Test di sensori in fibra ottica in ambiente di irraggiamento

Titolo ed abstract (come presentato al MIUR) del progetto PRIN nell’ambito del quale si è svolto il periodo di permanenza presso il CERN in collaborazione con l’unità INFN-LNF di Frascati. Titolo: Sensori in fibra ottica per il controllo e la caratterizzazione del sistema di filtri zeolitici e metallici su miscele di gas utilizzate anche nella fisica delle alte energie. Abstract Questo lavoro si inserisce in un più ampio contesto di ricerca. Verrà affrontato, infatti, il problema della circolazione chiusa di miscele di gas sviluppata al CERN di Ginevra per alimentare le camere RPC (Resistive Plate Chambers) usate come rivelatori di particelle di alta energia nell’esperimento CMS (Compact Muon Solenoid) all’LHC (Large Hadron Collider). Una prima caratterizzazione del sistema di filtraggio ha rilevato la presenza di elementi inquinanti che si generano nel sistema, La miscela di gas utilizzata nelle camere è costituita da 96% di C2H2F4, 3.5% di C4H10 e 0.5% di SF6 ed è umidificata al 45% di umidità relativa. A causa del suo alto costo e dei grandi volumi di gas utilizzati nell’intero esperimento, il sistema di circolazione del gas all’interno delle camere è stato progettato con un ciclo chiuso (Closed Loop). L’assenza di contaminanti nei gas è di fondamentale importanza in tutti i detector di particelle, e in particolare nelle RPC a causa dell’alta reattività della miscela di gas utilizzata a base di F. Sono stati esaminati, in una prima fase di studio: la bachelite con cui sono realizzate le camere, i vari componenti la miscela gassosa ed i filtri sia zeolitico che di metalli ossidati. A tale scopo è stato fatto un campionamento dei vari componenti sia prima del flussaggio con i gas che dopo la circolazione ed infine dopo il processo di rigenerazione. Analisi chimiche hanno permesso di rilevare la presenza, oltre ai contaminanti attesi in fase di progettazione del sistema, di contaminanti che si formano nel circolo del gas: HF, Na, Ca ed altri elementi metallici (Ni Cu, Cr) ed hanno anche permesso di evidenziare come alcuni di essi derivino dai filtri stessi e come le bacheliti siano soggette a fenomeni di deterioramento, rilasciando ulteriori elementi estranei (Ni Cr, Cu, Co) Verranno approfondite le conoscenze del sistema di filtraggio e seguirà la piena caratterizzazione dei filtri e dell’efficienza nel filtraggio e del sistema di rigenerazione mediante analisi SEM-EDS, XRD, ICP-MS, INAA. Si intende poi sviluppare lo studio per progettare sensori in fibra ottica da utilizzare come sensori integrati per il monitoraggio sia dei filtri che del gas. Sono stati individuati, tra i candidati più promettenti a tali scopi, i sensori ottici di strain chiamati reticoli di Bragg (FBGs) oppure sensori che lavorano con il campo evanescente che richiedono misure spettroscopiche. I primi, infatti, garantiscono la possibilità di poter sia effettuare il monitoraggio strutturale che rilevare il cambiamento di parametri fisici e chimici che inducono strain sul sensore. Per queste caratterizzazioni vengono progettati individuando i coating più adatti, rivestimenti che reagendo inducono nella fibra la deformazione e questa può essere dunque correlabile al fenomeno chimico-fisico che l’ha generata.Una prima fase di copertura della fibra serve a renderla più conduttiva ad essa seguira la elettrodeposizione di metalli e leghe metalliche operando con due diverse metodologie; la prima dopo aver depositato un primo strato compatto sul prerivestimento di Al sulla fibra, in grado di trasferire la deformazione al sensore, la seconda variando i parametri elettrometallurgici, rispetto a quelli che comunemente si adoperano nell’industria in modo da ottenere un secondo strato caratterizzato da una elevata porosità indispensabile al filtro per poter lavorare bene, oppure codepositando, con il metallo o la lega di interesse, metalli o microparticelle organiche che possano poi essere eliminate in una fase successiva del processo lasciando un rivestimento ad elevatissima superficie specifica. Le prove di laboratorio sui sensori hanno preceduto la collocazione presso CMS per la verifica dell'applicabilità e dell'efficienza degli stessi al sistema di filtraggio del gas nei rivelatori. La permanenza al CERN ha permesso l’approntamento del set-up per test dei sensori presso il sistema prototipale di Closed Loop nell'area ISR del CERN, di Ginevra dove è predisposto un sistema di gas gain monitoring (unità INFN-Frascati) CMS. In collaborazione con l’ unità INFN di Frascati. In questa fase sono stati preparati i test dei sensori in laboratorio simulando le condizioni di lavoro, utilizzando sia le fibre sensorizzate che i campioni da analizzare con metodi anche distruttivi