann 5 67051 x 10 Wm K 5 A la superficie coinvolta nello scambio termico m7 T la temperatura assoluta del corpo K Se l emissivit bassa si possono raggiungere valori pi alti di Q solo aumentando l area della superficie A o la temperatura di funzionamento T Con un materiale ad alta emissivit come l Alumite il valore Q massimizzato senza la necessit di aumentare la dimensione del componente o la temperatura La radiazione infrarossa lontana far IR consiste in onde elettromagnetiche aventi lunghezza d onda compresa fra 2 e 1000 um Queste onde sono abbastanza forti da eccitare le vibrazioni molecolari dei materiali e la vibrazioni della griglia di cr
311. ucleare per verificare l elettronica nello spazio il trattamento dei rifiuti nucleari e in campo medico per i trattamenti sperimentali dei tumori La disposizione degli apparati nel nuovo stabile Figura 1 4 permette di realizzare le due infrastrutture quella per la produzione del fascio di ioni esotici e la Neutron Facility oltre a permettere il collegamento alle strutture gi esistenti nel complesso dei LNL Di seguito viene fornita una descrizione dei componenti principali appartenenti alla RIB facility attualmente in fase di costruzione ai Laboratori Nazionali di Legnaro 11 Figura 1 4 Layout del progetto SPES 1 2 1 L acceleratore primario L acceleratore primario ha la funzione di produrre un fascio primario di particelle il quale deve essere direzionato verso il target dove la reazione nucleare ha luogo La facility SPES utilizzer come acceleratore primario un Ciclotrone Il mercato infatti offre oggi la possibilit di produrre con soluzioni commerciali fasci di protoni dell intensit e dell energia richiesta dal progetto SPES Il ciclotrone scelto per il progetto SPES il BEST 70p sviluppato dalla BestCyclotron e mostrato in Figura 1 5 il quale e in grado di fornire due fasci di protoni indipendenti uno per il target del progetto SPES l altro per la Neutron Facility fino a 70 MeV di energia e corrente totale di 750 uA 12 Figura 1 5 Il ciclotrone BEST 70p 1 2 2 La zona di produzion
312. uesta appendice sono riportate le tavole costruttive dei componenti del sistema ohmico resistivo descritto opportunamente nel Capitolo 3 Inoltre sono presenti i principali assiemi dei dispositivi sviluppati nel corso della progettazione del Front End protonico ovvero il sistema multi collimatore la Farday Cup e il Beam Profiler 347 348 RINGRAZIAMENTI Un sentito ringraziamento va innanzitutto all Ing Alberto Monetti per la disponibilit e il prezioso aiuto arrecato nella realizzazione di questo elaborato senza il quale non sarebbe stato possibile concretizzarlo Ringrazio l Ing Giovanni Meneghetti per la disponibilit dimostrata nei miei confronti e la fiducia trasmessa nell intraprendere questa grande sfida La sua etica professionale e la grande passione che dedica al suo lavoro da esempio per gli studenti che La seguono sono stati e continuano ad essere per me dei punti di riferimento importanti per la carriera professionale di ingegnere che intendo ambire Ringrazio il Dott Alberto Andrighetto per aver coordinato il lavoro e per avermi offerto la possibilit di lavorare in un ambiente stimolante ed accogliente Grazie a tutte le persone dei LNL in particolar modo alle persone del gruppo SPES che mi hanno accolto caldamente durante la mia permanenza presso i Laboratori Un grande grazie va a Michele Lollo per le piacevoli conversazioni la grande esperienza e la passione che dedica al suo lavoro Ringrazio di cuore l
313. uesto caso risulta A 6 _ Aros Tt T2 der 4 6 1 T 2 dove 912 flusso termico scambiato area del cilindro interno 1 emissivit emisferica globale del cilindro interno 2 emissivit emisferica globale del cilindro esterno os costante di Stefan Boltzmann 5 67051 x 10 Wm K4 temperatura assoluta del cilindro interno T2 temperatura assoluta del cilindro esterno Scopo del calcolo quello di valutare per una fissata potenza termica da smaltire come varia la temperatura del cilindro interno in funzione dell emissivit 2 del cilindro esterno una volta che stata fissata una temperatura T2 uniforme su tutta la superficie di quest ultimo per tale temperatura si fa riferimento alla temperatura massima raggiunta dall acqua nel circuito di raffreddamento in prossimit dello scarico 35 C Dalla relazione precedente si pu ricavare l espressione della temperatura T1 del cilindro interno che risulta essere A 7 A 7 207 DATI 412 3000 W r1 0 048 m r2 0 050 1 0 150 m 1 1000 0 815 35 308 15 RISULTATI 1800 1700 1600 1500 1400 1300 1200 1100 Temperatura T1 C 1000 900 800 700 0 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 1 0 emissivit E2 Figura A 2 andamento della temperatura in funzione dell emissivit e2 Dalla Figura A 2 si evince come l emissivit d
314. ulator 1 6 insulator 1 7 insulator 1 8 insulator 1 9 insulator 1 1 0 insulator 1 11 insulator 1 12 2 15 15 15 15 15 15 15 15 CFCLOS 307 PATH 8 2 30 30 SCREW path x y z 1 0 3302189 01 0 3302189 01 0 2100000 01 2 0 2001112 01 0 2001112 01 0 2150000 01 PDEF S 1 PDEF S 2 PDEF S 3 PDEF S EQV PDEF U X PDEF U Y PDEF U Z PDEF U SUM PAGET screw table ALLSEL CFOPEN SD results dat APPEND VWRITE SCREW C VWRITE Position m Stress 1 Pa Stress 2 Pa Stress 3 Pa Stress VM Pa Disp X m Disp Y m Disp Z m Disp SUM m 10 17 17 17 17 17 20 20 VWRITE screw 1 4 screw 1 5 screw 1 6 screw 1 7 screw 1 8 screw 1 9 screw 1 10 screw 1 11 scre w 1 12 2 15 15 15 15 15 15 15 15 CFCLOS Analisi termo elettrica del petalo Parte TERMO ELETTRICA FINISH CLEAR ALL Resets the ANSYS database to the conditions at the beginning of the problem CONFIG NRES 1000000 Assign maximum number of results sets substeps allowed on the result file TITLE petal_sperimental_analysis MATERIALS IMPORT define materials propeties from macro files mac 308 PREP7 Ta USE M26Ta mac USE M29C ATJ mac AIS083 USE M23AI5083 X mac M27W USE M27W mac M28Cu USE M2
315. ultati quasi identici ma partendo da considerazioni di natura quanto meccanica A 9 U F i KT 4 9 nella quale N la densit di atomi in grado di partecipare al movimento espressa in atomi cm n la frequenza delle vibrazioni atomiche qi la carica posseduta da ogni ione U lo spessore e F il campo elettrico Ulteriori modificazioni sono state proposte in vari studi ma l andamento della corrente simile in quasi tutti i casi in relazione esponenziale con il voltaggio Figura IE dp L FAIT LL PITTI Cumment DENM TY Figura A 6 andamento della corrente ionica in funzione del voltaggio 217 Porosit Come lo spessore anche la porosit del ricoprimento varia con la velocit di dissoluzione e di crescita del film che a loro volta dipendono dalle condizioni operative e dall elettrolita Probabilmente il fattore singolo pi importante il pH della soluzione Infatti mentre una soluzione con acido fosforico pH acido produce uno strato molto spesso e poroso una soluzione contenente fosfati genera uno strato compatto e molto sottile Figura A 7 120 VOLTS Figura A 7 particolari della porosita dello strato anodizzato per diversi voltaggi Il massimo diametro dei pori si ottiene industrialmente con un elettrolita a base di acido fosforico e questa condizione superficiale ottimale per successivi trattamenti di elettrodeposizione Pori via via pi
316. un interfaccia touch screen utilizzata per controllare direttamente il gruppo pompe e per visualizzare eventuali malfunzionamenti dell intero apparato Figura 3 5 Figura 3 5 pannello di controllo touch screen Pirometro ottico Si tratta di un pirometro a infrarosso Ircon 5R 1410 alimentato in DC 24V per la misura di temperatura scala da 600 C a 1400 C Figura 3 6 Figura 3 6 particolare del pirometro ottico 83 3 1 2 Progettazione del sistema ohmico resistivo In questo paragrafo viene descritta la procedura seguita per la definizione dei componenti che costituiscono l oggetto del test ovvero il petalo in grafite e gli elementi di supporto necessari in vista della loro realizzazione Tali elementi sono percorsi da una corrente necessaria a produrre una potenza termica teorica 250W sufficiente a riscaldare l elemento in grafite fino alla temperatura di riferimento 1000 C temperatura pervenuta nelle analisi FEM precedenti e caratteristica delle condizioni operative Prima di procedere con la progettazione dettagliata dei suddetti elementi necessario richiamare brevemente alcuni concetti inerenti alla modalit con cui viene somministrata la potenza termica necessaria l effetto joule 3 1 2 1 Effetto joule L energia elettrica pu essere convertita facilmente in altre forme di energia in particolare energia termica Ci pu essere facilmente osservato in un resistore che quando
317. ure massime registrate nei singoli componenti 95 ANSYS NODAL SOLUTION R15 0 STEP 1 NOV 19 2014 SUB 379 11 15 26 TIME 6000 TEMP AVG RSYS 0 SMN 50 SMX 2043 82 50 493 072 936 143 1379 21 1822 29 271 536 714 607 1157 68 1600 75 2043 82 petal sperimental analysis Figura 3 20 andamento delle temperature C che risulta con corrente I 600A ANSYS NODAL SOLUTION R15 0 STEP 1 NOV 19 2014 SUB 379 11 15 46 TIME 6000 VOLT AVG RSYS 0 SMX 3 26213 E CE TT ere 724919 1 44984 2 17476 2 89967 362459 1 08738 1 8123 2 53722 3 26213 petal sperimental analysis Figura 3 21 andamento del potenziale elettrico V che risulta con corrente I 600 96 Componente Materiale Tmax 400 C Tmax 500 C Tmaxd 600 C Box AISI 316 340 24 451 60 559 00 Sostegno AISI 316 871 80 1093 61 1309 17 Lamina superiore Tantalio 989 56 1282 48 1560 91 Lamina inferiore Tantalio Ta 1521 21 1808 35 2043 79 Connettore Rame Cu 74 89 85 12 95 12 Petalo Grafite C 864 89 1050 97 1227 95 Tabella 3 1 temperature massime riscontrate nei componenti per diversi valori di corrente Le massime temperature raggiunte nei componenti sono indicative dato che si manifestano su volumi strutturali contenuti Tuttavia per attenutare il livello termico dei componenti in acciaio ritenuti pi critici sono state apportate delle modifiche alle geometrie d
318. utilizza acido solforico presentato nel 1927 da Gower e O Brien che oggi viene impiegato con molte varianti e accorgimenti diversi Il processo ad acido ossalico stato sviluppato in Giappone e utilizzato per due decenni anche in Germania Una modifica apportata in Svizzera prevede l uso di una soluzione di acido ossalico contenente Titanio Zirconio o Tallio per ottenere un aspetto superficiale non metallico ma pi simile ad una porcellana I principali parametri di processo nell anodizzazione dell Alluminio sono riportati nella Tabella A 3 Elettrolita Acido Cromico Acido Solforico Acido Ossalico Tipo di soluzione acquosa CrO3 2 5 3 804 20 5 10 Densit di corrente A dm 0 1 0 5 cc 1 2 1 2 Voltaggio V 0 40 14 22 50 65 Temperatura C 40 18 25 30 Tempo di trattamento min 20 50 10 60 10 30 Colore Grigio opaco Senza colorazione Senza colorazione Spessore del Film um 2 15 5 35 15 Applicazioni Protezione Protezione Protezione decorativo Caratteristiche Molto duro Tabella A 3 Parametri di processo dell anodizzazione dell alluminio Bisogna anche menzionare il processo per la produzione di film pi spessi chiamato Hard Anodizing condotto a bassa temperatura in acido solforico al 7 con un voltaggio applicato di 120 V e una corrente circolante che varia dai 2 ai 5 A dm Il trattamento vie
319. variare di questa 3 6 Conclusioni L obiettivo di questi test non stato quello di cercare una concordanza stretta tra valori teorici e sperimentali pervenuti bensi quello di verificare la resistenza meccanica dei componenti d interesse oltre alla temperatura di riferimento di 000 C in particolare e stata verificata la resistenza meccanica del petalo in grafite le dilatazioni termiche prodotte infatti hanno determinato degli stress di compressione tali per cui non stata compromessa l integrit fisica del componente in entrambi i test eseguiti e La filettatura nella parte centrale del corpo in grafite che vede accoppiata l unica vite effetivamente presente nella realt sottoposta a stress di compressione non stata minimamente danneggiata 107 e Entrambi gli isolatori in allumina sono resistiti agli stress di compressione prodotti dunque si pu eventualmente optare per il NON utilizzo degli elementi elastici definiti nel secondo capitolo concepiti come rilassatori di tensione nei dischi collimatori cos che si avr un maggior grado di confidenza sull allineamento dei vari componenti Pertanto nonostante la rottura delle placche in tantalio utilizzate unicamente per l esecuzione dei test nonch garantire il trasporto della corrente gli esiti degli esperimenti eseguiti sono risultati soddisfacenti poich hanno permesso di convalidare i criteri di resistenza adottati per i componenti oltremodo in va
320. ve prodotte Il volume della camera delimitato dallo spallamento di una flangia plate e da un coperchio cover a forma di pentola entrambi realizzati in lega di alluminio mentre la tenuta a vuoto garantita da un O Ring Il target composto da sette dischi coassiali in UCx aventi 40 mm di diametro e circa mm di spessore ed opportunamente distanziati in direzione assiale al fine di dissipare attraverso radiazione termica la potenza sviluppata dal fascio di protoni Essi sono contenuti in una scatola di grafite box avente un diametro esterno e una lunghezza di 49 e 200 mm rispettivamente vedi Figura 1 9 Il fascio di protoni prima di impattare contro 1 dischi attraversa due finestre in grafite Windows molto sottili 0 2 mm per non attenuare l energia del fascio ma di fondamentale importanza in quanto consentono di schermare la zona attiva e di evitare un eccessivo raffreddamento del materiale fissile in corrispondenza dell ingresso del fascio Dopo aver investito le due finestre di grafite e i dischi di UCx il fascio primario va ad impattare su tre dumper e sul fondo scatola box base questi elementi provvedono sia all assorbimento definitivo del fascio che cos non va ad impattare sulla camera esterna sia ad evitare la fuoriuscita di particelle dal lato posteriore del target 5 COPPER CLAMP HEATER TANTALUM WINGS HEATER TANTALUM TUBE PRIMARY BEAM DIRECTION GRAPHITE BOX UC D
321. vere tale inconveniente si pu pensare di sostituire il materiale che costituisce la hot cavity passando al niobio la ionizzazione superficiale viene notevolmente attenuata ELECTRODE ION SOURCE LASER Figura 1 13 Schematizzazione del sistema di ionizzazione RILIS Per avere un efficienza di ionizzazione elevata di fondamentale importanza limitare controllare il disallineamento della hot cavity causato dall espansione termica Se la hot cavity si disallinea viene a ridursi la zona di azione del laser e di conseguenza anche l efficienza di ionizzazione si riduce vedi Figura 1 14 Figura 1 14 Allineamento della hot cavity 23 Di seguito viene riportata una tavola periodica degli elementi Figura 1 15 nella quale vengono indicati in rosso gli elementi di cui attraverso il progetto SPES possibile la produzione degli isotopi In particolare sono evidenziati gli isotopi che possono essere prodotti con le tecniche di ionizzazione superficiale laser o entrambe per la produzione degli altri isotopi si dovr ricorrere alla sorgente al plasma FEBIAD in grado di ionizzare qualsiasi tipo di elemento anche se con efficienze minori rispetto alle tecniche laser e superficiale Specie non estratte Tonizzazione Superficiale Tonizzazione Laser Tonizzazione Plasma n 12 19 20 21 22 23 24 25 26 27 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 104 105 106 107 108 109 110 1
322. y Cup dato che entrambi condividono la stessa camera tale blocco posizionato in modo coassiale rispetto all asse protonico e dista 50 mm dal filo rotante Quindi sulla base del modello stato realizzato un programma APDL che riassume i comandi per l esecuzione dell analisi mediante il codice di calcolo ANSYS per la consultazione dei comandi implementati si rimanda alla lettura del listato presente in appendice Analogamente a quanto fatto precedentemente si discretizzato il modello con elementi SOLID90 e le caratteristiche dei materiali sono rimaste immutate rispetto alle analisi svolte in precedenza Il sistema stato discretizzato con una mesh ad elementi tetragonali aventi come dimensione caratteristica pari a mm per il filo rotante e 8 mm per il blocco di grafite Figura 5 16 158 Figura 5 16 rappresentazione della mesh generata A questo punto sono stati assegnati i carichi termici in prossimit delle porzioni intercettate dal fascio rispettivamente nel blocco in grafite e nel filo rotante In particolare inizialmente stata assegnata la potenza termica di 8 kW nella zona del blocco investita dal fascio per valutare il grado di surriscaldamento indotto nel filo in una condizione limite dunque il livello termico ottenuto rappresenta la condizione al contorno iniziale assegnata nell analisi transitoria Successivamente stata applicata la potenza termica di 640 W nella porzione di filo intercettata dal fasci
323. y from a processor lenters the model creation preprocessor geometry model scaling scaling geometry from mm to m joint selected volumes NUMCMP VOLU NUMCMP AREA NUMCMP LINE NUMCMP KP BEAM INTERSECTION LOCAL 11 0 0 0 0 0 0 90 0 WPCSYS 11 VSEL S VOLU 1 ALLSEL BELOW VOLU CYLIND 0 0 016 0 5 0 5 0 360 VSBA 1 ALL DELETE DELETE VDELE 21 1 FINISH MESHING PROCESS compressed entity number rotate coordinate system define a new coordinate system generate a cylinder beam intercept the beam with the selected volumes delete beam lexits normally from a processor PREP7 enters the model creation preprocessor TYPE 1 sets the element type attribute pointer MSHAPE 1 3D 11 mesh with tetrahedral shaped elements when Dimension 3 D MSHKEY 0 meshing ESIZE 0 010 300 define lenght and number of element division MAT 23 define material VSEL S VOLU 15 ALLSEL BELOW VOLU VMESH 15 mesh selected volume DISC_COLL ESIZE 0 008 300 MAT 29 VSEL S VOLU 2 ALLSEL BELOW VOLU VSWEEP 2 VSEL S VOLU 3 ALLSEL BELOW VOLU VSWEEP 3 ESIZE 0 008 300 VSEL S VOLU 22 ALLSEL BELOW VOLU VSWEEP 22 339 VSEL S VOLU 23 ALLSEL BELOW VOLU VSWEEP 23 ESIZE 0 001 300 27 VSEL S VOLU 7 ALLSEL BELOW VOLU VMESH 7 VSEL S VOLU 8 ALLSEL BELOW VOLU VMESH 8 VSEL S VOLU 18 ALLSEL BELOW VOLU VMESH 18 ESIZE 0 002 300 MAT 26 VSEL S VOLU
324. zione intercettata dal fascio protonico In tale regione stata ipotizzata una potenza termica proporzionale all area trasversale investita dal fascio stesso in favore di sicurezza rispetto alla realt in particolare la sezione trasversale del filo intercettata dallo spot rappresenta 178 della sezione totale dunque la potenza assegnata alla porzione considerata pari all 8 della potenza complessiva caratteristica del fascio ovvero 640 W 1 Figura 5 13 particolare della porzione del filo intercettata dal fascio protonico Nella Figura 5 14 rappresentato l andamento termico che risulta dall analisi svolta mentre la Tabella 5 1 sottostante riassume le temperature massime registrate nei singoli componenti Componente Materiale Tmax C Trim C Filo rotante Tungsteno W 3349 72 2500 Braccio di sostegno Tantalio Ta 734 40 1700 Isolatore Allumina 4 203 655 42 1700 Albero Tantalio Ta 529 83 1700 Passante rotante Acciaio 3161 392 29 400 Tabella 5 1 temperature massime registrate nei singoli componenti 155 NODAL SOLUTION SMN 34 9955 SMX 3329 72 RES O 34 9955 767 157 1499 32 2231 48 2963 64 401 076 beam profile thermal analysis 1 5 5 R15 0 STEP 1 NOV 24 2014 SUB 342 13 41 38 TIME 3000 TEMP AVG RSYS 0 1133 24 1865 4 2597 56 3329 72 Figura 5 14 andamento delle temperature C che risulta dall analisi termic

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