ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΣΧΕΔΙΑΣΗ ΑΝΑΛΟΓΙΚΟΥ ΑΝΙΧΝΕΥΤΗ ΜΥΟΝΙΩΝ (ΚΥΛΙΝΔΡΙΚΑ ΕΣΩΤΕΡΙΚΑ ΠΕΡΙΟΡΙΣΜΕΝΟΣ ΘΑΛΑΜΟΣ BIS TYPE-1 A,C) ΕΚΠΟΝΗΤΗΣ: ΠΑΥΛΙΔΗΣ ΧΡΗΣΤΟΣ

Transcript

1 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΡΓΑΛΕΙΟΜΗΧΑΝΩΝ ΔΙΑΜΟΡΦΩΤΙΚΗΣ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΙΑΣ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ Διευθυντής: Καθηγητής Dr.- Ing. habil. Κ.- Δ. Μπουζάκης ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΣΧΕΔΙΑΣΗ ΑΝΑΛΟΓΙΚΟΥ ΑΝΙΧΝΕΥΤΗ ΜΥΟΝΙΩΝ (ΚΥΛΙΝΔΡΙΚΑ ΕΣΩΤΕΡΙΚΑ ΠΕΡΙΟΡΙΣΜΕΝΟΣ ΘΑΛΑΜΟΣ BIS TYPE-1 A,C) ΕΚΠΟΝΗΤΗΣ: ΠΑΥΛΙΔΗΣ ΧΡΗΣΤΟΣ ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ: ΤΣΙΑΦΗΣ ΙΩΑΝΝΗΣ

2 ΠΕΡΙΛΗΨΗ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗΣ ΕΡΓΑΣΙΑΣ Ονοµατεπώνυµο : Παυλίδης Χρήστος Full name : Pavlidis Christos του Ευθυµίου. Τίτλος διπλωµατικής εργασία: ΣΧΕΔΙΑΣΗ ΑΝΑΛΟΓΙΚΟΥ ΑΝΙΧΝΕΥΤΗ ΜΥΟΝΙΩΝ (ΚΥΛΙΝΔΡΙΚΑ ΕΣΩΤΕΡΙΚΑ ΠΕΡΙΟΡΙΣΜΕΝΟΣ ΘΑΛΑΜΟΣ BIS TYPE- 1 A,C) Diploma thesis title : ANALOG MUON DETECTOR DESIGN (BARREL INNER SMALL CHAMBER BIS TYPE-1 A,C) Λέξεις κλειδιά : ΑΝΑΛΟΓΙΚΟΣ ΑΝΙΧΝΕΥΤΗ ΜΥΟΝΙΩΝ Keywords : ANALOG MUON DETECTOR 1

3 ΠΕΡΙΛΗΨΗ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗΣ ΕΡΓΑΣΙΑΣ Στα πλαίσια της Ελληνικής συµµετοχής στο πείραµα ATLAS, το οποίο θα πραγµατοποιηθεί στο Ευρωπαϊκό Κέντρο Φυσικής Στοιχειωδών Σωµατιδίων (CERN), πρόκειται να κατασκευαστούν και να ελεγχθούν µετροτεχνικά εκατόν είκοσι οχτώ θάλαµοι BIS ανίχνευσης µιονίων TYPE-1, TYPE-2 και TYPE-3. Για το σκοπό αυτό συνεργάζονται το Εργαστήριο Εργαλειοµηχανών Διαµορφωτικής Μηχανολογίας και το Εργαστήριο Ατοµικής - Πυρηνικής Φυσικής (ΕΑΠΦ), του τµήµατος Φυσικής, του Αριστοτέλειου Πανεπιστηµίου Θεσσαλονίκης. Οι θάλαµοι BIS αποτελούν επιµέρους τµήµατα του µιονικού φασµατόµετρου του ανιχνευτική ATLAS. Ο θάλαµος BIS αποτελείται από τρία επίπεδα σωλήνων, διατεταγµένα σε ένα επίπεδο. Οι σωλήνες αυτοί περιέχουν ένα λεπτό σύρµα διαµέτρου 50 µm. Στις πλευρές του θαλάµου, όπου καταλήγουν οι σωλήνες, τοποθετούνται οι κλωβοί προστασίας. Χρησιµοποιούνται για την προστασία των ηλεκτρονικών συνδέσεων και των δικτύων διανοµής του αερίου, που είναι απαραίτητο για τη λειτουργία του θαλάµου. Ο θάλαµος στηρίζεται έδρανα στήριξης που τοποθετούνται σε δοκούς ανάρτησης. Τα έδρανα αυτά βρίσκονται στο ανώτερο επίπεδο των σωλήνων. Η ακρίβεια κατασκευής των θαλάµων απαιτεί, κατά τη διάρκεια της συναρµολόγησης, περιβάλλον εργασίας µε σταθερά καθορισµένες συνθήκες. Για το λόγο αυτό κατασκευάστηκε χώρος πλήρως ελεγχόµενων συνθηκών, όπου ρυθµίζονται η θερµοκρασία, η υγρασία και η καθαρότητα του αέρα (clean room). Η συναρµολόγηση των θαλάµων γίνεται σε επίπεδη γρανιτένια τράπεζα πάνω σε ιδιοσυσκευές υψηλής διαστατικής ακρίβειας. Τελικά, η διαστατική ακρίβεια του θαλάµου πρέπει να είναι τέτοια ώστε το r.m.s. σφάλµα της απόκλισης της θέσης του σύρµατος του κάθε σωλήνα να µην ξεπερνά τα 20 µm. Για το λόγο αυτό όλη η διαδικασία συναρµολόγησης παρακολουθείται 2

4 ΠΕΡΙΛΗΨΗ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗΣ ΕΡΓΑΣΙΑΣ από όργανα ελέγχου και όλα τα δεδοµένα καταγράφονται σε ηλεκτρονική βάση δεδοµένων. Έξι BIS θάλαµοι έχουν σαρωθεί µε τον τοµογράφο ακτίνων x (CERN). Παρουσιάζεται η ανάλυση των δεδοµένων της σχετικής τοµογραφίας ακτίνων x. Τα δεδοµένα αυτά συσχετίζονται µε τις µετρήσεις κατά την διάρκεια της συναρµολόγησης. Οι γεωµετρικές παράµετροι των θαλάµων που υπολογίζονται από τον τοµογράφο είναι σύµφωνες µε τις τιµές σχεδιασµού και έχει επιτευχθεί υψηλότερη ακρίβεια συγκριτικά µε τις αντίστοιχες απαιτούµενες προδιαγραφές. Σχήµα 1 : Κατανοµή των θέσεων των συρµάτων που µετρήθηκαν από τον τοµογράφο ακτίνων x αναφορικά µε το πλέγµα προσαρµογής µε παραµέτρους σταθερές στις ονοµαστικές τιµές των θαλάµων BIS Artemis για τις πλευρές HV και RO. Το Αριστοτέλειο Πανεπιστήµιο Θεσσαλονίκης είναι ένα από τα περίπου εκατόν πενήντα ερευνητικά κέντρα, βιοµηχανίες και εταιρείες υψηλής τεχνολογίας, που εργάζονται στο πεδίο αυτό. Το Εργαστήριο Ατοµικής και Πυρηνικής Φυσικής, του Φυσικού τµήµατος της Σχολής Θετικών Επιστηµών, του ΑΠΘ, ανέπτυξε µια στενή συνεργασία µε το ερευνητικό κέντρο CERN, καλύπτοντας τις ανάγκες του προγράµµατος ATLAS σε θεωρητικό και ερευνητικό επίπεδο. Τις ανάγκες που δηµιουργούνται, για την κάλυψη των κατάλληλων υλικοτεχνικών υποδοµών αλλά και το γνωστικό αντικείµενο και εµπειρία, στο 3

5 ΠΕΡΙΛΗΨΗ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗΣ ΕΡΓΑΣΙΑΣ πρόγραµµα αυτό, ανέλαβε να παρέχει το Εργαστήριο Εργαλειοµηχανών Διαµορφωτικής Μηχανολογίας, του τµήµατος Μηχανολόγων Μηχανικών της Πολυτεχνικής σχολής του ΑΠΘ. Συγκεκριµένα, το ΕΕΔΜ ανέλαβε την µελέτη για την κατασκευή τον παραπάνω αναφερόµενων θαλάµων ανίχνευσης µυονίων, γνωστών και ως θαλάµων BIS (Barrel Inner Small = Κύλινδρος Εσωτερικά Περιορισµένος). Ο σχεδιασµός έγινε σε σχεδιαστικό πακέτο Auto-CAD. Το τρισδιάστατο σχέδιο της κατασκευής φαίνεται στο ΣΧΗΜΑ 2. ΣΧΗΜΑ 2: Ο θάλαµος MDT-BIS TYPE-1 Η κατασκευή των 128 θαλάµων BIS, που ανέλαβε το Εργαστήριο Ατοµικής και Πυρηνικής φυσικής σε συνεργασία µε το Εργαστήριο Εργαλειοµηχανών και Διαµορφωτικής Μηχανολογίας (ΕΕΔΜ), βρίσκεται σε εξέλιξη στο Α.Π.Θ και συγκεκριµένα στον Χώρο Πλήρως Ελεγχόµενων Συνθηκών (Clean Room) που διαθέτει το ΕΕΔΜ. Έχουν κατασκευαστεί ήδη οι 75 πρώτοι θάλαµοι BΙS TYPE 2 (40 TYPE-2A και 35 TYPE2C). Ο αρχικός θάλαµος στάλθηκε για έλεγχο και στον τοµογράφο ακτίνων-χ στο CERN και βρέθηκε µέσα στα αποδεκτά όρια των προδιαγραφών (Σχήµα 1). 4

6 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΑΘΜΗ ΓΝΩΣΕΩΝ Το πρόγραµµα ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS) Οι θάλαµοι MDT BIS Απαιτούµενες συνθήκες περιβάλλοντος Μέτρηση τροχιών και ταχυτήτων Μέτρηση ταχυτήτων και τροχιών στους θαλάµους MDT Ακριβής ευθυγράµµιση των θαλάµων Οι Θάλαµοι Πλήρως Ελεγχόµενων Συνθηκών (Clean Rooms) Συγκόλληση των σωλήνων Εξαρτήµατα παροχής αερίου για τον ανιχνευτή µυονίων ATLAS Είδος σωληνώσεων παροχής αερίου Γενικοί παράµετροι για τις διαστάσεις των σωλήνων και την ποιότητα Η συνδεσµολογία µεταξύ των σωλήνων εφοδιασµού και επιστροφής του αερίου και των κύριων αγωγών διανοµής του αερίου του θαλάµου (Gas Manifolds) Κανόνες ασφαλείας ΣΚΟΠΟΣ ΤΗΣ ΕΡΓΑΣΙΑΣ ΤΑ ΣΥΝΘΕΤΙΚΑ ΣΥΣΤΑΤΙΚΑ ΤΟΥ ΘΑΛΑΜΟΥ BIS Οι σωλήνες Σύρµα παροχής του ηλεκτρικού φορτίου Σταθεροποιητές σύρµατος Πώµατα σφράγισης των σωλήνων Αέριο των σωλήνων Σύστηµα µίξης και διανοµής αερίου Σωλήνες διανοµής αερίου Κύριοι αγωγοί διανοµής αερίου (Gas Manifolds) Διακλαδωτές αερίου (Gas Connectors) Δοκοί ανάρτησης (Support Beams) Οι εγκάρσιες λωρίδες Cross-strips Κλωβός Faraday (Faraday Cage) Κλωβός Faraday υψηλής τάσης (FCHV) Κλωβός Faraday ανίχνευσης σήµατος Ηλεκτρονικά του θαλάµου BIS Προστασία και θερµική κάλυψη... 39

7 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ 4.11 Βοηθητικός εξοπλισµός Παρακολούθηση επιπεδότητας - Σύστηµα ευθυγράµµισης (In-Plane Monitoring) Αισθητήρες θερµοκρασίας T- (Temperature Sensors) Αισθητήρες µαγνητικού πεδίου B- (Magnetic Field Sensors) ΔΙΑΦΟΡΟΠΟΙΗΣΕΙΣ ΑΡΧΙΚΟΥ-ΤΕΛΙΚΟΥ ΘΑΛΑΜΟΥ BIS ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ ΣΥΝΑΡΜΟΛΟΓΗΣΗΣ Φάση Ι Φάση ΙΙ ΣΥΝΟΨΗ - ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ...

8 ΠΡΟΛΟΓΟΣ Με τη ολοκλήρωση της διπλωµατικής εργασίας νοιώθω την ανάγκη να εκφράσω τα συναισθήµατά για τους ανθρώπους αυτούς που αποτέλεσαν σταθµό, άλλοι λιγότερο και άλλοι περισσότερο, στην πορεία και στην εξέλιξή της. Αρχικά, θα ήθελα να ευχαριστήσω τον κ. Καθηγητή Κ.-Δ. Μπουζάκη για την ανάθεση του θέµατος. Επιπλέον, ο επιβλέπων επίκουρος καθηγητής κ. Ιωάννης Τσιάφης ήταν ο άνθρωπος που στήριξε αυτήν την προσπάθεια τόσο ηθικά όσο και τεχνογνωσιακά. Αποτελεί τον άνθρωπο που νοιώθω την µεγάλη υποχρέωση να ευχαριστήσω από τα βάθη της ψυχής µου για αυτή του τη βοήθεια. Θέλω ακόµα να ευχαριστήσω τον Διπλ.Μηχ/γο Μηχ/κο Ινδό Ζήση, αφού και η δική του βοήθεια ήταν σηµαντική στην εκπόνηση της διπλωµατικής εργασίας. Τέλος, ευχαριστώ και όλους τους εργαζόµενους του ΕΕΔΜ που µε την οποιαδήποτε προσφορά τους µε βοήθησαν στην εργασία αυτή. Φεβρουάριος 2003

9 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Στην µακραίωνη ιστορία του ο άνθρωπος προσπάθησε να ερµηνεύσει τη δηµιουργία του σύµπαντος. Από τις πρώτες ερµηνείες που δόθηκαν, οι οποίες ήθελαν τη γη να είναι επίπεδη, µέχρι σήµερα, πολλά πράγµατα έχουν αναθεωρηθεί σχετικά, µετά από τις παρατηρήσεις που έγιναν στην ύλη και διερευνήθηκε η εξέλιξη του. Μια από τις νεότερες θεωρίες, που διατυπώθηκε από τον Hulble τη δεκαετία του 1930, περιέγραφε ένα σύµπαν στο οποίο οι γαλαξίες αποµακρύνονται ο ένας από τον άλλον. Από τη στιγµή εκείνη και έπειτα δηµιουργήθηκε µοιραία η παραδοχή ότι όλη η ύλη του σύµπαντος, στην αρχή του χρόνου, ήταν µια και µοναδική, συγκεντρωµένη στο κέντρο του. Από την ύλη αυτή και έπειτα από µια µεγάλη έκρηξη δηµιουργήθηκαν οι πρώτες δοµικές µονάδες του σηµερινού σύµπαντος. Βέβαια, ο τότε κόσµος µε το σηµερινό δεν έχει καµία απολύτως οµοιότητα. Έπειτα από πολλές διεργασίες στο µικρόκοσµό αλλά και στο µακρόκοσµο οδήγησαν στη δηµιουργία του σύµπαντος όπως µπορούµε και το παρατηρούµε σήµερα. Αυτή είναι, πολύ συνοπτικά, η θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης (Big Bang). Η θεωρία αυτή έχει προκαλέσει το ενδιαφέρον πολλών επιστηµόνων σε όλο τον κόσµο και έχει κατορθώσει να ενώσει ερευνητικά πολλούς επιστηµονικούς κλάδους, οι οποίοι µέχρι τώρα έδειχναν να έχουν τελείως διαφορετικό αντικείµενο και χαρακτήρα. Σήµερα, λοιπόν, έχει αναπτυχθεί µια κοινή δράση ενός µεγάλου αριθµού επιστηµόνων και εργαστηρίων, σε όλο τον κόσµο, για να δώσουν απαντήσεις σε βασικά ερωτήµατα γύρω από την ύλη και τις δυνάµεις του Σύµπαντος όπως: Από τι είναι φτιαγµένο το Σύµπαν; Πώς ήταν το Σύµπαν αµέσως µετά τη δηµιουργία του; Ποια είναι τα δοµικά στοιχεία της Φύσης; Ποιες οι δυνάµεις µεταξύ τους; 1

10 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Tο Ευρωπαϊκό Κέντρο Φυσικής Σωµατιδίων (CERN), στην προσπάθειά του προς αυτή την κατεύθυνση, αποφάσισε την χρηµατοδότηση ενός τεράστιου ερευνητικού προγράµµατος, για την κατασκευή ενός µεγάλου επιταχυντή Large Hadron Collider (LHC). Για πρώτη φορά στην ιστορία της έρευνας θα επιταχύνονται πρωτόνια στην ταχύτητα του φωτός, αποκτώντας ενέργεια 7 TeV και στη συνέχεια θα συγκρούονται µεταξύ τους, παρέχοντας ενέργεια στο κέντρο µάζας 14TeV(1 TeV= 1012 ev). Αυτής της τάξης µεγέθους ενέργειες επικρατούσαν αµέσως µετά την µεγάλη έκρηξη και, ως εκ τούτου, πλησιάζοντας αυτές είναι ένας τρόπος να γυρίσει το ρολόι του χρόνου προς τα πίσω και να ερευνηθεί τι διαδραµατίστηκε τις πρώτες εκείνες στιγµές. Συγκεκριµένα, πιστεύουν ότι προσδιορίζοντας και µελετώντας τις τροχιές των µυονίων, που παράγονται κατά τη σύγκρουση των πρωτονίων µε την ενέργεια αυτή, θα είναι σε θέση να κατανοήσουν τη δοµή του σύµπαντος κατά τα πρώτα δευτερόλεπτα της δηµιουργίας του. Θα γίνει αντιληπτό ο λόγος και οι δυνάµεις που οδήγησαν στην µεγάλη έκρηξη και η φύση της ύλης. Ο επιταχυντής LHC είναι κυκλικής µορφής, διαµέτρου 9 Km περίπου που θα τοποθετηθεί 200 m κάτω από το έδαφος της Γενεύης, ΣΧΗΜΑ 1-1 ΣΧΗΜΑ 1-1α: Η θέση του επιταχυντή LHC στη Γενεύη. 2

11 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΧΗΜΑ 1-1β: Η θέση του επιταχυντή LHC στη Γενεύη. Για την ανίχνευση των τροχιών αυτών, στον επιταχυντή LHC θα τοποθετηθούν δυο µεγάλες ανιχνευτικές διατάξεις, ο ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS) και ο CMS, συνολικού όγκου m3 και 7.000m3, αντίστοιχα που θα τεθούν σε λειτουργία στις αρχές του Τα προγράµµατα ΑTLAS και CMS είναι συνολικού προϋπολογισµού 300 εκ.. το καθένα. Κάθε πείραµα είναι µια διεθνής συνεργασία άνω των 150 ιδρυµάτων από όλο τον κόσµο, στο οποίο συµµετέχουν πάνω από 1700 ερευνητές, µηχανικοί και τεχνικοί. Στο ΣΧΗΜΑ 1-2 φαίνεται µια παράσταση της όλης πειραµατικής κατασκευής του ATLAS. Η διαστάσεις αυτής της διάταξης είναι 40x22x20 m3 (όσο περίπου ένα κτίριο έξη ορόφων) και περιέχει πάνω από 108 ηλεκτρονικά κανάλια. Ο ανιχνευτής αυτός αποτελείται από τα εξής τέσσερα βασικά στοιχεία: Ä Ε Εσ σω ωττεερριικκόόςς ααννιιχχννεευυττήήςς:: είναι το πιο εσωτερικό κοµµάτι της όλης διάταξης (χρώµα κίτρινο). Μετράει τις τροχιές των ηλεκτρικά φορτισµένων σωµατιδίων. Οι ενδότεροι αισθητήρες του είναι διατάξεις ηµιαγωγών, που εξασφαλίζουν ακρίβεια θέσης 10 µm. Οι αισθητήρες αυτοί περιβάλλονται από χιλιάδες διατάξεις σωληνώσεων γεµάτες µε αέριο, που έχουν στο άξονά τους ένα καλώδιο. Με εφαρµογή υψηλής τάσης, µεταξύ των σωλήνων και του καλωδίου, τα ηλεκτρικά 3

12 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ φορτισµένα σωµατίδια διασχίζουν εγκάρσια τους σωλήνες και δίνουν παλµούς, οι οποίοι καταγράφονται. Όλα αυτά τα ευαίσθητα εξαρτήµατα είναι τοποθετηµένα µέσα σε ένα ισχυρό µαγνητικό πεδίο, που δηµιουργείται από ένα κυλινδρικό υπεραγώγιµο πηνίο. Με τον τρόπο αυτό, η τροχιά κάθε ξεχωριστού σωµατιδίου µετατρέπεται σε µια καµπύλη, µετρώντας τα χαρακτηριστικά της οποίας είναι δυνατόν να προσδιοριστούν µε ακρίβεια η φορά, η κατεύθυνση και να υπάρξει µια ένδειξη για το ηλεκτρικό φορτίο του σωµατιδίου. ΣΧΗΜΑ 1-2: Η ανιχνευτική διάταξη ATLAS Ä Το θθεερµι ιδόµεεττρο:: είναι το εξάρτηµα αυτό του ανιχνευτή ATLAS που µετράει την ενέργεια των φορτισµένων και των ουδέτερων σωµατιδίων (πορτοκαλί και πράσινο χρώµα). Αποτελείται από µεταλλικές βάσεις αφοµοίωσης και αισθητήρες. Οι αλληλεπιδράσεις των σωµατιδίων µε τους αφοµοιωτές έχουν ως αποτέλεσµα να µετατρέπεται η προσπίπτουσα ενέργεια σε ένα καταιγισµό - βροχή από σωµατίδια, τα οποία ανιχνεύονται από τους αισθητήρες. Στους εσωτερικούς τοµείς του θερµιδόµετρου, οι αισθητήρες είναι ουσιαστικά υγρό Αργό. Οι καταιγισµοί αυτοί στο Αργό απελευθερώνουν ηλεκτρόνια, τα οποία συλλέγονται και καταγράφονται. Στους εξωτερικούς τοµείς, οι αισθητήρες είναι πλακίδια φωσφορίζοντος πλαστικού. Όταν τα ηλεκτρόνια συγκρουστούν στα πλαστικά αυτά πλακίδια τα διεγείρουν και εκπέµπουν φως, το οποίο ανιχνεύεται και καταγράφεται. 4

13 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Ä Φασµαττόµεεττρο µυοννί ίωνν:: είναι το εξάρτηµα αυτό της διάταξης που αναγνωρίζει τα µυόνια και τα καταµετράει (µπλε χρώµα). Τα µυόνια είναι σωµατίδια όµοια µε τα ηλεκτρόνια, αλλά διακόσιες φορές πιο βαριά. Τα µυόνια είναι τα µόνα σωµατίδια τα οποία µπορούν να διαπεράσουν όλα τα σηµεία αφοµοίωσης του φασµατόµετρου χωρίς να σταµατήσουν. Το φασµατόµετρο των µυονίων περιβάλλει το θερµιδόµετρο και µετρά τις συντεταγµένες των τροχιών των σωµατιδίων αυτών κατά την διεύθυνση καµπύλωσης του µαγνητικού πεδίου. Από τις τροχιές τους προσδιορίζεται ο χρόνος κίνησής τους µε µεγάλη ακρίβεια. Το φασµατόµετρο µυονίων αποτελείται από χιλιάδες φορτισµένους αισθητήρες, τους σωλήνες ολίσθησης θαλάµων ακριβείας (Monitored Drift Tubes, MDT s). Οι αισθητήρες αυτοί είναι όµοιοι µε τους σωλήνες που χρησιµοποιούνται στον εσωτερικό ανιχνευτή, αλλά µε σωλήνες µεγαλύτερων διαµέτρων. Οι διατάξεις αυτές τοποθετούνται µέσα στο µαγνητικό πεδίο που δηµιουργείται από τεράστια υπεραγώγιµα δακτυλιοειδή πηνία. Ä Σύσττηµα µαγγννηττι ικκήςς έέλλξξηςς:: είναι το σύστηµα αυτό που αναγκάζει τα φορτισµένα σωµατίδια να εκτραπούν της τροχιάς τους και να είναι, µε τον τρόπο αυτό, δυνατή η καταµέτρηση των κινηµατικών τους µεγεθών, αλλά και των ηλεκτρικών τους φορτίων. Κατά τη λειτουργία του ανιχνευτή ATLAS θα δηµιουργηθεί µια πλούσια παροχή πληροφοριών. Για την ταξινόµηση αυτών των πληροφοριών απαιτείται η όλη διάταξη να εξοπλιστεί µε τις εξής συσκευές: F Η γρήγορη (trigger) συσκευή: η συσκευή αυτή συλλέγει εκατό ενδιαφέροντα γεγονότα το δευτερόλεπτο από το σύνολο των χιλίων εκατοµµυρίων που συµβαίνουν, F Η µηχανή ανάκτησης των δεδοµένων: είναι η συσκευή αυτή που µεταφέρει τα δεδοµένα από τη συσκευή trigger στο χώρο αποθήκευσής τους, F Το σύστηµα των υπολογισµών: είναι το ηλεκτρονικό υπολογιστικό σύστηµα που αναλύει τα χίλια εκατοµµύρια γεγονότα που καταγράφονται το χρόνο. 5

14 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Το κατασκευαστικό αυτό πρόγραµµα είναι ένα από τα παραδείγµατα, όπου η βασική έρευνα συναντά την τεχνολογία και από την στενή τους συνεργασία απορρέουν οφέλη για αµφότερες. Το Αριστοτέλειο Πανεπιστήµιο Θεσσαλονίκης είναι ένα από τα περίπου εκατόν πενήντα ερευνητικά κέντρα, βιοµηχανίες και εταιρείες υψηλής τεχνολογίας, που εργάζονται στο πεδίο αυτό. Το Εργαστήριο Ατοµικής και Πυρηνικής Φυσικής, του Φυσικού τµήµατος της Σχολής Θετικών Επιστηµών, του ΑΠΘ, ανέπτυξε µια στενή συνεργασία µε το ερευνητικό κέντρο CERN της Γενεύης, καλύπτοντας τις ανάγκες του προγράµµατος ATLAS σε θεωρητικό και ερευνητικό επίπεδο. Τις ανάγκες που δηµιουργούνται, για την κάλυψη των κατάλληλων υλικοτεχνικών υποδοµών αλλά και το γνωστικό αντικείµενο και εµπειρία, στο πρόγραµµα αυτό, ανέλαβε να παρέχει το Εργαστήριο Εργαλειοµηχανών Διαµορφωτικής Μηχανολογίας, του τµήµατος Μηχανολόγων Μηχανικών της Πολυτεχνικής σχολής του ΑΠΘ. Το εργαστήριο αυτό κατέχει το κατάλληλο τεχνογνωσιακό περιεχόµενο, την εµπειρία και την απαραίτητη υλικοτεχνική υποδοµή, για να αντεπεξέλθει στις απαιτήσεις αυτές. Η οµάδα του Πανεπιστηµίου Θεσσαλονίκης, λοιπόν, που συνίσταται από µέλη του ΕΕΔΜ (Διευθυντής καθηγητής Κ.-Δ. Μπουζάκης) και του ΕΑΠΦ (υπεύθυνη προγράµµατος ATLAS, αναπλ. καθηγήτρια Χ. Πετρίδου), ανέλαβε το σχεδιασµο, την κατασκευή και τον έλεγχο καλής λειτουργίας µιας πρωτότυπης µικροµηχανικής διάταξης (θαλάµου BIS), µε σκοπό τη µαζική παραγωγή περίπου εκατόν τριάντα τέτοιων θαλάµων. Οι θάλαµοι, που αποτελούν εξαρτήµατα του φασµατόµετρου µυονίων του ATLAS, έχουν πολύ αυστηρές προδιαγραφές ως προς την ακρίβεια µέτρησης χωρικών συντεταγµένων. Οι θάλαµοι αυτοί αποτελούν το 10% του συνόλου των ανιχνευτικών θαλάµων της πειραµατικής διάταξης του ATLAS, που καλύπτουν µία επιφάνεια περίπου 5000 m 2 της συνολικής επιφάνειάς του. Για το σκοπό αυτό σχεδιάστηκε µε µεγάλη διαστατική ακρίβεια που, ανέρχεται σε µερικές δεκάδες µικρόµετρα, ο παραπάνω αναφερόµενος θάλαµος. Ο σχεδιασµός αυτός καθώς και οι λύσεις στα τεχνολογικά προβλήµατα που δηµιουργούνται στην προσπάθεια αυτή αποτελούν αντικείµενο αυτής της διπλωµατικής εργασίας. 6

15 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Οι θάλαµοι MDT BIS (Monitored Drift Tube = Παρακολουθούµενοι Σωλήνες Κίνησης, Barrel Inner Small = Κύλινδρος Εσωτερικά Περιορισµένος) αποτελούν µια ειδική έκδοση των γενικών θαλάµων MDT. Στο ΣΧΗΜΑ 1-3 εικονίζεται ο θάλαµος MDT BIS. ΣΧΗΜΑ 1-3: Σχηµατική απεικόνιση του θαλάµου MDT BIS TYPE-1 Οι θάλαµοι αυτοί είναι ειδικές µικροµηχανικές διατάξεις για την ανίχνευση και τον προσδιορισµό της ακριβούς θέσης διέλευσης των µυονίων στο χώρο του µαγνητικού πεδίου ενός φασµατόµετρου, µε ακρίβεια 50 µm. Πρόκειται για µεταλλικές κατασκευές, σύνθετης γεωµετρίας, µε ορθογώνιο σχήµα και µικρό σχετικά βάρος (από 240 έως 325 kgr). Οι διαστάσεις των θαλάµων MDT BIS είναι περίπου 1840x920x290 mm 3. Αποτελούνται από ένα σύνολο σωλήνων, ειδικής σχεδίασης και κατασκευής, και από µεταλλικά τµήµατα στήριξης. 7

16 2. ΣΤΑΘΜΗ ΓΝΩΣΕΩΝ 2.1 Το πρόγραµµα ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS) Η διεθνής συνεργασία ATLAS είναι µια προσπάθεια, από χιλιάδες επιστήµονες και εκατοντάδες εργαστήρια σε όλο τον κόσµο, για να διερευνηθούν οι δυνατότητες και οι προοπτικές που δηµιουργούνται από την µελέτη µυονίων, που παράγονται από συγκρούσεις πρωτονίων. Για το σκοπό αυτό σχεδιάστηκε ένα φασµατόµετρο υψηλής ακρίβειας, το οποίο έχει την ικανότητα µέτρησης της ταχύτητας από ένα ευρύ σύνολο εγκάρσιων ταχυτήτων, την ψευδοταχύτητα (pseudorapidity), και την αζιµουθιακή γωνία. Βασίζεται στην µαγνητική εκτροπή των τροχιών των µυονίων σε ένα σύστηµα από τρεις τεράστιους υπεραγώγιµους δακτυλιοειδείς µαγνήτες, οι οποίοι ελέγχονται από ξεχωριστά λειτουργικά συστήµατα και υψηλής ακριβείας θαλάµους ανίχνευσης. Ανάλογα µε το πεδίο τιµών της ψευδοταχύτητας η των µυονίων, αυτά εκτρέπονται από τις τροχιές τους και ανιχνεύονται από ειδικές διατάξεις. Έτσι, στο πεδίο της ψευδοταχύτητας ( η 1), η µαγνητική εκτροπή προκαλείται από ένα µεγάλο κυλινδρικό µαγνήτη µε οχτώ σπείρες, οι οποίες περιβάλλουν ένα φασµατόµετρο στοιχειωδών σωµατιδίων. Στην περίπτωση που 1,4 η 2,7, οι τροχιές των µυονίων εκτρέπονται σε δύο µικρότερους µαγνήτες end-cap, εισερχόµενα και στις δύο πλευρές των κυλινδρικών σπειρών. Στο µεσοδιάστηµα, όπου 1 η 1,4, το οποίο αναφέρεται και ως περιοχή µετάβασης, η µαγνητική εκτροπή παράγεται από ένα συνδυασµό κυλινδρικών και end-cap µαγνητών. Αυτός ο σχηµατισµός των µαγνητών δηµιουργεί ένα πεδίο το οποίο είναι, στη µεγαλύτερη έκτασή του, κάθετο στις τροχιές των µυονίων, ενώ ταυτόχρονα ελαχιστοποιείται η αλλοίωση της ανάλυσης εξαιτίας της πολλαπλής διασποράς. 8

17 2. ΣΤΑΘΜΗ ΓΝΩΣΕΩΝ Στον κυλινδρικό τοµέα, οι τροχιές µετρώνται σε θαλάµους που είναι διατεταγµένοι σε τρία κυλινδρικά επίπεδα - σταθµούς γύρω από τον άξονα της δέσµης των ακτίνων. Στις µεταβατικές και στις end-cap περιοχές, οι θάλαµοι είναι τοποθετηµένοι κατακόρυφα, και στα τρία επίπεδα, όπως φαίνεται και στο ΣΧΗΜΑ 1-2. Για τις περισσότερες από τις τιµές της ψευδοταχύτητας, µια ακριβής µέτρηση των συντεταγµένων των τροχιών, στην βασική κατεύθυνση εκτροπής από το µαγνητικό πεδίο, εξασφαλίζεται από Παρακολουθούµενους Σωλήνες Κίνησης (Monitored Drift Tubes -MDT). Στις µεγάλες ψευδοταχύτητες και κοντά στο σηµείο αλληλεπίδρασης, Θάλαµοι Καθοδικών Λωρίδων (Cathode Strip Chamber - CSC) χρησιµοποιούνται για να ενισχυθεί ο ρυθµός που επικρατεί και οι συνθήκες της υποδοµής. Το σύστηµα trigger καλύπτει το εύρος των ψευδοταχυτήτων για η 2,4. Οι Επίπεδοι Θάλαµοι Αντίστασης (Resitive Plate Chambers - RPC) χρησιµοποιούνται στον κυλινδρικό τοµέα και στους Θαλάµους Λεπτού Ανοίγµατος (Thin Gap Chambers - TGC) στην περιοχή end-cap. Και οι δύο τύποι των θαλάµων του trigger παρέχουν επίσης µια δεύτερη ισότιµη µέτρηση των συντεταγµένων των τροχιών, στην κάθετη κατεύθυνση των µετρήσεων ακριβείας, παράλληλη περίπου στις γραµµές του µαγνητικού πεδίου. Οι θάλαµοι που παρέχουν τις δεύτερες ισότιµες µετρήσεις ουσιαστικά σχεδιάστηκαν για να ελέγχουν αν είναι αποδεκτή η ακρίβεια των θαλάµων Οι θάλαµοι MDT BIS Οι θάλαµοι BIS αποτελούν επιµέρους τµήµατα των συνολικών θαλάµων MDT της ανιχνευτικής διάταξης ATLAS. Οι MDT (Monitored Drift Tube = Παρακολουθούµενοι Σωλήνες Κίνησης) θάλαµοι χρησιµοποιούνται για να προσδιοριστούν οι τροχιές των µυονίων στο µαγνητικό πεδίο του φασµατόµετρου, µε ακρίβεια 50 µm. Ένα σκαρίφηµα του θαλάµου MDT-BIS φαίνεται στο ΣΧΗΜΑ 2-1. Οι MDT θάλαµοι είναι διαφορετικών διαστάσεων και τοποθετούνται σε κυλινδρική διάταξη, στον ανιχνευτή του ATLAS, σε ακτίνα 5, 7,5 και 10 m µιας ακτίνας δέσµης των ραδιοκυµάτων. Στην αζιµουθιακή διεύθυνση, οι διατεταγµένοι σταθµοί διαιρούνται σε οχτώ µεγάλους και οχτώ µικρούς τοµείς, εναλλασσόµενοι µεταξύ τους. Σε κάθε τοµέα οι σταθµοί 9

18 2. ΣΤΑΘΜΗ ΓΝΩΣΕΩΝ διαιρούνται και πάλι, στη z διεύθυνση (κατά µήκος του άξονα της δέσµης), σε θαλάµους τυπικών διαστάσεων που κυµαίνονται µεταξύ 1 και 2 m. Οι BIS (Barrel Inner Small = Κύλινδρος Εσωτερικά Περιορισµένος) θάλαµοι είναι τοποθετηµένοι στα µικρά τµήµατα του εσωτερικού σταθµού και έχουν τυπικές διαστάσεις 1 m στη z διεύθυνση και 1,7 m στην αζιµουθιακή διεύθυνση. Εξαιτίας της θέσης τους ανάµεσα στο επικαλυµµένο µε πλακίδια θερµιδόµετρο, στον κρυοστάτη του βαρελοειδούς περιστροφικού δακτυλιοειδούς πηνίου και τον περιορισµένο χώρο της περιοχής, το σχέδιο του BIS θαλάµου διαφέρει από το σχέδιο του πρότυπου MDT θαλάµου, ειδικότερα στη δόµηση, αφού υπάρχει σαφής έλλειψη χώρου. Ο θάλαµος BIS διαφέρει από τον πρότυπο κύλινδρο MDT σε µερικά σηµαντικά σηµεία: αυτά είναι το σύστηµα στήριξης, το ελλιπές διάκενο, το σχέδιο του Faraday Cage, η θέση των Gas Manifolds και το πάχος των καλυµµάτων προστασίας / µόνωσης. Αυτές οι διαφορές επιβάλλουν µια διαφορετική µέθοδο συναρµολόγησης από το τους πρότυπους κυλινδρικούς θαλάµους MDT. ΣΧΗΜΑ 2-1: Ο θάλαµος MDT-BIS TYPE-1 10

19 2. ΣΤΑΘΜΗ ΓΝΩΣΕΩΝ Απαιτούµενες συνθήκες περιβάλλοντος Το περιβάλλον εργασίας, στον υπόγειο πειραµατικό χώρο, επιβάλλει επιπλέον περιορισµούς στο σχεδιασµό των εξαρτηµάτων και ιδιαίτερα στους θαλάµους MDT. Οι παράµετροι του περιβάλλοντος οι οποίοι έχουν ληφθεί υπόψη και οι οποίοι πρέπει να ελέγχονται για µια αξιόπιστη και ακριβής λειτουργία του φασµατόµετρου είναι: 1. Μεταβολές της θερµοκρασίας: επιδρούν στη σταθερότητα και στην οµοιοµορφία της ταχύτητας της κίνησης, µεταβάλουν τη ποσότητα του αερίου στον ανιχνευτή και µπορούν να προκαλέσουν µηχανικές παραµορφώσεις στους θαλάµους, 2. Κραδασµοί που προκαλούνται από µικρές σεισµικές δονήσεις και από το βοηθητικό εξοπλισµό που χρησιµοποιείται, όπως συµπιεστές, 3. Το µεγάλο ανοµοιόµορφο πεδίο του δακτυλιοειδούς πηνίου απαιτεί σηµαντικές προφυλάξεις, ιδιαίτερα στο σχεδιασµό και στη διάταξη του ηλεκτρολογικού εξοπλισµού και των ηλεκτρονικών που τοποθετούνται κοντά ή πάνω στους θαλάµους Μέτρηση τροχιών και ταχυτήτων Το φασµατόµετρο µυονίων είναι σχεδιασµένο να µετρά ταχύτητες µε ανάλυση Δp T /p T <1x10-4 xp/gev, για p T >300 GeV. Στις µικρότερες ταχύτητες η ανάλυση αυτή περιορίζεται σε µερικές εκατοστιαίες µονάδες λόγω των πολλαπλών διασπορών, στο µαγνήτη και στην κατασκευή του ανιχνευτή, αλλά και λόγω των απωλειών ενέργειας από ταλαντώσεις στους θερµιδοµετρητές. Για να επιτευχθεί αυτή η ανάλυση µε µετρήσεις τριών σηµείων, λαµβάνοντας υπόψη τόσο το µέγεθος όσο και την απώλεια ενέργειας στα πηνία του ATLAS, κάθε σηµείο πρέπει να µετράται µε ακρίβεια µεγαλύτερη των 50 µm. Αυτός είναι ο περιορισµός που καθορίζει το µέγεθος των απαιτήσεων της πραγµατικής ανάλυσης, της ακρίβειας των µηχανικών τµηµάτων και της ακρίβειας των µετρήσεων των θαλάµων µυονίων. Ο σχεδιασµός των θαλάµων πρέπει να εγγυάται την αξιοπιστία και τη σταθερότητα της κατασκευής και τη σωστή λειτουργία της για την επίτευξη των προσδοκιών του πειράµατος, σε ένα περιβάλλον που εκτίθεται σε ακτινοβολίες. 11

20 2. ΣΤΑΘΜΗ ΓΝΩΣΕΩΝ Η ακρίβεια των µετρήσεων των τροχιών των µυονίων γίνεται στο r-z επίπεδο, σε κατεύθυνση παράλληλη µε την κατεύθυνση κάµψης του µαγνητικού πεδίου: η αξονική συντεταγµένη (z) µετράται στον κορµό του συστήµατος και η ακτινική συντεταγµένη (r) στην µεταβατική και στην end-cap περιοχή. Θάλαµοι MDT χρησιµοποιούνται για αυτό το σκοπό και καλύπτουν το µεγαλύτερο µέρος της στερεάς γωνίας του φασµατόµετρου, την οποία και καλύπτουν. Εξασφαλίζουν ακρίβεια περίπου 80 µm µε τη βοήθεια ενός µονοαξονικού σύρµατος, όταν λειτουργούν µε αέριο υψηλής πίεσης (3 bar), και την στιβαρή και ασφαλή λειτουργία µε την µηχανική αποµόνωσή τους από τα γειτονικά σύρµατα. Η κατασκευή των πρωτοτύπων θαλάµων έχει δείξει ότι είναι δυνατόν να κατασκευαστούν θάλαµοι στους οποίους η απαιτούµενη ακρίβεια των µηχανικών µερών είναι της τάξης των 30 µm περίπου. Στον πρώτο τµήµα του φασµατόµετρου και στην περιοχή των end-cap, για ψευδοταχύτητες η >2, χρησιµοποιούνται CSC θάλαµοι για να εξασφαλιστεί καλύτερη τραχύτητα, η οποία είναι απαραίτητη για να αντιµετωπιστεί µε επιτυχία ο απαραίτητος ρυθµός και οι συνθήκες του περιβάλλοντος στην περιοχή αυτή της κατασκευής Μέτρηση ταχυτήτων και τροχιών στους θαλάµους MDT Τα κυριότερα εξαρτήµατα ανίχνευσης των θαλάµων MDT είναι σωλήνες διαµέτρου 30 mm και 0,4 mm πάχος τοιχώµατος, που περιέχουν στο κέντρο τους ένα λεπτό σύρµα W-Re διαµέτρου 50 µm. Οι σωλήνες γεµίζονται µε ένα µη εύφλεκτο µίγµα αερίων Ar-CH 4 -N 2 σε συνθήκες απόλυτης πίεσης 3 bar. Οι συνδυασµοί αυτοί των υλικών έχουν ως στόχο να εξασφαλίσουν µια εξαιρετικά γραµµική σχέση χρόνου - διαστήµατος κίνησης µέσα στο σωλήνα, µε µέγιστο χρόνο κίνησης περίπου 500 ns, µια µικρή Lorentz γωνία και πολύ καλές ιδιότητες, ανεξάρτητες µε τη ηλικία του θαλάµου, όπως φαίνονται στο ΣΧΗΜΑ 2-2. Η ευκρίνεια που επιτυγχάνεται µε το µονοαξονικό σύρµα ανόδου είναι τυπικά 80 µm, εκτός από την περιοχή πολύ κοντά του. 12

21 2. ΣΤΑΘΜΗ ΓΝΩΣΕΩΝ ΣΧΗΜΑ 2-2: Διέλευση µυονίου µέσα από σωλήνα των θαλάµων MDT και ο προσδιορισµός της ταχύτητάς του Οι σωλήνες παράγονται µε την µέθοδο της διέλασης, από ένα κράµα Αλουµινίου, και είναι διαθέσιµοι στο εµπόριο. Είναι κλεισµένοι µε ειδικές τάπες (endplugs) στις άκρες τους, οι οποίες εξασφαλίζουν την ακριβή θέση και το τέντωµα του ανοδικού σύρµατος, τη στεγανότητά τους, για την αποφυγή διαρροής του αερίου µίγµατος, και τις σωστές συνδέσεις των ηλεκτρικών και του αερίου. Μπορούν να κατασκευαστούν µε εξαιρετικές µηχανικές ανοχές, οι οποίες ακολουθούν τις ουσιαστικές τους απαιτήσεις ευκρίνειας, ιδίως όταν χρησιµοποιούνται αυτοµατοποιηµένες διαδικασίες παραγωγής. Το µήκος τους κυµαίνεται από 70 cm ως 630 cm. Οι πιο σηµαντικές ιδιότητες των θαλάµων MDT συνοψίζονται στον παρακάτω ΠΙΝΑΚΑ 2-1. Για να βελτιωθεί η ακρίβεια του θαλάµου, πέρα από το όριο που προκύπτει µε τη χρήση του µονοαξονικού σύρµατος, και για να αποκτήσει ικανοποιητική επάρκεια ώστε να αναγνωριστεί ως υπόδειγµα ευκρίνειας, οι MDT θάλαµοι κατασκευάζονται µε 2x4 πολυεπίπεδα σωρών σωλήνων, για τους εσωτερικούς σταθµούς, και 2x3 πολυεπίπεδα για τους µεσαίους και τους εξωτερικούς σταθµούς του ανιχνευτή. Η κατασκευή στήριξης εξασφαλίζει τη σωστή θέση των σωλήνων, χωρίς να δηµιουργούνται προβλήµατα συγκρούσεων ή συµπιέσεων µεταξύ τους, αλλά και την µηχανική σταθερότητά τους στις επιδράσεις της θερµοκρασίας και της βαρύτητας. Συγκεκριµένα, για τους Κυλινδρικούς θαλάµους, οι οποίοι δεν στηρίζονται στην κατακόρυφη κατεύθυνση, έχουν σχεδιαστεί να κάµπτονται ελαφρά οι σωλήνες, έτσι ώστε να είναι όµοιοι µε την καµπυλότητα που αποκτούν τα σύρµατα λόγω της βαρύτητας. Οι κατασκευές που χρησιµοποιούνται για να 13

22 2. ΣΤΑΘΜΗ ΓΝΩΣΕΩΝ δηµιουργούν το απαραίτητο κενό µεταξύ των σωλήνων, εκτός των άλλων, αποτελούν και στηρίγµατα για όλα τα συστήµατα ευθυγράµµισης. Παράµετροι Τιµή σχεδιασµού Υλικό σωλήνων Al (Αλουµίνιο) Εξωτερική διάµετρος 30 mm σωλήνων Πάχος τοιχώµατος 0,4 mm σωλήνων Υλικό σύρµατος W-Re (97% : 3%) Διάµετρος σύρµατος 50 µm Μίγµα αερίου Ar-CH 4 -N 2 (91% : 4% : Πίεση αερίου 5%) 3 bar (απόλυτη) Ενίσχυση αερίου 2x10 4 Δυναµικό σύρµατος V Μέγιστος χρόνος κίνησης 480 ns Μέση ευκρίνεια ανά σωλήνα 80 µm Σύνολο σωλήνων 768 ΠΙΝΑΚΑΣ 2-1: Κυριότεροι παράµετροι των θαλάµων MDT Τα δοµικά στοιχεία των πλαισίων που δηµιουργούν το απαραίτητο κενό µεταξύ των σωλήνων των πολυεπιπέδων είναι τρεις εγκάρσιες λωρίδες αλουµινίου (cross plates), στα οποία τα δυο πολυεπίπεδα των σωλήνων είναι συνδεδεµένα, ΣΧΗΜΑ 1-3. Επίσης, υπάρχουν δύο µακριές δοκοί που συνδέουν τα cross plates µεταξύ τους. Τα µηχανικά µέρη των πλαισίων αυτών επιβάλλεται να κατασκευαστούν µε εξακριβωµένη ακρίβεια µεγέθους ±0,5 mm µόνο. Η ακριβής θέση των σωλήνων των θαλάµων εξασφαλίζεται από τη διαδικασία συναρµολόγησής τους. Οι θάλαµοι, από την µεριά τους, θα τοποθετηθούν στις ράβδους της κατασκευής του φασµατόµετρου στηριζόµενοι σε τρεις κινηµατικές εδράσεις. Όταν ο θάλαµος τοποθετηθεί για πρώτη φορά στην προβλεπόµενη θέση του, οι µηχανικές παραµορφώσεις του παρακολουθούνται και καταγράφονται (monitored) από ένα οπτικό σύστηµα ευθυγράµµισης (in-plane optical system). Από το σύστηµα αυτό προκύπτει και η ονοµασία του θαλάµου: Παρακολουθούµενοι Σωλήνες Κίνησης (Monitored Drift Tube). Τα βασικά συστατικά του αερίου που χρησιµοποιούνται σήµερα στους θαλάµους MDT είναι ένα µίγµα από µη εύφλεκτα αέρια, τα οποία είναι 91% Ar, 4% 14

23 2. ΣΤΑΘΜΗ ΓΝΩΣΕΩΝ N 2 και 5% CH 4, συνολικού όγκου 800 m 3. Ένα σύστηµα διανοµής αερίου έχει σχεδιαστεί για να ανακυκλώνει το αέριο µε ρυθµό ένα συνολικό όγκο την ηµέρα. Αυτό λειτουργεί ακολουθώντας πάντα τις αυστηρές προδιαγραφές που υπάρχουν για τη διατήρηση σταθερής και καθορισµένης πίεσης, της θερµοκρασίας, της αναλογίας των συστατικών του αερίου και της οµοιοµορφίας του σε όλο το θάλαµο. Τα περιφερειακά εξαρτήµατα του συστήµατος αυτού τοποθετείται σε ένα επίπεδο κτίσµα, ενώ το σύστηµα διανοµής σε µια υπόγεια στοά. Για να περιοριστεί το κόστος λειτουργίας, το αέριο θα ανανεώνεται µε ρυθµό που δε θα ξεπερνά τον ένα συνολικό όγκο στις δέκα ηµέρες Ακριβής ευθυγράµµιση των θαλάµων Οι απαιτήσεις που ορίζονται από την ικανότητα του φασµατόµετρου να προσδιορίζει την ταχύτητα µε µεγάλη ευκρίνεια, οδηγούν στην ανάγκη για ακριβή σχετική τοποθέτηση των θαλάµων. Οι θάλαµοι αυτοί διασχίζονται από µυόνια και η ικανότητα προσδιορισµού των τροχιών αυτών είναι η συνθήκη που καθορίζει την πραγµατική ανάλυση του φασµατόµετρου και τις απαιτούµενες ανοχές των µηχανικών τµηµάτων των θαλάµων ακριβείας. Λόγω των µεγάλων συνολικών διαστάσεων του φασµατόµετρου δεν είναι δυνατόν να κρατηθούν σε ισορροπία οι διαστάσεις και οι θέσεις των θαλάµων µε ακρίβεια στο επίπεδο των 30 µm. Για το λόγο αυτό, οι παραµορφώσεις και οι σχετικές θέσεις των θαλάµων συνεχώς παρακολουθούνται και καταγράφονται από ενδιάµεσα συστήµατα ευθυγράµµισης. Οι µετακινήσεις και λάθος θέσεις πάνω από ένα εκατοστό διορθώνονται για τις ανάγκες της µη ηλεκτρονικά ελεγχόµενης ανάλυσης των αποτελεσµάτων. Όλα τα συστήµατα ευθυγράµµισης βασίζονται σε οπτικά συστήµατα ελέγχου ευθύτητας. Δύο συστήµατα είναι αυτά που χρησιµοποιούνται για την οπτική παρακολούθηση της ευθύτητας στο σύστηµα της ευθυγράµµισης: Το σύστηµα RASNIK και η συσκευή ευθυγράµµισης πολλαπλών σηµείων (Multi-Point Alignment MPA). 2.2 Χώροι Συναρµολόγησης Ελεγχόµενων Κλιµατολογικών Συνθηκών (Clean Rooms) Η µόλυνση του αέρα είναι µερικές φορές εµφανής, π.χ. ένα καπνισµένο δωµάτιο, το νέφος στις πόλεις κτλ. Ακόµη και σε ατµόσφαιρες, όµως, που φαινοµενικά φαίνονται ότι είναι πολύ καθαρές, πάντα υπάρχει µόλυνση, σε 15

24 2. ΣΤΑΘΜΗ ΓΝΩΣΕΩΝ µικροσκοπικό επίπεδο, και σε ποσότητες µεγαλύτερες των πιθανών απαιτήσεων που υπάρχουν. Σε µια βιοµηχανική εγκατάσταση, για παράδειγµα, που έχει ευαίσθητο εξοπλισµό, απαιτείται έλεγχος των συνθηκών θερµοκρασίας και υγρασίας, για να αποφευχθούν φθορές στον εξοπλισµό και να διατηρούνται σταθερές οι συνθήκες σε όλη τη διάρκεια της καυτασκευής του θαλάµου BIS. Οι χώροι που γίνεται αυτός ο έλεγχος καλούνται Χώροι Πλήρως Ελεγχόµενων Συνθηκών - Clean rooms. Ο ορισµός, σύµφωνα µε το U.S. Federal Standard 209D, είναι ο εξής: Χώροι Πλήρως Ελεγχόµενων Συνθηκών είναι ένας χώρος στον οποίο η συγκέντρωση των αιωρούµενων σωµατιδίων και µολύνσεων ρυθµίζεται σε συγκεκριµένα επίπεδα. Έτσι, επειδή ο θάλαµος BIS είναι αρκετά ευαίσθητος και είναι µια διάταξη µεγάλης ακρίβειας η συναρµολόγηση του γίνεται µέσα σε θάλαµο πλήρως ελεγχόµενων συνθηκών. Ο χόρος πλήρως ελεγχόµενων συνθηκών είναι απαραίτητος κυρίως για να κολληθούν µεταξύ τους οι σωλήνες του θαλάµου BIS αφού η ακρίβεια σε αυτή την περίπτωση είναι τον µm. Αν γινόταν αυτή η συγκόλληση σε συνθήκες περιβάλλοντος θα είχαµε επικάθηση σωµατιδίων µεταξύ των σωλήνων και έτσι θα µειωνόταν η αντοχή και συνάφεια της κόλλας σε σχέση µε τον σωλήνα αλουµινίου. Χώρος πλήρως ελεγχόµενων συνθηκών 16

25 2. ΣΤΑΘΜΗ ΓΝΩΣΕΩΝ 2.3 Συγκόλληση των σωλήνων Για τη συγκόλληση των σωλήνων χρησιµοποιήθηκαν οι εµπειρίες που έχουν καταγραφεί κατά τη διάρκεια της συναρµολόγησης του πρότυπου σωληνωτού θαλάµου BOS, που κατασκευάστηκε σε εργαστήριο του Μονάχου και συνεργάζεται µε το CERN στην κατασκευή της ανιχνευτικής διάταξης ATLAS. Αφού οι σωλήνες του κάθε επιπέδου έχουν τοποθετηθεί πάνω σε ειδικά χτένια (jigs) και συγκρατούνται από κενό ρεύµα αέρος σε ειδικά σηµεία αναρρόφησης, σε κάθε σωλήνα πρέπει να τοποθετηθούν τρεις σειρές από κόλλα: η µια σειρά είναι στο κενό, που προβλέπεται για αυτό το σκοπό, µεταξύ δύο γειτονικών σωλήνων, στις 0 ο στην αζιµουθιακή κατεύθυνση, σε όλα τα επίπεδα των σωλήνων. Οι άλλες δύο σειρές είναι στις 30 ο και η άλλη στις -30 ο στην αζιµουθιακή κατεύθυνση, για τη συγκόλληση των δύο διαδοχικών επιπέδων. Η κόλλα που χρησιµοποιείται είναι ειδική επωξειδική ριτίνη και έχει εµπορική ονοµασία Araldit Εξαρτήµατα παροχής αερίου για τον ανιχνευτή µυονίων ATLAS Είδος σωληνώσεων παροχής αερίου Στην δική µας περίπτωση προτιµούνται συγκολληµένοι ανοξείδωτοι σωλήνες από χάλυβα. Το υλικό τους είναι λίγο ακριβότερο από χάλκινους σωλήνες, αλλά η εγκατάσταση είναι ευκολότερη και ασφαλέστερη Γενικοί παράµετροι για τις διαστάσεις των σωλήνων και την ποιότητα Η ανάγκη της εναλλαγής του αέρα µε ρυθµό ένα όγκο την ηµέρα και ρυθµό ανανέωσης δέκα όγκων την ηµέρα προέκυψε λαµβάνοντας υπόψη τη σταθερότητα της εργασίας και παράγοντες κόστους. Στο µεταξύ, χρόνιες µελέτες απέδειξαν ότι η πλούσια παροχή ρεύµατος αερίου οδηγεί στην αύξηση της ηλικίας των θαλάµων MDT. Για το λόγο αυτό, ένας υψηλός ρυθµός εναλλαγής, πάνω από δέκα όγκους την ηµέρα, επιλέχτηκε ως ο καταλληλότερος. Το καθεστώς αυτό του ρυθµού εναλλαγής (1000 bar*m 3 /ώρα για ολόκληρο το σύστηµα) δεν προϋποθέτει αναγκαστικά και σωληνώσεις µεγαλύτερης διαµέτρου, καθώς η επιπλέον πίεση 17

26 2. ΣΤΑΘΜΗ ΓΝΩΣΕΩΝ που πέφτει κατά µήκος των σωλήνων διανοµής αντισταθµίζεται ρυθµίζοντας κατάλληλα τις συνδέσεις µε το θάλαµο. Για παράδειγµα, στους µεγαλύτερους θαλάµους BOL, που έχουν όγκο πάνω από 1,4 m 3 ο καθένας, κάθε σωλήνας παρέχει αέριο σε έξη θαλάµους ταυτόχρονα και είναι δυνατόν να ανακυκλώνει το αέριο µε ρυθµό 10 bar*m 3 /ώρα. Στην κατάσταση αυτή, η ροή είναι τυρβώδης και η πίεση αυξάνει σχεδόν µε δευτεροβάθµια σχέση µε το ρυθµό εναλλαγής. Με ονοµαστική διάµετρο του σωλήνα εισόδου 16 mm η µεταβολή της πίεσης είναι 0,02 mbar/m, για εναλλαγή του αερίου µε ρυθµό ένα όγκο την ηµέρα, ενώ αυξάνεται στο 1 mbar/m για ρυθµό δέκα όγκους την ηµέρα. Η τελική απόφαση για τον ακριβή ρυθµό κυκλοφορίας του αερίου πρέπει να ληφθεί αργότερα, αφού γίνου περισσότερες µελέτες σχετικά µε τη τροφοδοσία αερίων µέσω σωληνώσεων. Στην πράξη έχει εφαρµοστεί η παρακάτω συνδεσµολογία µεταξύ του εφοδιασµού και της επιστροφής του αερίου από το θάλαµο: οι σωληνώσεις έχουν τοποθετηθεί σε διαµετρικά αντίθετες θέσεις του θαλάµου για να επιτευχθεί οµαλότερη και πιο οµογενής διανοµή. Αυτή η απαίτηση µπορεί να δηµιουργήσει και δυσκολίες στις συνδέσεις των σωλήνων, οι οποίες όµως µπορούν να αποφευχθούν αν οι είσοδοι και οι έξοδοι έχουν τοποθετηθεί αρκετά κοντά. Αυτό µπορεί να επιτευχθεί ακόµη κι αν χρειαστεί να γίνουν επιπλέον συνδέσεις στους θαλάµους. Η διανοµή του αερίου στους θαλάµους έγινε µε τέτοιο τρόπο ώστε ο συνολικός όγκος ενός σετ θαλάµων, που έχουν συνδεθεί µε µια κοινή µονάδα ελέγχου πίεσης, να µην ξεπερνά τα 50 m 3 και η βαρυτική πτώση πίεσης να µην ξεπερνά τα 3 mbar. Οι σωληνώσεις οδηγούνται µέσα στον ανιχνευτή και συνδέονται µε οχτώ θαλάµους. Ο µέγιστος όγκος που δηµιουργήθηκε από τη σύνδεση ενός ζεύγους σωληνώσεων ήταν περίπου 8 m Η συνδεσµολογία µεταξύ των σωλήνων εφοδιασµού και επιστροφής του αερίου και των κύριων αγωγών διανοµής του αερίου του θαλάµου (Gas Manifolds) Κάθε θάλαµος έχει κύριους αγωγούς διανοµής του αερίου οι οποίοι µεταφέρουν το αέριο σε κάθε σωλήνα της σωρού. Οι συνδέσεις µε τις σωληνώσεις εφοδιασµού γίνονται µε ένα τριχοειδές σωλήνα, ένα χειροκίνητο διακόπτη, ένα 18

27 2. ΣΤΑΘΜΗ ΓΝΩΣΕΩΝ σύνδεσµο (προτιµάται ένας σύνδεσµος που µπορεί να φράσσεται ακαριαία µόνος του) και ένα µικρό κοµµάτι από πλαστικό σωλήνα, ο οποίος δίνει στην όλη κατασκευή αρκετή ελαστικότητα αλλά εξασφαλίζει και την ηλεκτρική µόνωση µεταξύ του θαλάµου και του συστήµατος διανοµής του αερίου. Η όλη αυτή διάταξη φαίνεται στο ΣΧΗΜΑ 2-3. ΣΧΗΜΑ 2-3: Φωτογραφία της συνδεσµολογίας µεταξύ των gas manifolds και των σωληνώσεων τροφοδοσίας απο BIS TYPE-3. Όµοια είναι και αυτή του BIS TYPE-1. 19

28 2. ΣΤΑΘΜΗ ΓΝΩΣΕΩΝ Οι διαστάσεις των τριχοειδών σωλήνων στο θάλαµο καθορίζονται ως συνάρτηση της απαραίτητης ροής και της αποδεκτής πτώσης πίεσης. Για παράδειγµα, σε ένα σωλήνα µε εσωτερική διάµετρο 1,1 mm και συνολικό µήκος 10 mm δηµιουργείται µια πτώση πίεσης της τάξης των 2,6 mbar, για ρυθµό κυκλοφορίας του αερίου 0,18 mbar*m 3 /ώρα, η οποία αναλογεί σε ένα όγκο την ηµέρα για τους θαλάµους BOL. Καθώς η πίεση πέφτει κατά µήκος των σωλήνων εισόδου διαµέτρου 16 (18) mm, µεταξύ του πρώτου και του τελευταίου θαλάµου, και φτάνει να είναι µέχρι και δέκα πέντε φορές µικρότερη (0,17 mbar/m), η ροή µέσα στους θαλάµους µπορεί να είναι η ίδια και όχι διαφορετική πέρα από 7%. Στο καθεστώς της υψηλής παροχής, η διαφορά πίεσης κατά µήκος των σωλήνων εφοδιασµού και επιστροφής είναι πολύ µεγαλύτερη: 8,7 mbar/10m. Πολύ µεγαλύτερη είναι και η πτώση πίεσης που δηµιουργείται κατά µήκος των τριχοειδών σωλήνων, αφού χρησιµοποιούνται στη διάταξη διανοµής του αερίου ως βασικές γραµµές ροής. Εποµένως, δεν είναι επιθυµητοί, αφού ο έλεγχος και η ρύθµιση της πίεσης γίνεται πολύ πιο δύσκολη και απαιτείται ένας πολύ πιο ισχυρός συµπιεστής. Ωστόσο, δεν είναι δυνατόν να καταργηθούν. Για το λόγο αυτό, η ροή του αερίου πρέπει να ρυθµίζεται για κάθε θάλαµο χωριστά, µε ξεχωριστά ενδιάµεσα στόµια ή τριχοειδείς σωλήνες. Από την άλλη τους πλευρά οι θάλαµοι συνδέονται µε τον ίδιο τρόπο, αλλά χωρίς τους τριχοειδής σωλήνες. Στο σηµείο αυτό πρέπει να επισηµανθεί ότι σε αυτή την κατάσταση το διπλάσιο µήκος των σωληνώσεων επιστροφής, που επιβάλλεται σύµφωνα µε το πρότυπο που περιγράφεται στο TDR (Technical Design Report) για να έχουν όλοι οι θάλαµοι το ίδιο µήκος σωλήνων, µπορεί να αποφευχθεί. Από την πλευρά του θαλάµου που εισάγεται το αέριο οι µεµονωµένοι σωλήνες τροφοδοτούνται µε το αέριο από µια σειρά τριχοειδών σωλήνων, συνολικού µήκους από 20 mm ως 100 mm και διαµέτρου από 1 mm ως 1,3 mm (ΣΧΗΜΑ 2-4). Οι ακριβείς διαστάσεις τους επιλέγονται έτσι ώστε οι ρυθµοί της ανακύκλωσης του αερίου, µέσα στους σωλήνες των θαλάµων, να µην διαφέρουν περισσότερο από 10%, καθώς η µέγιστη πτώση πίεσης έχει οριοθετηθεί στα 2 mbar για την περίπτωση του υψηλότερου επιθυµητού ρυθµού κυκλοφορίας των δέκα όγκων την ηµέρα. Η υψηλή σύνθετη αντίσταση αυτής της συνδεσµολογίας 20

29 2. ΣΤΑΘΜΗ ΓΝΩΣΕΩΝ έχει το επιπλέον πλεονέκτηµα ότι οποιαδήποτε πιθανή διαρροή σε ένα σωλήνα δεν αποτελεί καταστροφική απώλεια πίεσης στο θάλαµο ή του συνολικού όγκου του αερίου που προσάγεται. Το γεγονός αυτό κάνει πιο χαλαρές τις απαιτήσεις ασφαλείας. ΣΧΗΜΑ 2-4: του αερίου στους σωλήνες του θαλάµου. Σχηµατική παράσταση της συνδεσµολογίας για την εισαγωγή Κανόνες ασφαλείας Το περιεχόµενο αέριο του MDT θαλάµου δεν είναι εύφλεκτο. Επίσης ο θάλαµος αυτός λειτουργεί σε απόλυτη πίεση 3 bar, ρυθµιζόµενη µε βαλβίδες εκτόνωσης στον κυκλοφορητή. Όπως έχει περιγραφθεί προηγούµενα, κάθε µια από τις τριάντα οχτώ βάσεις διανοµής έχει µια συσκευή ελέγχου και ρύθµισης της πίεσης, που µπορεί να διαχειριστεί όγκους µεταξύ 5 m 3 και 50 m 3. Οι θάλαµοι, από την άλλη πλευρά, έχουν όγκους πάνω από 1,4 m 3 ο καθένας και είναι συνδεδεµένοι µε τους διανοµείς αερίου µέσω τριχοειδών σωλήνων, οι οποίοι δηµιουργούν µια πτώση πίεσης λίγων mbar. Ο κύριος λόγος ύπαρξης των εξαρτηµάτων αυτών είναι να εξασφαλίσουν την ίδια ροή σε όλους τους θαλάµους. Όµοια, ξεχωριστοί σωλήνες συνδέονται µε τους πολλαπλούς διανοµείς αερίου των θαλάµων, µέσω τριχοειδών σωλήνων, µε ταχύτητα ροής 19 lt/sec, η οποία είναι τόσο µικρή που περιορίζει αποτελεσµατικά τον κίνδυνο της εκδήλωσης κάποιας πιθανής ζηµίας. Συγκεκριµένα, η διαρροή λόγω µιας ξαφνικής διαρροής σε ένα σωλήνα, µε µηδενική αντίσταση, η οποία οδηγεί στην ολοκληρωτική απώλεια της υπερπίεσης, περιορίζεται στα 25mbar*lt/sec. Η αντίσταση της πίεσης των συναρµολογηµένων σωλήνων έχει µετρηθεί. Τα πώµατα στις άκρες των σωλήνων (end plugs) παραµένουν στη θέση τους, χωρίς 21

30 2. ΣΤΑΘΜΗ ΓΝΩΣΕΩΝ κανένα κίνδυνο, σε εσωτερική πίεση του σωλήνα τουλάχιστον 15 bar. Αυτό βέβαια εξαρτάται από τη σταθεροποίησή τους. Αν αυτά είναι τοποθετηµένη ερµητικά στο σωλήνα, τότε ο σωλήνα εκρήγνυται στα 50 bar. Ακόµη και αν ο σωλήνας εκραγεί ο κίνδυνος είναι πολύ µικρός, γιατί η ενέργεια που απελευθερώνεται είναι µικρή: p*v<2*10 5 Pa x 4*10-3 m 3 = 80J. Αυτές οι απόψεις, σχετικά µε την ασφάλεια των διαδικασιών συναρµολόγησης και λειτουργίας, έχουν παρουσιαστεί στην υπεύθυνη οµάδα TIS (Technical Inspection and Safety) του CERN. Οι µελέτες που έχουν γίνει για την ασφάλεια έχουν δείξει ότι οι MDT θάλαµοι δεν πρέπει να θεωρούνται δοχεία πίεσης, σύµφωνα µε την έννοια των διεθνών Ευρωπαϊκών κανόνων. 22

31 3. ΣΚΟΠΟΣ ΤΗΣ ΕΡΓΑΣΙΑΣ Στα πλαίσια του επιστηµονικού προγράµµατος ATLAS - MUON, 2004, του Ευρωπαϊκού Κέντρου Φυσικής Σωµατιδίων (CERN), πρόκειται να κατασκευαστούν και να ελεγχθούν µετροτεχνικά εκατόν είκοσι οχτώ θάλαµοι BIS καταγραφής κοσµικών ακτινοβολιών. Για το σκοπό αυτό συνεργάζονται το ΕΕΔΜ και το εργαστήριο Ατοµικής - Πυρηνικής Φυσικής (ΕΑΠΦ), του τµήµατος Φυσικής, του Αριστοτέλειου Πανεπιστηµίου Θεσσαλονίκης. Οι θάλαµοι BIS αποτελούν επιµέρους τµήµατα των συνολικών θαλάµων MDT, που χρησιµοποιούνται στην ανιχνευτική διάταξη ATLAS. Μια εικόνα του θαλάµου BIS φαίνεται στο ΣΧΗΜΑ 3-1. Ο θάλαµος αποτελείται από ένα πολυεπίπεδο ML (Multi layers) σωλήνων, που συνθέτονται από τρία επίπεδα σωλήνων. Οι σωλήνες αυτοί είναι κατασκευασµένοι από αλουµίνιο, έχουν διάµετρο περίπου 30 mm και πάχος τοιχώµατος 0,4 mm. Οι άκρες τους είναι ερµητικά κλεισµένες µε ειδικά πώµατα, στα οποία είναι προσαρµοσµένο ένα σύρµα. Η απόσταση των συρµάτων δύο διαδοχικών σωλήνων του ίδιου πολυεπιπέδου πρέπει να είναι 30,035 mm. Ανάµεσα στο ML και στις δοκούς ανάρτησης υπάρχει µία συµπαγής εγκάρσια λωρίδα αλουµινίου πάχους 6 mm. Αυτήν, πέρα από τη διατήρηση συγκεκριµένης απόστασης, χρησιµεύει και για την αύξηση της στιβαρότητας της συνολικής κατασκευής. 23

32 3. ΣΚΟΠΟΣ ΤΗΣ ΕΡΓΑΣΙΑΣ ΣΧΗΜΑ 3-1: Θάλαµος BIS Ο θάλαµος στηρίζεται σε τρία κινηµατικά πλαίσια στήριξης (mounding blocks) που τοποθετούνται στις δοκούς ανάρτησης (Support beams). Τα τελευταία βρίσκονται στο ανώτερο πολυεπίπεδο των σωλήνων. Τα σηµεία όπου τοποθετούνται τα πλαίσια αυτά έχουν επιλεγεί, µετά από υπολογισµούς σε υπολογιστικά πακέτα πεπερασµένων στοιχείων, έτσι ώστε η παραµόρφωση του θαλάµου λόγω του βάρος του να είναι όσο το δυνατόν µικρότερη. Το εξωτερικό των δύο πολυεπιπέδων είναι καλυµµένο από ένα στρώµα 30 mm συµπαγούς µονωτικού υλικού και 0,5 mm συµπαγούς ελάσµατος αλουµινίου. Και τα δύο αυτά καλύµµατα χρησιµεύουν για θερµική και ηλεκτρική µόνωση. Οι σωροί των σωλήνων (µαζί µε τα πώµατα στις άκρες) έχουν µήκος 851,5 mm: υπάρχουν 16 σωλήνες σε κάθε επίπεδο δηµιουργώντας ένα συνολικό µήκος θαλάµου, στη x διεύθυνση, 495 mm και 81,96 mm στη z. Στις πλευρικές επιφάνειες των θαλάµων, όπου καταλήγουν οι ηλεκτρικές συνδέσεις και αγωγοί εναλλαγής του αερίου, τοποθετούνται κλωβοί προστασίας (Faraday Cage). 24

33 3. ΣΚΟΠΟΣ ΤΗΣ ΕΡΓΑΣΙΑΣ Σκοπός της εργασίας αυτής είναι να σχεδιαστούν τα παραπάνω περιγραφόµενα τεµάχια σε σχεδιαστικό πακέτο Auto-CAD, εκτός βέβαια τα τυποποιηµένα τεµάχια. 25

34 4. ΤΑ ΣΥΝΘΕΤΙΚΑ ΣΥΣΤΑΤΙΚΑ ΤΟΥ ΘΑΛΑΜΟΥ BIS Δύο είναι οι βασικοί τύποι των θαλάµων BIS που είναι απαραίτητοι για την κατασκευή του φασµατόµετρου. Η βασική τους διαφορά είναι στον αριθµό των σωλήνων κάθε πολυεπιπέδου. Επιπλέον, απαιτούνται και δέκα έξη ειδικοί θάλαµοι, οι οποίοι έχουν κοντύτερους σωλήνες και ένα µόνο πολυεπίπεδο. Λόγω της συµµετρίας του σχήµατος των θαλάµων (συµµετρίας µε καθρεπτισµό), για την κατασκευή του φασµατόµετρου απαιτούνται, για κάθε τύπο θαλάµων BIS, δύο εκδόσεις. Έτσι προκύπτει ότι πρέπει να κατασκευαστούν οι θάλαµοι µε τα ανάλογα χαρακτηριστικά, όπως φαίνονται στον παρακάτω ΠΙΝΑΚΑ 4-1: Τύπος θαλάµου Μήκος συναρµολογούµενων σωλήνων Πλήθος σωλήνων ανά επίπεδο Πλήθος θαλάµων ανά τύπο BIS TYPE-1A 851, BIS TYPE-1C 851, BIS TYPE-2A 1671, BIS TYPE-2C 1671, BIS TYPE-3A 1671, BIS TYPE-3C 1671, Σύνολο 128 ΠΙΝΑΚΑΣ 4-1: Οι τύποι των θαλάµων BIS Κάθε θάλαµος συναρµολογείται από ένα σετ ξεχωριστών συστατικών (σωλήνες, δοκοί στήριξης, κλωβοί Faraday κτλ), η πλειοψηφία των οποίων είναι, σε µεγάλο βαθµό, συναρµολογηµένες διατάξεις µικρών εξαρτηµάτων. 26

35 4. ΤΑ ΣΥΝΘΕΤΙΚΑ ΣΥΣΤΑΤΙΚΑ ΤΟΥ ΘΑΛΑΜΟΥ BIS 4.1 Οι σωλήνες Η βασική µονάδα ανίχνευσης ενός θαλάµου MDT είναι ένας σωλήνας, από κράµα αλουµινίου, µε εξωτερική διάµετρο 30 mm και πάχος 400±20 µm, ΣΧΗΜΑ 4-1. Ο σωλήνας αυτός θα πρέπει να είναι πολύ αυστηρών προδιαγραφών, όσον αφορά τις µηχανικές του ιδιότητες, και να εξασφαλίζεται η ύπαρξη πολύ µικρών ανοχών κατά την κατασκευή του. Έτσι, η εκκεντρότητα του πρέπει να είναι µικρότερη από 20 µm, η ευθυγραµµότητα µικρότερη από 30 µm/300 mm, ενώ το βάρος του 0.1 kg/m. Στο θάλαµο BIS χρησιµοποιούνται συνολικά 48 τέτοιοι σωλήνες αλουµινίου, συνολικού µήκους 851,5 mm. Κάθε σωλήνας χαρακτηρίζεται µε µια προσωπική ταυτότητα γραµµικού κώδικα. Με τον τρόπο αυτό, όλες οι πληροφορίες που προκύπτουν για κάθε σωλήνα, κατά τον τυπικό έλεγχο που γίνεται για τη διαπίστωση της ακρίβειας των παραπάνω ιδιοτήτων τους και των χαρακτηριστικών τους, καταγράφονται και αποθηκεύονται σε µια βάση δεδοµένων ACCESS. Κάθε σωλήνας, λοιπόν, είναι αποθηκευµένος σε ηλεκτρονική µορφή και είναι γνωστά όλα του τα γεωµετρικά χαρακτηριστικά. Στους σωλήνες αυτούς πρέπει, ωστόσο, να τοποθετηθούν και µερικά άλλα εξαρτήµατα, για τη λειτουργία της όλης πειραµατικής διάταξης Σύρµα παροχής του ηλεκτρικού φορτίου Για την παροχή του ηλεκτρικού ρεύµατος στους σωλήνες πρέπει να τοποθετηθεί στο κέντρο τους ένα επιχρυσωµένο σύρµα Wu/Re (97/3), διαµέτρου 50±0.5 µm και ηλεκτρικής αντίστασης 44±5% Ω/m. Το σύρµα αυτό πρέπει να βρίσκεται στο κέντρο των σωλήνων, σε όλο το µήκος τους, µε απόκλιση µικρότερη των 10 µm, για το λόγο αυτό και τοποθετείται µέσα σε αυτούς υπό εφελκυστική τάση 350±7 gr r.m.s. Είναι σηµαντικό, επίσης, το r.m.s. σφάλµα της απόκλισης του σύρµατος ενός σωλήνα ως προς ένα άλλο, σε σχέση πάντα µε ένα σταθερό σηµείο του θαλάµου, να µην ξεπερνά τα 20 µm. Στις άκρες του υπάρχει µια επιφάνεια αναφοράς µε υψηλή ακρίβεια και διαµέτρου ± mm. Είναι η θέση όπου οι σωλήνες έρχονται σε επαφή. 27

36 4. ΤΑ ΣΥΝΘΕΤΙΚΑ ΣΥΣΤΑΤΙΚΑ ΤΟΥ ΘΑΛΑΜΟΥ BIS Μεταξύ του σύρµατος και του τοιχώµατος του σωλήνα εφαρµόζεται διαφορά δυναµικού 3270V, απαραίτητη για την έλξη των ιόντων που δηµιουργούνται κατά τη διέλευση των µυονίων µέσα από τους σωλήνες Σταθεροποιητές σύρµατος Στο εσωτερικό κάθε σωλήνα υπάρχουν δύο ή τρία (ανάλογα µε το µέγεθος του σωλήνα) πλαστικά εξαρτήµατα, τα οποία ονοµάζονται σταθεροποιητές σύρµατος. Τα εξαρτήµατα αυτά φαίνονται στο ΣΧΗΜΑ 4-2 και χρησιµοποιούνται για να εξασφαλιστεί η οµοκεντρικότητα του σωλήνα και του σύρµατος. Αποτελούνται από δύο όµοια ηµιδίσκια τα οποία επιτρέπουν στο σύρµα να περάσει µέσα από µία οπή 50x50 µm2. ΣΧΗΜΑ 4-1: Σχηµατική παράσταση του σωλήνα των θαλάµων BIS, Οµοαξονικότητα της θέσεως του σύρµατος ως προς τον άξονα αναφοράς ΑΒ και συσκευή ελέγχου Πώµατα σφράγισης των σωλήνων Και οι δύο άκρες των σωλήνων σφραγίζονται µε ένα τυποποιηµένο πώµα (endplug). Αυτά τα πώµατα αποτελούν τα στοιχεία που εξασφαλίζουν στους σωλήνες τα ηλεκτρικά και µηχανικά τους χαρακτηριστικά. Συγκεκριµένα: 28

37 4. ΤΑ ΣΥΝΘΕΤΙΚΑ ΣΥΣΤΑΤΙΚΑ ΤΟΥ ΘΑΛΑΜΟΥ BIS 1. Εξασφαλίζουν τη θέση των συρµάτων µε ακρίβεια σε σχέση µε τα τοιχώµατα των σωλήνων, 2. Επιτυγχάνεται η απαιτούµενη ηλεκτρική επαφή µεταξύ ηλεκτρονικών και του σύρµατος και των ηλεκτρονικών και του σωλήνα, 3. Συγκρατούν το σύρµα σε ένταση (εφελκυστική τάση) 4. Παγιδεύουν ερµητικά το αέριο µέσα στους σωλήνες και εξασφαλίζουν στεγανές συνδέσεις µε τα gas manifolds. Η τρισδιάστατη όψη των endplug φαίνεται στο ΣΧΗΜΑ 4-3 και στο ΣΧΗΜΑ 4-4. Στην εξωτερική τους επιφάνεια τα πώµατα έχουν ένα αυλάκι, στο οποίο στηρίζεται το δαχτυλίδι του συνδέσµου του αερίου. Ο κεντρικός χάλκινος µικρός πείρος συγκρατεί ένα επιχρυσωµένο εύθραυστο σωλήνα για να συγκρατείται το σύρµα σε συνεχή έκταση. Επίσης, υπάρχει και ένας διακλαδωτής αερίου (gas jumper) για τη σύνδεση των σωλήνων µε το gas manifold. Για να εξασφαλιστεί ότι δε θα υπάρχει καµία απολύτως διαρροή του αερίου, εφαρµόζεται ένα κάλυµµα κλεισίµατος µε ένα δαχτυλίδι. Η βασική σύνδεση γίνεται µε έναν µικρό αλουµινένιο κύλινδρο που πιέζεται µέσα σε µια εγκοπή µεταξύ του σώµατος του πλαστικού πώµατος και του τοιχώµατος του σωλήνα. ΣΧΗΜΑ 4-3: Τρισδιάστατη όψη των πωµάτων των σωλήνων 29

38 4. ΤΑ ΣΥΝΘΕΤΙΚΑ ΣΥΣΤΑΤΙΚΑ ΤΟΥ ΘΑΛΑΜΟΥ BIS ΣΧΗΜΑ 4-4: Το σχέδιο των πωµάτων των σωλήνων Αέριο των σωλήνων Οι σωλήνες στο εσωτερικό τους περιέχουν αέριο µίγµα (Αργό σε ποσοστό 97,9% και CO 2 σε ποσοστό 2%) σε πίεση περίπου 3 bar. Το µίγµα αυτό, κατά τη λειτουργία της συνολικής πειραµατικής διάταξης, ανανεώνεται µε νέο αέριο, το οποίο µεταφέρεται στους σωλήνες µέσω του ειδικού συστήµατος µίξης και διανοµής. 4.2 Σύστηµα µίξης και διανοµής αερίου Η µίξη και η διανοµή του αερίου στους σωλήνες γίνεται από ένα ειδικό σύστηµα, το οποίο συνδέει τις φιάλες των αερίων µε το θάλαµο, µέσω των ειδικών πωµάτων των σωλήνων. Διαθέτει µίκτη, ρυθµιστές πίεσης και ελεγκτές ροής αερίου. Το σύστηµα µίξης και διανοµής του αερίου εγγυάται σταθερότητα στις συνθήκες λειτουργίας, καθώς και τον πλήρη έλεγχο στην πίεση, που είναι <10-8 bar/s, και τη σταθερή σύνθεση του αερίου. 30

39 4. ΤΑ ΣΥΝΘΕΤΙΚΑ ΣΥΣΤΑΤΙΚΑ ΤΟΥ ΘΑΛΑΜΟΥ BIS 4.3 Σωλήνες διανοµής αερίου Οι σωλήνες διανοµής αερίου διακρίνονται σε: α) σωλήνες εισαγωγής, που µεταφέρουν δηλαδή το νέο αέριο στους σωλήνες του θαλάµου BIS και β) σωλήνες απαγωγής, που µεταφέρουν το παλιό αέριο εκτός του θαλάµου. ΣΧΗΜΑ 4-5: Οι σωλήνες διανοµής αερίου συνδεδεµένοι στα gas manigolds Οι δύο αυτές οµάδες σωλήνων ενώνονται µε αντίστοιχες βάνες για να γίνεται εφικτή η διακοπή της παροχής του αερίου και στην συνέχεια ενώνονται µε τα αντίστοιχα Gas Manifolds (εισόδου ή εξόδου αερίου) µε ειδικό συνδετικό µηχανισµό, όπως φαίνεται στο ΣΧΗΜΑ 4-5, στο πίσω µέρος τους, όπου έχει κατασκευαστεί οπή Φ11. Τα κατασκευατικά σχέδια βρίσκονται στο ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ. 4.4 Κύριοι αγωγοί διανοµής αερίου (Gas Manifolds) Οι κύριοι αγωγοί διανοµής αερίου (Gas Manifolds) διανέµουν νέο αέριο στους σωλήνες ενός πολυεπιπέδου και ταυτόχρονα συλλέγουν το παλιό. Σε κάθε θάλαµο BIS υπάρχουν δύο Gas Manifolds, ένα για την εισαγωγή του και ένα για την έξοδο. Τοποθετούνται στις δύο άκρες των σωλήνων, στις εξωτερικές πλευρές των 31

40 4. ΤΑ ΣΥΝΘΕΤΙΚΑ ΣΥΣΤΑΤΙΚΑ ΤΟΥ ΘΑΛΑΜΟΥ BIS πολυεπιπέδων (βλέπε ΣΧΗΜΑ 1-1), και εξέχουν του εξωτερικού επιπέδου των σωλήνων. Τα κατασκευαστικά σχέδια βρίσκονται στο ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ. Στο ΣΧΗΜΑ 4-7 φαίνεται η τρισδιάστατη όψη ενός Gas Manifold. Εξαιτίας της ασύµµετρης κατανοµής των εισόδων και εξόδων του αερίου, τα Gas Manifolds είναι δύο διαφορετικά µοτίβα, συµµετρικά µε καθρεπτισµό, που φέρουν διαδοχικά διατεταγµένες οπές. ΣΧΗΜΑ 4-7: Τρισδιάστατη όψη ενός Gas Manifold και φωτογραφία του µε τους διακλαδωτές αερίου Για να µην υπάρξουν λάθη κατά τη συναρµολόγηση του θαλάµου και τα Gas Manifolds τοποθετηθούν σε λανθασµένες θέσεις, σηµειώνονται µε ανάλογο χρώµα. Τα Gas Manifolds κατασκευάζονται σε βιοµηχανία ειδικευµένη για παραγωγή εξαρτηµάτων υψηλής διαστατικής ακρίβειας, σε συνεργασία µε το CERN. Η είσοδος και έξοδος του αερίου από τα Gas Manifolds γίνεται µε οπές Φ11 που ανοίγονται στην επίπεδη πίσω πλευρά τους. Για την είσοδο και έξοδο του αερίου 32

41 4. ΤΑ ΣΥΝΘΕΤΙΚΑ ΣΥΣΤΑΤΙΚΑ ΤΟΥ ΘΑΛΑΜΟΥ BIS από τους σωλήνες ανοίγονται χαρακτηριστικές ειδικές, διαδοχικά διατεταγµένες οπές, κατά µήκος της µπροστινής πλευράς των Gas Manifolds. Η κατασκευή αυτών των οπών γίνεται σε CNC µηχανή του ΕΕΔΜ. Στις άκρες τους σφραγίζονται µε ειδικές τάπες αλουµινίου που συγκολλούνται µε τήξη. Μετά τη συγκόλληση γίνεται έλεγχος επιπεδότητας της κατασκευής αλλά και έλεγχος για πιθανές διαρροές αερίου. 4.5 Διακλαδωτές αερίου (Gas Connectors) Οι διακλαδωτές αυτοί είναι πολύ µικροί τριχοειδείς σωλήνες που χρησιµοποιούνται για να συνδεθούν οι σωλήνες του θαλάµου από τα πώµατα µε τα Gas Manifolds, φαίνονται στην ΕΙΚΟΝΑ 4-1 και ΕΙΚΟΝΑ 4-2. Είναι, δηλαδή, οι σωληνώσεις αυτές που µεταφέρουν το αέριο από / προς τους σωλήνες προς / από τα Gas Manifolds. Για το σκοπό αυτό και λόγο της ιδιαίτερης µορφολογίας της συνολικής διάταξης, χρησιµοποιούνται έξη διαφορετικά είδη διακλαδωτών: οι δύο αυτές µορφές που έχουν ίσιες σωληνώσεις µήκος χρησιµοποιούνται για να συνδέσουν τα δύο επίπεδα των σωλήνων του θαλάµου που βρίσκονται πιο κοντά στα Gas Manifolds. Οι διακλαδωτές αυτοί µπορούν να χρησιµοποιηθούν και στις δύο πλευρές των σωλήνων του θαλάµου αλλά και σε κάθε πολυεπίπεδό του. Οι υπόλοιποι σύνδεσµοι, οι οποίοι συνδέουν τα δύο πιο αποµακρυσµένα επίπεδα των σωλήνων µε τα Gas Manifolds πρέπει να καµφθούν σε διάφορα σηµεία και µε διαφορετικό προσανατολισµό. Συγκεκριµένα, πρέπει να δηµιουργηθούν δύο παραλλαγές συνδέσµων για κάθε επίπεδο των σωλήνων, ένα για κάθε πλευρά του θαλάµου. Οι παραλλαγές αυτές είναι απαραίτητες γιατί οι διακλαδωτές πρέπει να καµφθούν σε αντίθετες κατευθύνσεις. 33

42 4. ΤΑ ΣΥΝΘΕΤΙΚΑ ΣΥΣΤΑΤΙΚΑ ΤΟΥ ΘΑΛΑΜΟΥ BIS EIKONA 4-8: Οι διακλαδωτές του αερίου των θαλάµων BIS Η σύνδεση των διακλαδωτών αυτών µε τα gas manifolds γίνεται µε ειδικούς πλαστικούς συνδέσµους (clips),. Τα clips που χρησιµοποιούνται είναι δύο παραλλαγές συµµετρικές µεταξύ τους µε απλό καθρεπτισµό, για να ταιριάζουν µε τα πρότυπα των οπών στα Gas Manifolds. Η συναρµολόγηση των συνδέσµων αυτών γίνεται αφού ολοκληρωθεί η συναρµολόγηση όλων των επιπέδων των σωλήνων και αφού συνδεθεί σε αυτά και ο κλωβός Faraday (Φάση ΙΙ της συναρµολόγησης). EIKONA 4-9: Οι σύνδεσµοι (clips) των διακλαδωτών µε τα gas manifolds 34

43 4.6 Δοκοί ανάρτησης (Support Beams) 4. ΤΑ ΣΥΝΘΕΤΙΚΑ ΣΥΣΤΑΤΙΚΑ ΤΟΥ ΘΑΛΑΜΟΥ BIS Το σύστηµα ανάρτησης του θαλάµου BIS αποτελείται από δύο δοκούς ορθογωνικού προφίλ, τα οποία συνδέονται όπως φαίνεται ΣΧΗΜΑ 1-2. Στο ΣΧΗΜΑ 4-10 υπάρχει η τρισδιάστατη σχηµατική παράσταση των δοκών ανάρτησης. Τα κατασκευαστικά σχέδια βρίσκονται στο ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ. ΣΧΗΜΑ 4-10: Τρισδιάστατη όψη των δοκών ανάρτησης (Support Beams) 4.7 Οι εγκάρσιες λωρίδες Cross-strips Τα Cross-strips στην περίπτωση του θαλάµου µε ένα layer είναι 1 λεπτή, επίπεδη βέργα αλουµινίου, που χρησιµοποιούνται για τον διαχωρισµό του πολυεπιπέδου απο τις δοκούς ανάρτησης. Για το λόγο αυτό συγκολλούνται ανάµεσα στο 3 ο επίπεδο των σωλήνων και στις δοκούς ανάρτησης, µε ένα µικρό διάκενο 0,2 mm να δηµιουργείται στα σηµεία επαφής τους και από τις δύο πλευρές για την τοποθέτηση του λεπτού στρώµατος της κόλλας. Τα κατασκευαστικά σχέδια βρίσκονται στο ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ. 35

44 4. ΤΑ ΣΥΝΘΕΤΙΚΑ ΣΥΣΤΑΤΙΚΑ ΤΟΥ ΘΑΛΑΜΟΥ BIS Με τη χρήση των τεµαχίων αυτών, εκτός των παραπάνω, επιτυγχάνεται καλύτερη σύνδεση των πολυεπιπέδων, αλλά και καλύτερη συµπεριφορά του θαλάµου στη συνολική παραµόρφωση. Οι διαστάσεις τους είναι 6 mm πάχος, 100mm πλάτος και 480 mm µήκος. 4.8 Κλωβός Faraday (Faraday Cage) Στις δυο άκρες του θαλάµου όπου καταλήγουν οι σωλήνες τοποθετούνται δυο µεταλλικοί κλωβοί Faraday (FC). Υπάρχουν δυο είδη κλωβών Faraday. Ο κλωβός Faraday υψηλής τάσης (Faraday Cage Height Volta s) και ο κλωβός Faraday ανίχνευσης σήµατος (Faraday Cage Readout).Με τη χρήση τους επιδιώκεται η ηλεκτροµαγνητική µόνωσή των άκρων των ηλεκτρονικών διατάξεων, αλλά και η µηχανική προστασία τόσο των διατάξεων αυτών όσο και των διατάξεων διανοµής του αερίου Κλωβός Faraday υψηλής τάσης (FCHV) Ο κλωβός Faraday υψηλής τάσης αποτελείται από µια πλάκα στήριξης (Ground Plate) (GP), και τέσσερις πλάκες προστασίας, µια στο επάνω, µία στο κάτω µέρος του και δυο πλευρικές πλάκες χυτές, δυο πλευρικά λαµάκια και ένα καπάκι κάλυµµα (πόρτα). Το GP εκτείνεται σε όλο το µήκος και πλάτος του πολυεπιπέδου. Συγκολλείται και βιδώνεται στις άκρες των σωλήνων (endplugs) για να επιτευχθεί ηλεκτρική επαφή, όταν και το τελευταίο επίπεδο των σωλήνων έχει κολληθεί και ο θάλαµος βρίσκεται ακόµη πάνω στα stiffback. Η κατασκευή αυτή, εκτός των άλλων, προσδίδει στο θάλαµο µια πολύ καλή αντίσταση σε παραµόρφωση στο z-y επίπεδο. Οι οπές που είναι κατεργασµένες στην πλάκα αυτή είναι τα σηµεία από όπου εξέρχονται οι ηλεκτρονικές διατάξεις από τους σωλήνες και εισέρχονται µέσα στο κλωβό. Εκεί γίνονται οι κατάλληλες συνδέσεις για να ληφθούν και να κατεργαστούν τα παραγόµενα ηλεκτρικά σήµατα, κατά τη διάρκεια της λειτουργίας της διάταξης. Τα υπόλοιπα µέρη του FC συναρµολογούνται πάνω στο GP, αφού ο θάλαµος αποµακρυνθεί από τη γρανιτένια τράπεζα. Η συναρµολόγησή τους γίνεται µε κοχλία και περικόχλιο. 36

45 4. ΤΑ ΣΥΝΘΕΤΙΚΑ ΣΥΣΤΑΤΙΚΑ ΤΟΥ ΘΑΛΑΜΟΥ BIS Το καπάκι - κάλυµµα αποτελείται από τέσσερα επιµέρους τεµάχια: FC-HV Cover A, FC-HV Cover B, FC-HV Cover C και HV Patch Pannel Box, τα οποία είναι συνδεδεµένα µεταξύ τους µέσω κοχλιών. Το καπάκι σχεδιάστηκε κατ αυτό τον τρόπο προκειµένου να είναι δυνατή η πρόσβαση στα ηλεκτρονικά που περιέχονται στο κλωβό Faraday (σε περίπτωση κάποιας βλάβης ή κάποιου ελέγχου γενικότερα) δίχως να είναι απαραίτητη η αποσύνδεση των αγωγών υψηλής τάσης από τις ηλεκτρονικές πλάκες. Συµπερασµατικά ο κλωβός FCHV είναι επισκέψιµος απλά και µόνο µετά την αποσυναρµολόγηση του FC-HV Cover A. Τα πλευρικά λαµάκια σχεδιάστηκαν έτσι ώστε να είναι εφικτή η σύνδεση των πλευρικών πλακών µε την πόρτα. Τα κατασκευαστικά σχέδια βρίσκονται στο ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Κλωβός Faraday ανίχνευσης σήµατος (FCRO) Ο κλωβός Faraday ανίχνευσης σήµατος FCRO αποτελείται από µια πλάκα στήριξης (Ground Plate) (GP) και από δυο λαµάκια που είναι πανοµοιότυπα µε τα αντίστοιχα του FCHV, καθώς επίσης και από τέσσερις πλάκες προστασίας, µια στο πάνω, µια στο κάτω µέρος του και δυο πλευρικές που είναι παρόµοιες µε τις αντίστοιχες του FCHV. Εσωτερικά του κλωβού FCRO υπάρχει ένα επιπλέον τεµάχιο το FC-RO Mezz Shield. Πρόκειται για µια διαχωριστική πλάκα που χωρίζει των κλωβό Faraday σε δυο επιµέρους κλωβούς. Έτσι µπορεί το καθένα απ τα δυο επίπεδα ηλεκτρονικών πλακών να τοποθετηθεί σε ξεχωριστό κλωβό και να µονωθεί ηλεκτροµαγνητικά. Εκτός αυτού το δεύτερο επίπεδο ηλεκτρονικών πλακών στηρίζεται πάνω στο FC-RO Mezz Shield. Το καπάκι κάλυµµα του FCRO αποτελείται µόνο από ένα τεµάχιο και όχι από τέσσερα όπως στο FCHV. Όπως και στον FCHV έτσι και εδώ το GP συγκολλάτε και βιδώνεται στις άκρες των σωλήνων. Πάνω στο GP βιδώνονται µε την σειρά οι δυο πλευρικές, η πάνω και η κάτω προστατευτική πλάκα και συνδέεται το πρώτο επίπεδο ηλεκτρονικών πλακών. Στην συνέχεια βιδώνεται η διαχωριστική πλάκα FC-RO Mezz, Shield και πάνω σ αυτή συνδέεται το δεύτερο επίπεδο ηλεκτρονικών πλακών. Τέλος βιδώνονται τα λαµάκια στις πλευρικές πλάκες και πάνω σ αυτά το καπάκι κάλυµµα. 37

46 4. ΤΑ ΣΥΝΘΕΤΙΚΑ ΣΥΣΤΑΤΙΚΑ ΤΟΥ ΘΑΛΑΜΟΥ BIS 4.9 Ηλεκτρονικά του θαλάµου BIS Το σύστηµα συλλογής ηλεκτρονικών σηµάτων από τους σωλήνες (readout electronics), όπως φαίνεται στο ΣΧΗΜΑ 4-9, αποτελείται από: 1. Στο ένα άκρο του θαλάµου υπάρχουν διατάξεις, οι οποίες λαµβάνουν τα ηλεκτρονικά σήµατα από τους σωλήνες. Οι διατάξεις αυτές αποτελούνται από κυκλώµατα προενίσχυσης των σηµάτων του θαλάµου (Amplifier, Shaper, Discriminator-ASD), κυκλώµατα µετατροπής αναλογικών σηµάτων και χρονικών παλµών σε ψηφιακά σήµατα (Analog to Digital Converters-ADC, Time to Digital Converters-TDC) 8 και 16 καναλιών. Οι ηλεκτρονικές αυτές διατάξεις θα υλοποιηθούν σε δύο πλακέτες τυπωµένων κυκλωµάτων. Αυτές είναι: η βασική πλακέτα (mezzanine board), η οποία θα φέρει τα ολοκληρωµένα κυκλώµατα ASD, ADC και TDC και η δευτερεύουσα πλακέτα διασύνδεσης (hedgehog board), η οποία συνδέεται απευθείας στους θαλάµους και στην οποία θα τοποθετηθεί η κύρια πλακέτα, 38

47 4. ΤΑ ΣΥΝΘΕΤΙΚΑ ΣΥΣΤΑΤΙΚΑ ΤΟΥ ΘΑΛΑΜΟΥ BIS ΣΧΗΜΑ 4-9: Σύστηµα ηλεκτρονικών ενός θαλάµου BIS 2. Τη µονάδα διασύνδεσης και στήριξης ηλεκτρονικών κυκλωµάτων (crate). Στη διάταξη αυτή βρίσκονται τα κυκλώµατα για την αποθήκευση των ψηφιακών πληροφοριών από τα ADC και TDC, η µονάδα για την επικοινωνία µε το υπολογιστή καθώς και µονάδες για τον έλεγχο του συστήµατος ταυτοποίησης της κοσµικής ακτινοβολίας (triggering), 3. Το υπολογιστικό σύστηµα, το οποίο θα συλλέγει τα δεδοµένα µετά την τελική τους επεξεργασία. Η διασύνδεσή του µε τη µονάδα σύνδεσης - στήριξης (crate) γίνεται µέσω ειδικής αρτηρίας γρήγορης µετάδοσης δεδοµένων. Για το λόγο αυτό τόσο στο υπολογιστικό σύστηµα, όσο και στη µονάδα σύνδεσης - στήριξης (crate) υπάρχουν ηλεκτρονικές διατάξεις µε µικροελεγκτές, για το έλεγχο της µετάδοσης και λήψης δεδοµένων, 4. Το σύστηµα τροφοδοσίας, το οποίο αποτελείται από: 39

48 4. ΤΑ ΣΥΝΘΕΤΙΚΑ ΣΥΣΤΑΤΙΚΑ ΤΟΥ ΘΑΛΑΜΟΥ BIS i. Τις µονάδες χαµηλής τάσης, για την τροφοδότηση των ASD ενισχυτών και της µονάδας ελέγχου τους, που βρίσκεται επίσης στη µονάδα σύνδεσης - στήριξης (crate). ii. Τις µονάδες υψηλής τάσης ( V), που παρέχουν την διαφορά δυναµικού µεταξύ σωλήνων και σύρµατος, και τη µονάδα ελέγχου τους, που βρίσκεται επίσης στη µονάδα σύνδεσης - στήριξης (crate). iii Προστασία και θερµική κάλυψη Ο θάλαµος προστατεύεται και από τις δύο του πλευρές µε ένα κάλυµµα αλουµινίου, σκεπασµένο από αφρώδες υλικό και συνολικού πάχους 30 mm. Το αφρώδες υλικό κόβεται στο απαιτούµενο µέγεθος πριν από τη συναρµολόγηση. Το υλικό αυτό της προστασίας του θαλάµου συγκολλάται απευθείας πάνω στους σωλήνες. Τα κοµµάτια που κόβονται, από το προστατευτικό υλικό, προβλέπονται για να δηµιουργήσουν το απαραίτητο κενό, που είναι απαραίτητο, για τη λειτουργία του RASNIK, για να περάσουν οι σωλήνες που µεταφέρουν το αέριο από και προς τα Gas Manifolds, τον απαραίτητο χώρο για τους αισθητήρες θερµοκρασίας Τ- (Temperature) και µαγνητικού πεδίου Β- (Magnetic) κτλ. αλλά και για να είναι δυνατή η πρόσβαση στα στοιχεία αυτά κατά τη λειτουργία του θαλάµου Βοηθητικός εξοπλισµός Παρακολούθηση επιπεδότητας - Σύστηµα ευθυγράµµισης (In-Plane Monito-ring) Ένα σύστηµα RASNIK χρησιµοποιείται για τον έλεγχο της επιπεδότητας. Αποτελείται από τα εξής εξαρτήµατα: 1. Μια πηγή ελαφρού φωτός (LED + διαχυτής) και ένα κωδικοποιηµένο χάρτη, 2. Ένας φακός µε εστιακό µήκος: f = 230 mm, 3. Μια κάµερα CCD. 40

49 4. ΤΑ ΣΥΝΘΕΤΙΚΑ ΣΥΣΤΑΤΙΚΑ ΤΟΥ ΘΑΛΑΜΟΥ BIS Τα τρία αυτά στοιχεία του RASNIK τοποθετούνται στο ανώτερο εξωτερικό µέρος του πρώτου επιπέδου των σωλήνων, ανάµεσα στους δοκούς ανάρτησης. Τα υπόλοιπα ξεχωριστά στοιχεία του συστήµατος αυτού βιδώνονται σε τυποποιηµένες βάσεις στήριξης, οι οποίες είναι κολληµένες πάνω στους σωλήνες, µε κόλλα ταχείας πήξεως. Το όλο σύστηµα ελέγχου RASNIK τοποθετείται αµέσως µετά τη συγκόλληση του πρώτου επιπέδου σωλήνων και χρησιµοποιείται για την παρακολούθηση της παραµόρφωσης του θαλάµου κατά τη διάρκεια της πλήρης συναρµολόγησής του Αισθητήρες θερµοκρασίας T- (Temperature Sensors) Σε κάθε θάλαµο τοποθετείται ένας αριθµός αισθητηρίων θερµοκρασίας (Ταισθητήρες) για τη µέτρηση του θερµοκρασιακού πεδίου γύρω από τους θαλάµους. Αυτός ο εξοπλισµός είναι πολύ σηµαντικός, γιατί παρέχει αποτελέσµατα που είναι πολύ σηµαντικά για τον υπολογισµό των διαστολών της κατασκευής, ιδιαίτερα όταν οι θάλαµοι βρίσκονται σε δυσµενές θερµοκρασιακό περιβάλλον. Επίσης, τα αποτελέσµατα που παρέχει είναι πολύ σηµαντικά και κατά τη διάρκεια των πειραµάτων, γιατί, έχει διαπιστωθεί, ότι η θερµοκρασία του θαλάµου, κατά τη λήψη των δεδοµένων, επηρεάζει την απόκριση των απαριθµητών και εποµένως το προσδιορισµό της θέσης των µυονίων Αισθητήρες µαγνητικού πεδίου B- (Magnetic Field Sensors) Κατά την τοποθέτηση των θαλάµων BIS επάνω στην ανιχνευτική διάταξη ATLAS και τη λειτουργία αυτής, είναι πολύ σηµαντική και η µέτρηση του µαγνητικού πεδίου γύρω από αυτούς. Για το λόγο αυτό, θεωρείται απαραίτητη η εγκατάσταση ειδικών αισθητηρίων µέτρησης του µαγνητικού πεδίου (Βαισθητήρες) ΣΧΗΜΑ 4-10 επάνω στους θαλάµους. Η µετρητική αυτή µονάδα, για την καταγραφή των τιµών του µαγνητικού πεδίου, αποτελείται από ένα αλουµινένιο κύβο µε διαστάσεις 1x1x1 cm 3, ο οποίος περιέχει έναν αισθητήρα Hall. Η ακριβής θέση των αισθητηρίων δεν έχει ακόµη καθορισθεί. Αυτό θα γίνει ανάλογα µε τις ανοµοιοµορφίες του µαγνητικού πεδίου που θα εµφανιστούν. 41

50 4. ΤΑ ΣΥΝΘΕΤΙΚΑ ΣΥΣΤΑΤΙΚΑ ΤΟΥ ΘΑΛΑΜΟΥ BIS ΣΧΗΜΑ 4-10: Σχηµατική παράσταση Β-αισθητήρα 42

51 ΔΙΑΦΟΡΟΠΟΙΗΣΕΙΣ ΑΡΧΙΚΟΥ-ΤΕΛΙΚΟΥ ΘΑΛΑΜΟΥ BIS Ο αρχικός σχεδιασµός του θαλάµου BIS TYPE-2 (30 σωλήνες) χρειάστηκε να τροποποιηθεί εξαιτίας τόσο προβληµάτων που προκύψαν κατά την συναρµολόγηση του όσο και νέων απαιτήσεων που προέκυψαν σταδιακά κατά την πορεία ολοκλήρωσης της κατασκευής του. Επίσης σχεδιάστηκαν κάποια καινούργια τεµάχια και καταργήθηκαν κάποια άλλα τα οποία διαπιστώθηκε ότι τελικά ήταν περιττά καθώς χρησίµευαν µόνο κατά την συναρµολόγηση και όχι κατά την λειτουργία του θαλάµου. Σε κάποιες περιπτώσεις έγιναν µικροαλλαγές σε κάποια τεµάχια ενώ σε άλλες κάποια τεµάχια κρίθηκε αναγκαίο να σχεδιαστούν εκ νέου µε τελείως διαφορετική λογική. Το συνοπτικό σχέδιο του προηγούµενου BIS TYPE-2 φαίνεται στο Σχήµα 1. Σχήµα 1 42

52 ΔΙΑΦΟΡΟΠΟΙΗΣΕΙΣ ΑΡΧΙΚΟΥ-ΤΕΛΙΚΟΥ ΘΑΛΑΜΟΥ BIS Το συνοπτικό σχέδιο του νέου BIS TYPE-2 φαίνεται στο Σχήµα 2. Σχήµα 2 Από τα παραπάνω συνοπτικά σχέδια φαίνεται ότι τα κοµµάτια που υπέστησαν αλλαγές είναι τα εξής:: Ο κλωβός Faraday (Faraday Cage). Εδώ θα διαπιστώσουµε ότι έγιναν οι περισσότερες αλλαγές. Ενώ ο αρχικός κλωβός αποτελούνταν από µια πλάκα στήριξης Ground Plate, µια πλάκα προστασίας στο επάνω και µια στο κάτω µέρος του, δυο πλευρικές πλάκες προστασίας και ένα καπάκι κάλυµµα και ήταν ίδιος και για τις δυο πλευρές του θαλάµου, στο καινούργιο θάλαµο αποτελείται από περισσότερα τεµάχια και είναι διαφορετικός για κάθε πλευρά. Οι αλλαγές που έγιναν οφείλονται κυρίως σε δυο λόγους. Σε πρώτη φάση τα ηλεκτρονικά κάθε πλευράς του θαλάµου είναι διαφορετικά. Η µια πλευρά είναι για τα ηλεκτρονικά υψηλής τάσης και η άλλη για την ανίχνευση σήµατος ύπαρξης µυονίων εποµένως χρειάστηκε να διαφοροποιηθεί η δοµή των δυο κλωβών Faraday του θαλάµου. Σε δεύτερη φάση 43

53 ΔΙΑΦΟΡΟΠΟΙΗΣΕΙΣ ΑΡΧΙΚΟΥ-ΤΕΛΙΚΟΥ ΘΑΛΑΜΟΥ BIS κρίθηκε σκόπιµοι οι ηλεκτρική αγωγοί υψηλής τάσης να εξέρχονται από το µέσον της εµπρόσθιας πλευράς του κλωβού και όχι από το πάνω µέρος του όπως σχεδιάστηκε στον αρχικό θάλαµο. Από την πλευρά του κλωβού Faraday υψηλής τάσης έγινε αλλαγή της πάνω πλάκας προστασίας που είχε µια ορθογωνική οπή απ την οποία εξέρχονταν οι αγωγοί, µε µια πλάκα χωρίς οπές αφού στο καινούργιο θάλαµο οι αγωγοί εξέρχονται από το µπροστινό µέρος του καπακιούκαλύµµατος. Αλλαγές έγιναν και στις πλευρικές πλάκες και συγκεκριµένα στις διαστάσεις ώστε να καλύπτουν τους σωλήνες και των κύριο αγωγό διανοµής αερίου (Gas Manifold). Επίσης καταργήθηκαν τα ελάσµατα (κοινώς αυτάκια) που υπήρχαν στις πλευρικές πλάκες οι οποίες ήτανε στραντζαριστές και στα οποία βιδώνονται το καπάκι-κάλυµµα. Στη δική µας περίπτωση οι πλευρικές πλάκες είναι χυτές και αποτελούνται απο δύο κοµµάτια. Σχηµα 5.1 : Σχηµατική απεικόνιση του τρόπου συναρµολόγησης των πλευρικών πλακών µε το cover της µπροστινής πλευράς Η αλλαγή αυτή έγινε για την ευκολότερη συναρµολόγηση των εσωτερικών εξαρτηµάτων του κλωβού, καθώς υπήρχε δυσκολία στο να περάσουν η διάφορες πλάκες από την πόρτα που σχηµατίζεται από την πάνω την κάτω και τις δυο πλευρικές πλάκες, αφού εξείχαν στην άκρη οι βάσεις συγκράτησης (αυτάκια) και επειδή η κατασκευή χυτών τεµαχίων εξασφαλίζει µεγαλύτερη ακρίβεια στην τοποθέτηση. Τα πλευρικά λαµάκια βιδώνονται πάνω στις πλευρικές πλάκες, µε τον τρόπο που φαίνεται στο σχήµα 5.1,και στην συνέχεια πάνω σ αυτά το καινούργιο καπάκι κάλυµµα που τώρα αποτελείται από τέσσερα τεµάχια σε σχέση µε το αρχικό που αποτελούνταν από ένα. Η αλλαγή αυτή έγινε γιατί οι αγωγοί εξέρχονται στο καινούργιο θάλαµο από το καπάκι-κάλυµµα και για να µην χρειαστεί να αποσυνδέσουµε τους αγωγούς προκειµένου να ανοίξουµε το καπάκι 44