SVILUPPO DI SISTEMI DI MOVIMENTAZIONE E RIMOZIONE DEL BERSAGLIO DI PRODUZIONE DELL'ACCELERATORE SPES

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1 UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PADOVA FACOLTÀ DI INGEGNERIA CORSO DI LAUREA MAGISTRALE IN INGEGNERIA MECCATRONICA TESI SVILUPPO DI SISTEMI DI MOVIMENTAZIONE E RIMOZIONE DEL BERSAGLIO DI PRODUZIONE DELL'ACCELERATORE SPES Svolta presso l Istituto Nazionale di Fisica Nucleare Laboratori Nazionali di Legnaro Relatore: Ch.Mo Prof. Roberto Oboe Correlatore: Dott. Alberto Andrighetto Correlatore: Ing. Michele Calderolla Laureando: Aldo Mozzi IMC ANNO ACCADEMICO

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3 Introduzione Presso i Laboratori Nazionali di Legnaro dell Istituto Nazionale di Fisica Nucleare è in fase di realizzazione il progetto SPES che è dedicato alla ricerca di base in fisica nucleare e astrofisica, attraverso l uso di fasci radioattivi prodotti con la tecnica ISOL. Consentirà inoltre di essere utilizzato per applicazioni interdisciplinari, che vanno dalla produzione di radionuclidi di interesse medico alla generazione di neutroni per gli studi di materiali, per le tecnologie nucleari e per la medicina. L infrastruttura prevede l impiego di un acceleratore primario di particelle (ciclotrone) che consente di generare un fascio di protoni utilizzato per bombardare un bersaglio (target) composto da dischi di carburo di uranio, in modo da generare i fasci radioattivi che saranno usati per i vari scopi sperimentali. Il bersaglio è contenuto in un dispositivo (camera target) che viene inserito a bordo dell apparecchiatura adibita alla produzione dei fasci radioattivi (front end). Attualmente è in pieno sviluppo tutta la parte che riguarda le operazioni automatiche che dovranno essere svolte per gestire uno degli aspetti più critici del progetto: la movimentazione della camera target. Sarà fondamentale implementare un insieme di interfacce operative e di sistemi di controllo tra loro comunicanti che permetteranno di amministrare tutto da remoto, ottenendo un processo completamente autonomo in grado di gestire la camera durante tutta la sua vita operativa. Questa esigenza è dovuta alla presenza delle forti emissioni radioattive che caratterizzano alcune aree in cui sarà necessario operare senza poter contare sulla presenza di esseri umani, al fine di garantirne l incolumità. La camera deve essere sostituita ogni 28 giorni, stoccando quella appena utilizzata in un deposito temporaneo. Oltre alla camera target si dovrà sostituire periodicamente anche l elettrodo estrattore (puller), che è un componente presente all interno del front end soggetto ad accumulare una dose non trascurabile di radiazioni. In particolare, in questa tesi, sono trattate le applicazioni necessarie a movimentare in modo del tutto automatizzato la camera target quando si trova sulla tavola di ammaraggio, che rappresenta la parte del front end dedicata alla gestione della camera. Si utilizzano dei sistemi di attuazione penumatici che permettono di svolgere le movimentazioni di accoppiamento o disaccoppiamento della camera controllati da un PLC. Verrà descritta la progettazione completa del software di azionamento e controllo sviluppato per il nuovo sistema di movimentazione, realizzato per migliorare quello attualmente impiegato. Per il collaudo è stato costruito un banco di prova (muletto) completo di tutte le parti meccaniche aggiornate all ultima versione progettata, così da poterne valutare il corretto funzionamento (sia meccanico che controllistico) prima di poterlo applicare al front end offline. Al muletto sarà quindi dedicato il nuovo software di gestione che, oltre al PLC, prevede l utilizzo di una piattaforma HMI e di un sistema SCADA, anch essi realizzati e descritti in questa tesi. Nello specifico saranno esposte le soluzioni applicate per la realizzazione dei software di controllo degli apparati utilizzati: un PLC Schneider che si basa sull interfaccia di sviluppo Unity Pro, una piattaforma HMI Schneider con l interfaccia di sviluppo Vijeo Designer e una piattaforma SCADA Schneider che impiega l interfaccia di sviluppo Vijeo Citect, utilizzata per la prima volta all interno del progetto SPES. Si concluderà questo elaborato descrivendo la progettazione preliminare di un sistema meccatronico da utilizzare per rimuovere automaticamente l elettrodo estrattore dal front end. Il progetto è stato realizzato con un software di progettazione CAD 3D (PTC Creo) e servirà come base concettuale da utilizzare come punto di partenza per una progettazione di dettaglio utile alla realizzazione finale del dispositivo. Il primo capitolo descriverà la struttura del progetto, il suo funzionamento generale e le applicazioni possibili, con una parte specifica sui sistemi di movimentazione. Il secondo capitolo permetterà di introdurre il sistema sperimentale descrivendo come dovrà operare e che strumenti si utilizzano per realizzare le movimentazioni. Nel terzo e nel quarto capitolo saranno descritte in dettaglio le strutture e le strategie applicate nella realizzazione del software per il PLC e per le piattaforme HMI e SCADA. Il quinto capitolo riassumerà i risultati che è stato possibile ottenere grazie al banco di prova, sia dal punto di vista meccanico che da quello controllistico. Infine, l ultimo capitolo, descriverà il sistema progettato per rimuovere l elettrodo estrattore dal front end. III

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5 Indice Capitolo 1 Il progetto SPES ai laboratori INFN di Legnaro Introduzione Il progetto SPES L acceleratore primario Il target di produzione e il sistema di estrazione e ionizzazione I separatori elettromagnetici e di post accelerazione Le applicazioni dei fasci esotici L infrastruttura del progetto SPES La zona di produzione degli ioni esotici Il front end La camera target Il sarcofago I sistemi di movimentazione Il sistema di movimentazione della tavola di ammaraggio Il sistema di movimentazione verticale Il sistema di movimentazione orizzontale Il deposito temporaneo La comunicazione tra i sistemi di movimentazione Conclusioni Capitolo 2 Il banco di prova della tavola di ammaraggio Introduzione La struttura meccanica del banco di prova Il nuovo sistema di azionamento pneumatico Condizioni di lavoro I motori rotativi pneumatici Elettrovalvole e sensoristica Il quadro elettrico Conclusioni Capitolo 3 Il sistema di controllo del banco di prova della tavola di ammaraggio Introduzione Il Controllore a Logica Programmabile (PLC) Generalità L hardware utilizzato Il sistema di comunicazione Modbus La logica di funzionamento applicata al banco di prova della tavola di ammaraggio Il controllo delle elettrovalvole Il controllo indipendente delle movimentazioni Il controllo della posizione con il potenziometro La struttura delle sequenze automatiche Il ciclo di test Conclusioni V

6 Capitolo 4 Le interfacce di gestione del banco di prova della tavola di ammaraggio Introduzione L interfaccia uomo-macchina (HMI) La comunicazione con il PLC La struttura della piattaforma HMI L interfaccia SCADA La comunicazione con il PLC La struttura di controllo SCADA Conclusioni Capitolo 5 Risultati sperimentali Capitolo 6 Il sistema per la rimozione automatica del puller Conclusioni Bibliografia Elenco figure Elenco tabelle Appendice A Documentazione tecnica PLC VI

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9 Capitolo 1 Il progetto SPES ai laboratori INFN di Legnaro 1.1 Introduzione Gli oggetti che ogni giorno si possono osservare e toccare con mano, risultano a livello macroscopico elementi composti da materia densa e omogenea. Ipotizzando di ingrandire miliardi di volte la materia che ci circonda, si giunge ad un analisi più approfondita che permette di considerarla come risultato di una struttura ordinata di piccole particelle, chiamate atomi. L atomo (Fig. 1.1) è la struttura che determina le caratteristiche degli elementi presenti in natura, è costituito da un nucleo, in cui è concentrato il 99 % della massa, composto a sua volta da protoni (con carica positiva) e neutroni (di carica nulla); attorno al nucleo vorticano entro una certa distanza gli elettroni. In realtà tale concetto è frutto di un approssimazione: la posizione e la quantità di moto degli elettroni non è definibile con precisione, quindi si considerano orbitanti in un area identificata come nube elettronica. Di conseguenza gli atomi non sono fisicamente strutturati a forma di sfera. Elettrone Nucleo Protone Neutrone Fig. 1.1 Struttura dell atomo Le proprietà chimiche della materia sono determinate sia dal numero di protoni all interno del nucleo, che ne determinano il tipo di elemento, sia dagli elettroni esterni. Le proprietà fisiche sono dovute alla combinazione di più atomi disposti ed organizzati in reticoli cristallini. Gli elementi che compongono il nucleo (protoni e neutroni) sono detti nucleoni. Le interazioni tra i protoni generano una forza coulombiana, comportando un azione repulsiva tra i protoni stessi, che tende ad allontanarli l uno dall altro. La stabilità del nucleo è garantita dall interazione forte: è una reazione molto intensa, utile a bilanciare la forza coulombiana. Si sviluppa nel nucleo, aumentando al diminuire della dimensione del nucleo stesso, e agisce solamente tra nucleoni molto vicini. Quando il nucleo ha numero di 1

10 massa 1 molto grande, l interazione di tipo coulombiano diventa preponderante. L interazione forte vincola il moto dei nucleoni attorno alla massa nucleare centrale e, a causa della sua considerevole intensità, la rottura del nucleo richiede molta energia. Tra la branche della fisica, quella dedicata allo studio del comportamento e della stabilità del nucleo atomico è la fisica nucleare. I nuclei definiti stabili, hanno approssimativamente un numero di protoni e neutroni coincidente, infatti l interazione neutrone-protone è leggermente più intensa rispetto alle interazioni protone-protone e neutroneneutrone; costituiscono la valle di stabilità della carta dei nuclidi (Fig. 1.2). Essa individua e classifica i nuclei in base al numero di protoni (indicati come Z) e al numero di neutroni (N). I nuclei stabili (identificati dai quadratini neri in figura) sono quelli non radioattivi, oppure aventi tempo di decadimento comparabile all età della terra o addirittura superiore. La regione colorata è quella dei nuclei artificiali, che possono avere vita più o meno breve a seconda dei casi. Fig. 1.2 Carta dei nuclidi Per i nuclei con numero di massa maggiore di 40, la forza coulombiana allontana la linea di stabilità dalla retta in cui giacciono i nuclei stabili, spostandola verso nuclei ricchi di neutroni (essendo privi di carica, non alimentano la forza repulsiva elettrostatica). Questa forza, in aggiunta, limita l esistenza di elementi super pesanti perché l interazione forte ha un corto raggio di azione, che non le permette di contrastare in modo efficace la forza elettromagnetica, che agisce a lungo raggio. I nuclei radioattivi decadono con emissione di particelle (alfa, beta, neutrini e raggi gamma) e sono lontani dalla valle di stabilità in quanto presentano un eccesso o un difetto di neutroni. Questi nuclei vengono chiamati comunemente esotici. Al momento, presso i vari laboratori di ricerca nel mondo, ne sono stati prodotti e caratterizzati circa 2000; si stima l esistenza di un numero molto maggiore (più di 6000). È quindi possibile che gran parte di essi si stabilisca nella cosiddetta terra incognita, che comprende sia la zona ricca di neutroni (Neutron-Rich) sia quella dei nuclei super pesanti (SHE, Super Heavy Elements); queste zone sono ancora inesplorate e sono caratterizzate dalla presenza di nuclei radioattivi con rapporti N/Z molto piccoli o molto grandi. Mentre l area proton-rich (ricca di protoni) è ben definita teoricamente, quella neutron-rich è molto più vasta e indefinita. Aggiungendo neutroni o protoni ad un nucleo stabile, si verifica un allontanamento dalla valle di stabilità, fino a raggiungere dei limiti (drip lines) caratterizzati da una diminuzione della forza di attrazione tra i nucleoni, causando la perdita di stabilità. È stato dimostrato che, al di fuori delle drip lines, i nuclei emettono nucleoni molto rapidamente, al fine di ottenere combinazioni di protoni e neutroni tali da poter rientrare nell area di potenziale stabilità. Ciò consente all interazione forte di vincere la forza coulombiana garantendo il corretto grado di coesione. Lo studio dei nuclei instabili, ed in particolare dei nuclei esotici, ha aperto nuovi campi di ricerca in fisica nucleare, ciò ha permesso di confermare precedenti ipotesi di fondamentale importanza ed ha suggerito promettenti applicazioni in fisica dello stato solido e in medicina. 1 Il numero di massa è pari al numero di nuclidi presenti: numero di neutroni + numero di protoni 2

11 1.2 Il progetto SPES Per l utilizzo pratico e la produzione di ioni radioattivi, è necessaria la costruzione di acceleratori ed attrezzature capaci di garantire fasci ionici di elevata purezza, intensità ed energia (RIB: Radioactive Ion Beams). Sia in Europa che nel resto del mondo sono presenti molti impianti di questo tipo (Fig. 1.3) e la maggior parte di essi è basata sul metodo ISOL. Fig. 1.3 Collocazione impianti di tipo ISOL La tecnica di tipo ISOL (Isotope Separation On-Line) utilizza la separazione degli isotopi in linea. I principali elementi che permettono di realizzare questa tipologia di impianto sono (Fig. 1.4): - l acceleratore primario; - il complesso target e sistema di estrazione e ionizzazione; - i separatori di massa e isobari; - il post acceleratore. Fig Impianto di tipo ISOL Il fascio di particelle generato dall acceleratore primario e realizzato con un determinato valore di energia, viene fatto collidere con un bersaglio (target) di materiale fissile. Questo impatto permette di produrre degli isotopi radioattivi tramite reazioni nucleari (fissione, spallazione, frammentazione). I radioisotopi che sono stati prodotti vengono estratti e ionizzati attraverso un opportuno sistema, così da poter essere accelerati per differenza di potenziale. Il primo stadio di accelerazione avviene nel front end (Fig. 1.5): gli ioni vengono attirati e successivamente spinti verso i separatori elettromagnetici, all interno dei quali il fascio viene opportunamente selezionato e purificato. I separatori sono necessari se si vuole ottenere un fascio chimicamente ed isobaricamente puro. Infine gli ioni vengono post accelerati al livello di energia richiesto dalle necessità sperimentali. 3

12 Fig Front end del progetto SPES L intensità del fascio radioattivo prodotto è usualmente descritta dall equazione: Dove: - σ è la sezione d urto per le reazioni nucleari; - Φ è l intensità del fascio primario; - N è lo spessore del target; - ε 1 è l efficienza di rilascio del target; - ε 2 è l efficienza di ionizzazione; - ε 3 è l efficienza del processo di estrazione. I = σ Φ N ε 1 ε 2 ε 3 La corretta configurazione dell insieme target, sistema di estrazione e sistema di ionizzazione è cruciale per un efficiente funzionamento di un impianto di tipo ISOL. Gli obiettivi che stanno alla base del dimensionamento sono la riduzione del tempo di ritardo e la massimizzazione della produzione senza deterioramento della purezza del fascio. La separazione dei prodotti radioattivi dal substrato del target e l estrazione dei nuclei esotici, sono processi fortemente dipendenti dalla temperatura. In particolare, al suo aumentare la diffusione risulta accelerata. Chiaramente più è breve la vita media degli atomi radioattivi, più rapido deve essere il tempo di rilascio e di conseguenza il sistema deve essere tenuto alla più alta temperatura possibile. In ambito europeo, le opportunità scientifiche offerte dai RIB ed i notevoli problemi tecnologici associati, hanno portato la comunità scientifica a proporre la costruzione di una rete di infrastrutture complementari, definite di intermedia generazione, fondamentali per arrivare alla costruzione di un unica grande struttura europea di tipo ISOL, chiamata EURISOL. Tale progetto rappresenta un iniziativa che vede coinvolti i principali laboratori nucleari europei, così da poter realizzare una struttura per la produzione di fasci radioattivi di qualità significativamente superiore a quelle attualmente disponibili. In tale direzione è orientato anche l Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) con i Laboratori Nazionali di Legnaro (LNL) (Fig. 1.6), nei quali è in fase di realizzazione un impianto di tipo ISOL per la produzione di fasci di ioni esotici. Il progetto è denominato SPES (Selective Production of Exotic Species), è coordinato a livello nazionale e prevede la collaborazione tra le sezioni INFN, ENEA, i Dipartimenti di Ingegneria Meccanica e di Scienze Chimiche dell Università degli Studi di Padova, l Università degli Studi di 4

13 Trento e, a livello internazionale, strette collaborazioni con il CERN (Svizzera) e i laboratori di Oak Ridge (USA). Fig Laboratori nazionali di Legnaro dell INFN L obiettivo principale del progetto SPES è di fornire fasci radioattivi ad alta intensità tramite un acceleratore, così da poter svolgere attività di ricerca all avanguardia nel campo della fisica nucleare, consentendo lo studio di nuclei lontani dalla valle di stabilità. Il progetto è basato sulla produzione di nuclei radioattivi neutron-rich attraverso la fissione nucleare. La resa massima è di fissioni al secondo, indotta bombardando un target, realizzato in carburo di uranio, con un fascio di protoni di 40 MeV a 200 µa per una potenza totale di 8 kw. Essendo il livello di radioattività stimato nel target di produzione molto elevato, è risultata necessaria la progettazione di speciali infrastrutture in modo da garantire la sicurezza in termini di radio protezione. Un obiettivo secondario del progetto SPES prevede la realizzazione di un acceleratore di neutroni (neutron facility) attraverso l impiego di un secondo fascio di protoni ad alta energia, al fine di ottenere importanti applicazioni mediche ed interdisciplinari. La disposizione degli apparati nel nuovo stabile (Fig. 1.7) 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 già esistenti nel complesso dei LNL. SPES facilty Fig. 1.7 Stabilimento del progetto SPES Di seguito viene fornita una descrizione dei componenti principali appartenenti all impianto attualmente in fase di costruzione. 5

14 1.2.1 L acceleratore primario L acceleratore ha la funzione di produrre un fascio primario di nuclei, il quale deve essere direzionato verso il target di produzione dove avviene la reazione nucleare. Per questo scopo SPES utilizzerà un fascio di protoni proveniente da un ciclotrone: è in grado di garantire le prestazioni richieste per la produzione di fasci di ioni esotici e offre la possibilità di utilizzare una seconda linea di fascio in modo completamente indipendente per alimentare l infrastruttura interdisciplinare. Il mercato offre oggi la possibilità di produrre, con la tecnologia del ciclotrone, fasci di intensità molto vicina alle richieste del progetto SPES. Il ciclotrone scelto è il modello Best 70p (Fig. 1.8), sviluppato dall azienda canadese Best Cyclotron System. È in grado di fornire due fasci di protoni indipendenti fino a 70 MeV di energia, con corrente massima di 750 µa. Esso è attualmente in fase realizzativa presso l azienda fornitrice, la consegna è prevista entro il prossimo anno. Fig Ciclotrone Best70p Il target di produzione e il sistema di estrazione e ionizzazione Sia il target di produzione (Fig. 1.9), sia il sistema di estrazione e ionizzazione, sono contenuti all interno di una camera di forma cilindrica in alluminio detta camera target (Fig. 1.10). Le potenze in gioco sono molto elevate ed è quindi necessario dissipare il calore generato utilizzando un opportuno circuito di raffreddamento a liquido. 6 Fig. 1.9 Target ad alta temperatura A causa delle alte temperature e per evitare l ossidazione dei componenti presenti, l interno della camera viene mantenuto in condizioni di alto vuoto (la pressione è di circa 10 6 mbar). La mancanza di atmosfera è inoltre necessaria per aumentare il cammino libero medio delle particelle radioattive prodotte. Il volume della camera è delimitato dallo spallamento di una flangia (plate) e da un coperchio a forma di pentola, entrambi realizzati in lega di alluminio, mentre la tenuta al vuoto è garantita da un O-ring.

15 Sistema di raffreddamento Estrazione e sistema di ionizzazione Target Plate Fig Sezione della camera target Il target (Fig. 1.11) è composto da 7 dischi coassiali in UC x (carburo di uranio), aventi 40 mm di diametro e circa 1 mm di spessore; sono opportunamente distanziati in direzione assiale, al fine di dissipare attraverso radiazione termica la potenza sviluppata dal fascio di protoni. La scatola che li contiene (box) è ricavata da un tubo cavo di grafite, avente un diametro esterno di 49 mm e una lunghezza di 200 mm. Il fascio di protoni, prima di impattare contro i dischi, attraversa due finestre in grafite (windows), che sono molto sottili per non attenuare l intensità del fascio stesso, ma di fondamentale importanza in quanto consentono di schermare la zona attiva, oltre ad 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 UC x, il fascio va ad impattare su tre dumper e sul fondo della scatola (box base). Questi elementi consentono sia l assorbimento definitivo del fascio, prevenendo l attivazione della camera esterna, sia la possibilità di fuoriuscita di particelle dal lato finale del target. Fig Sezione di un prototipo del bersaglio SPES La scatola deve mantenere la temperatura del target a 2000 C, in modo da migliorare l estrazione dei prodotti di fissione. Per portare il target alla temperatura richiesta è necessario introdurre un dispositivo indipendente avente la funzione di riscaldatore, dato che la potenza del fascio di protoni non consente di fornire sufficiente energia. Il riscaldatore consente inoltre di schermare il target e deve essere in grado di sostenerlo durante i transitori, evitando improvvisi sbalzi di temperatura molto pericolosi per l integrità strutturale dei dischi. 7

16 Il riscaldatore (heater) è composto da un tubo molto sottile (tube) saldato ai bordi a due ali (wings) direttamente collegate ai morsetti in rame (clamps). Attraverso i morsetti è possibile far dissipare per effetto Joule il quantitativo di potenza desiderato al riscaldatore. La dissipazione, in aggiunta al calore sviluppato dalla fissione nucleare, fa in modo che la temperatura del sistema scatola-dischi sia mantenuta al valore nominale di utilizzo. Il riscaldatore è realizzato in tantalio: un metallo altamente resistente alla corrosione, in grado di condurre energia elettrica e termica e di raggiungere temperature molto elevate. Il processo di fissione nucleare, che si manifesta quando il fascio di protoni investe i sette dischi di carburo di uranio, produce nuclei radioattivi aventi massa compresa tra gli 80 ed i 160 uma 2. Per la produzione di un RIB la specie esotica desiderata deve essere estratta dal target e ionizzata; tale processo richiede un tempo tale da non poter essere applicato ad isotopi aventi una vita media inferiore ad alcune decine di millisecondi. Il processo di estrazione avviene mediante la linea di trasferimento (transfer line): 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 transfer line è un piccolo tubo di tantalio saldato al riscaldatore e connesso meccanicamente alla sorgente di ionizzazione all estremità opposta (Fig. 1.12). Come accade per il riscaldatore, anche il sistema linea di trasferimento e sorgente di ionizzazione viene riscaldato mediante dissipazione di potenza per effetto Joule, in questo modo la temperatura arriva a sfiorare i 2400 C. Fig Sistema di estrazione e ionizzazione del progetto SPES (vista in sezione) Quando il sistema è reso operativo, tra i due componenti è presente una differenza di potenziale pari a circa 40 kv ed è quindi necessario predisporre un isolante elettrico al fine di evitare il contatto diretto. La differenza di potenziale attira gli ioni radioattivi verso il canale di estrazione, in particolare il componente che accoglie gli ioni in uscita è un elettrodo realizzato in lega di titanio, che prende il nome di elettrodo estrattore (o puller). In questo modo si forma un fascio di ioni radioattivi che verrà inviato alle sale sperimentali, passando attraverso i separatori elettromagnetici ed il post acceleratore. La scelta della sorgente è di fondamentale importanza, perché influenza l intensità e la qualità del fascio radioattivo. L infrastruttura SPES è inizialmente progettata in riferimento a 3 diverse tipologie di sorgenti: - superficiale SIS (surface ion source); - laser RILIS (resonant ionization laser ion source); - plasma PIS (plasma ion source). Per le prime 2 tipologie di ionizzazione si fa riferimento alla medesima architettura, si tratta della sorgente MK1 ISOLDE sviluppata dal CERN. Il componente principale di questa sorgente è la hot cavity: un tubicino di tungsteno all interno del quale avviene la ionizzazione; è dotata di un opportuno invito conico e viene accoppiata per interferenza al foro centrale del supporto in tantalio. La gestione delle tolleranze è tale da impedire qualsiasi movimento relativo tra i due componenti. Dall altra parte, il collegamento con la linea di 2 L'unità di massa atomica unificata (u), detta anche dalton (Da), è un'unità di misura utilizzata solitamente per esprimere la massa di singoli atomi (massa atomica), molecole (massa molecolare), ioni, radicali e delle particelle elementari. Essa è definita come la dodicesima parte della massa di un atomo di carbonio-12 ( 12 C). Il suo simbolo è amu (dall'inglese atomic mass unit) o uma, l'acronimo in lingua italiana. 1 uma = 1, kg 8

17 trasferimento avviene tramite un tappo (bush) in tantalio, sul quale va in battuta sia la linea di trasferimento, sia la hot cavity. Le elevate temperature raggiunte dalla sorgente di ionizzazione in condizioni di utilizzo, provocano la realizzazione di una saldatura tra i componenti. Il collegamento tra il supporto e la flangia principale avviene mediante viti e tra questi due componenti viene interposto uno schermo in tantalio (screen), componente fondamentale per l estrazione degli isotopi radioattivi. Surface Ion Source (SIS) (Fig. 1.13): la ionizzazione è causata dallo strisciamento degli isotopi radioattivi provenienti dal target sulla superficie interna della hot cavity. A causa di tale strisciamento gli isotopi cedono un elettrone e vengono quindi ionizzati positivamente (ioni 1+), questo è possibile se la minima energia necessaria per rimuovere un elettrone da una superficie (chiamata funzione di lavoro) è 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 tungsteno, pari a circa 5 ev. L elevata temperatura a cui si trova la sorgente permette di avere un processo di ionizzazione efficiente. Lo svantaggio principale di tale metodo sta nel fatto che la ionizzazione non è selettiva: non vengono ionizzati soltanto gli isotopi della specie desiderata, dovendo quindi predisporre dei separatori elettromagnetici in grado di selezionare, in base alla massa, le particelle volute presenti nel fascio. La purezza del fascio non è comunque garantita, vi sono infatti isotopi di diversa specie tra loro isobari, aventi cioè lo stesso numero di massa A ma diverso numero atomico Z (esempio il 132 Cs e lo 132 Sn). Per dividere tali elementi sono necessari separatori isobari, che sono dispositivi molto complicati, costosi e poco affidabili, inoltre comportano una riduzione notevole dell intensità del fascio. Fig Architettura della sorgente di ionizzazione superficiale: SIS Con questa tipologia di sorgente è anche possibile ottenere ioni negativi. La produzione di fasci di atomi esotici ionizzati negativamente rimane comunque molto complicata: per produrre gli ioni è sufficiente realizzare la hot cavity con un materiale la cui funzione di lavoro deve risultare più piccola dell affinità elettronica degli isotopi, ma risulterebbe molto difficoltosa la loro accelerazione. La differenza di potenziale presente tra la camera target, il front end e i sistemi di post accelerazione dovrebbe essere invertita, ma ciò sarebbe possibile soltanto utilizzando particolari dispositivi denominati charge exchange devices. Resonant Ionization Laser Ion Source (RILIS): il metodo RILIS è oggi il più potente strumento per la produzione di fasci di ioni radioattivi per le infrastrutture di tipo ISOL, in quanto fornisce un processo di ionizzazione selettiva e garantisce la soppressione di contaminazioni indesiderate a livello della sorgente di ionizzazione. Utilizza la stessa architettura della tecnica di ionizzazione superficiale e prevede di proiettare un laser all interno della hot cavity (Fig. 1.14). Il laser è caratterizzato dalla sovrapposizione di più raggi aventi lunghezza d onda differente (2 o 3 a seconda dell elemento da ionizzare), che corrispondono a diversi valori energetici (E = h f, dove h è la costante di Planck e f la frequenza d onda). Tale laser irradia gli isotopi e fornisce loro energia necessaria per 9

18 far compiere all elettrone più esterno dei salti quantici verso orbitali ancor più lontani dal nucleo, fino alla separazione dell atomo. In questo modo si ha formazione di uno ione positivo 1+. Fig Sistema di ionizzazione RILIS La metodologia di ionizzazione RILIS permette di acquisire soltanto ioni radioattivi della specie di interesse producendo un fascio nel quale le contaminazioni sono minime. Rimane comunque la possibilità che alcuni elementi (in particolare il cesio) vengano ionizzati per strisciamento, provocando così imperfezioni nel fascio. Per risolvere l inconveniente è possibile sostituire il materiale con cui è realizzata la hot cavity: utilizzando il niobio la ionizzazione superficiale viene notevolmente attenuata. Per avere un efficienza di ionizzazione elevata è di fondamentale importanza limitare e 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 (Fig. 1.15). Fig Allineamento della hot cavity Plasma ION source (PIS): per la produzione di isotopi diversi si dovrà ricorrere ad altri tipi di sorgente, come ad esempio la sorgente al plasma (FEBIAD), che è in grado di ionizzare qualsiasi tipo di elemento, anche se con efficienze minori rispetto alle tecniche laser e superficiale. Il progetto SPES si basa su una sorgente di ionizzazione al plasma usata nell infrastruttura ISOLDE del CERN di Ginevra, chiamata MK5. Un prototipo di questa sorgente è stato realizzato, testato e ottimizzato dal punto di vista elettrotermico dal gruppo di lavoro SPES. Gli isotopi che possono essere prodotti con il progetto SPES sono evidenziati in rosso nella tavola degli elementi in Fig In particolare risaltano gli isotopi che possono essere prodotti con le tecniche di ionizzazione descritte. 10

19 Fig Tavola periodica degli elementi I separatori elettromagnetici e di post accelerazione Il fascio viene estratto dalla sorgente di ionizzazione attraverso l elettrodo estrattore (Fig. 1.17) posto alla differenza di potenziale di 30 kv. Fig Sezione trasversale della camera target con elettrodo estrattore in posizione di lavoro In seguito viene sottoposto ad una prima fase di purificazione nella quale, attraverso un separatore di massa, viene intrappolata una grande quantità di contaminanti. La risoluzione di tale dispositivo è tale da separare in base alla massa i vari elementi. Per trattare gli isotopi tra loro isobari, come il 132 Cs e lo 132 Sn, è presente a valle del separatore di massa il separatore isobaro. Il fascio radioattivo viene infine convogliato alle sale sperimentali se deve essere utilizzato per operazioni che richiedono fasci radioattivi a bassissima energia, in caso contrario viene post accelerato. La post accelerazione è inizialmente ottimizzata trasferendo il fascio attraverso un Charge Breeder, che è un dispositivo in grado di incrementare la carica degli ioni. Successivamente il fascio attraversa 2 stadi di post accelerazione, composti da 2 acceleratori lineari (LINAC): un acceleratore RFQ di nuova realizzazione (radiofrequency quadrupole) e ALPI (Fig. 1.18) che è già in funzione presso i Laboratori Nazionali di Legnaro. 11

20 È bene specificare che la corrente finale del fascio radioattivo dipende dall efficienza di molti processi chimici e fisici. Complessivamente ci si aspetta di ottenere un valore di circa isotopi al secondo all interno delle sale sperimentali (molto inferiori alle fissioni al secondo emesse dalla fissione nucleare) (Fig. 1.19). Fig Acceleratore ALPI Le applicazioni dei fasci esotici 12 Fig Intensità del fascio per diverse specie di isotopi 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. Miglioramento e verifica del modello standard. Il modello standard della fisica delle particelle è una teoria che descrive tre delle quattro forze fondamentali: l interazione nucleare forte, l elettromagnetismo e l interazione nucleare debole (queste ultime due unificate nell interazione elettrodebole). Inoltre descrive la funzione e le proprietà di tutte le particelle (note ed osservate) che costituiscono la materia. Nonostante il vasto utilizzo, tale modello non è del tutto soddisfacente, poiché dipende in modo sostanziale da alcune assunzioni ad hoc. Elaborati esperimenti di fisica

21 nucleare, suggeriti da convincenti basi teoriche, sono stati ideati allo scopo di chiarire l origine di queste assunzioni e pervenire così all unificazione delle interazioni fondamentali. Tali esperimenti prevedono precise misure delle proprietà di decadimento di alcuni nuclei, che possono essere effettuate proprio utilizzando come sorgente pura di ioni i fasci radioattivi prodotti dalle varie infrastrutture dedicate. Studio della struttura dei nuclei complessi. I nucleoni (protoni e neutroni) sono costituiti da subparticelle chiamate quark, esse esercitano un effetto fisico che si propaga anche oltre i 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 densità di protoni e neutroni associata al particolare tipo di nucleo. Al momento, non esiste una formula generale che consenta di quantificare l entità delle interazioni per tutti i nuclei, in quanto i calcoli quantomeccanici sono applicabili unicamente a nuclei più leggeri. L obiettivo della fisica nucleare è di ottenere una trattazione unitaria che: - permetta di derivare l effettiva interazione tra le particelle nucleari; - elimini le incongruenze dei modelli correnti; - 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. Misura della dimensione del nucleo: i nuclei halo. La dimensione del nucleo è legata al numero totale di nucleoni che lo costituiscono, tramite la relazione: R = R 0 A 1 3 Dove: - R è il raggio nucleare; - R 0 è una costante pari a 1,2 fermi (1 fermi = m); - A è il numero di nucleoni nel nucleo. Tuttavia, allontanandosi dalla valle di stabilità, si possono incontrare notevoli deviazioni da tale legge, in quanto le energie di legame tra le particelle di uno stesso nucleo possono diventare così piccole da causare la formazione di nuclei particolari, chiamati ad anello (nuclei halo). I nuclei halo sono caratterizzati da una diversa collocazione dei neutroni e possiedono molti più neutroni dei rispettivi isotopi stabili, inoltre uno o due neutroni, essendo debolmente legati al nucleo, orbitano attorno ad esso (sono detti neutroni di valenza). Un esempio di nucleo halo è 11 Li. Esso ha una dimensione media del nucleo paragonabile a quella del 48 Ca; considerando però l alone, racchiuso dalle orbite dei due neutroni di valenza presenti, il nucleo assume dimensioni paragonabili a quelle del 208 Pb (Fig. 1.20). Fig Paragone tra le dimensioni dei nuclei Il nucleo 11 Li è un sistema a tre corpi (i due neutroni esterni e il core) e rappresenta un esempio naturale di sistema Borromeico; in topologia, i tre anelli Borromeici sono legati l un l altro in modo tale che la rottura di uno permetta la separazione degli altri due (Fig. 1.21). I nuclei ad anello sono anche chiamati nuclei Borromeici proprio perché se uno dei loro costituenti viene a mancare, gli altri divengono immediatamente instabili e si possono a loro volta allontanare facilmente. 13

22 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. Fig Anelli Borromeici Produzione di elementi super pesanti. Gli elementi naturali sono circa 90, dall idrogeno all uranio. Negli ultimi anni l utilizzo di reazioni di funzione 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 112 e prospettando un ulteriore estensione fino a 116. Questi elementi, chiamati super pesanti, sono caratterizzati da una fortissima repulsione coulombiana e sembra che la loro formazione avvenga attorno alla cosiddetta isola di stabilità (una combinazione di 114 protoni e 184 neutroni che sembra garantire la stabilità del nucleo). La recente disponibilità di fasci intensi, costituiti da nuclei instabili ricchi di neutroni (n-rich), accoppiati a target stabili, anch essi ricchi di neutroni, potrebbe definitivamente aprire la strada ad uno studio e ad un indagine accurata di tale fenomeno. Applicazioni in fisica dello stato solido. La tecnica Radiotracer Diffusion, nata nel 1920, consiste nell impiantare all interno di un sistema solido nuclei radioattivi e di studiarne il decadimento, rilevando le particelle o la radiazione gamma da essi emessa. Tale tecnica consente di captare segnali anche da pochissimi atomi e rappresenta uno dei procedimenti più comuni per studiare i metodi di diffusione atomica nei solidi. Il sistema ospitante può 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 proprietà nucleari di quest ultimo. L uso della tecnica Radiotracer Diffusion consente di: - osservare tramite i prodotti di decadimento l interazione tra l atomo sonda e l intorno reticolare che lo circonda; - ottenere informazioni riguardanti il campo elettrico e magnetico all interno del cristallo; - studiare i processi diffusivi e le interazioni tra gli atomi sonda; - indagare i tipi di difetti presenti nel cristallo. Drogaggio dei semiconduttori. Lo sviluppo dei semiconduttori di piccole dimensioni, aventi caratteristiche ottiche ed elettriche ottimali, richiede un controllo completo dei difetti che governano tali proprietà; possono essere sia intrinsechi (come le 14

23 vacanze interstiziali) che estrinseci (come i droganti e le impurità 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 proprietà elettroniche ed ottiche dei semiconduttori in base alla loro natura chimica ed alla loro posizione all interno del reticolo cristallino. Le proprietà elettroniche e ottiche dei semiconduttori dipendono dalla tipologia di semiconduttore e dalle sue dimensioni; in semiconduttori molto piccoli tali proprietà possono essere sensibilmente alterate da un difetto presente con concentrazione minore di atomi/cm 3. Per controllare in maniera affidabile le prestazioni dei semiconduttori sono quindi necessarie tecniche sperimentali che combinino un alta sensibilità chimica con un alta sensibilità par la determinazione di basse concentrazioni di difetti. Per decenni la principale tecnica di rilevazione delle impurità all interno di un cristallo è 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 è possibile determinare concentrazioni di difetti inferiori a atomi/cm 3. La sensibilità di tale tecnica può essere profondamente aumentata impiantando all interno del cristallo impurezze radioattive che emettono particelle cariche (emission channeling, Fig. 1.22). La misura dell emissione lungo differenti direzioni cristalline, permette la determinazione del sito cristallografico dell atomo emittente con un accuratezza di pochi decimi di angstrom. Fig Emission channeling degli elettroni La tomografia ad emissione positronica. La Tomografia ad Emissione Positronica (PET) è una tecnica di medicina nucleare di diagnostica che utilizza l emissione di positroni per realizzare immagini tridimensionali o mappe ad alta risoluzione degli organi interni dei pazienti. Il positrone, detto anche antielettrone, è l equivalente di antimateria dell elettrone ed ha carica elettrica pari a +1; l antimateria è la materia composta da antiparticelle, si tratta di particelle aventi la stessa massa e caratteristiche opposte a quelle che costituiscono la materia ordinaria. Quando un positrone si annichila con un elettrone, la loro massa si converte in energia, sotto forma di due fotoni ad altissima energia nella banda dei raggi gamma. Un positrone può essere generato o dal decadimento radioattivo con emissione di positroni, o dall interazione con la materia di fotoni con energia superiore a 1,022 MeV. Nonostante venga utilizzata principalmente per studiare le interazioni tra le particelle elementari, l antimateria ha anche un applicazione tecnologica: 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 15

24 metabolicamente attiva (spesso uno zucchero), raggiunge una determinata concentrazione all interno dei tessuti organici da analizzare, il soggetto viene posizionato nello scanner. L isotopo di breve vita media decade emettendo un positrone. Dopo un percorso che può 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 tra loro (sfasate di 180 lungo una stessa retta); questi fotoni sono successivamente rilevati dal dispositivo di scansione grazie anche all impiego di speciali tubi fotomoltiplicatori (Fig. 1.23). Fig Schema del funzionamento della PET Punto cruciale della tecnica è la rilevazione simultanea di coppie di fotoni: quelli che non raggiungono il rilevatore in coppia entro un intervallo di tempo di pochi nanosecondi, non sono presi in considerazione. Dalla misurazione della posizione in cui i fotoni colpiscono il rilevatore (ogni coppia di fotoni individua una retta), si può ricostruire la posizione del corpo da cui sono stati emessi (con due coppie di fotoni, e dunque con due rette, è possibile individuare il punto di emissione dei fotoni), permettendo la determinazione dell attività e dell utilizzo chimico all interno delle parti del corpo investigate. Lo scanner utilizza la rilevazione delle coppie di fotoni per mappare la densità dell isotopo nel corpo; la mappa risultante rappresenta i tessuti in cui la molecola campione si è maggiormente concentrata e viene letta e interpretata da uno specialista in medicina nucleare o in radiologia al fine di determinare una diagnosi ed il trattamento successivo (Fig. 1.24). Spesso le scansioni fatte mediante Tomografia ad Emissione Positronica sono raffrontate con le scansioni fatte a Risonanza Magnetica Nucleare, fornendo informazioni anatomiche, morfologiche e metaboliche (permettono di comprendere come il tessuto o l organo sono conformati e come si stanno comportando). La PET è usata estensivamente in oncologia clinica (per avere rappresentazioni dei tumori e per la ricerca di metastasi) e nelle ricerche cardiologiche e neurologiche. Fig Attrezzatura utilizzata per eseguire la PET 16

25 Mentre gli altri metodi di scansione, come TAC, permettono di identificare alterazioni organiche e anatomiche del corpo umano, la PET è 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 è 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 11 C (circa 20 minuti), 13 N (circa 10 minuti), 15 O (circa 2 minuti), 18 F (circa 110 minuti). Per via del basso tempo di dimezzamento, i radioisotopi devono essere prodotti da un ciclotrone posizionato in prossimità dello scansionatore PET. La PET gioca un ruolo sempre maggiore nella verifica della risposta alla terapia, specialmente per le terapie anticancro. Si prospettano quindi ulteriori applicazioni e sviluppi per questa tecnologia medicale. Applicazioni in astrofisica. L astrofisica nucleare gioca un ruolo fondamentale nella comprensione della struttura, dell evoluzione e della composizione dell universo e dei suoi costituenti. Le stelle generano energia attraverso reazioni nucleari coinvolgendo sia nuclei stabili che radioattivi. A volte il consumo di carburante nucleare procede stabilmente e dura miliardi di anni, altre volte è 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 stabilità, sia attraverso processi che si svolgono in territorio sconosciuto. Per sviluppare un modello che descriva il meccanismo di nucleosintesi, è 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 coinvolgenti nuclei instabili e possono essere misurate unicamente con un fascio radioattivo. Per questo motivo si prevede che la nuova generazione di infrastrutture per la produzione di fasci radioattivi, risulterà di fondamentale importanza per la comprensione della sintesi elementare dell universo. 1.3 L infrastruttura del progetto SPES L infrastruttura del progetto SPES comprende l edificio e i dispositivi utili alla produzione del fascio di ioni esotici. Risulta fondamentale considerare gli elementi riguardanti aspetti come l edilizia, i sistemi all interno del bunker (la zona adibita alla produzione del fascio) e i sistemi di movimentazione. Attualmente è in fase di realizzazione l edificio SPES per quanto riguarda l edilizia (Fig. 1.25), mentre sono in fase di test o di realizzazione i vari macchinari utili alla movimentazione e alla produzione del fascio. Fig Cantiere edificio SPES (maggio 2014) 17

26 1.3.1 La zona di produzione degli ioni esotici La zona di produzione dei fasci radioattivi è stata attentamente studiata per contenere tutta l attrezzatura utile alla produzione del fascio. Sono necessarie strutture che permettono di ottenere una elevata dose di sicurezza, soprattutto relativamente alle radiazioni emesse. Per isolare la zona di produzione dagli ambienti esterni sono previsti pareti e solai di elevato spessore. Il peso stesso della struttura tende a provocare uno sprofondamento nel terreno, soprattutto considerando la presenza del ciclotrone che comporta un elevata concentrazione di massa in poco spazio. Per evitare questo problema sono state realizzate grandi palificazioni, inoltre è previsto un preciso monitoraggio al fine di mantenere sempre il ciclotrone e i sistemi di post accelerazione perfettamente allineati con il fascio, dato che è collegato anche con gli edifici già presenti ai Laboratori Nazionali di Legnaro. La planimetria dell edificio SPES al piano interrato (Fig. 1.26), prevede che vi siano due zone di produzione degli ioni esotici, al fine di permettere una produzione continua del fascio senza dover essere interrotta nei periodi di manutenzione ordinaria necessari; queste zone sono disegnate in modo speculare e il fascio può essere indirizzato o in una o nell altra. Fig Planimetria dell edificio SPES (piano interrato) La procedura ordinaria prevede la sostituzione del target ad intervalli di tempo regolari, seguendo il ciclo di lavoro complessivo della durata di 28 giorni illustrato di seguito. 1) Inserimento della camera contente il target. 2) Irradiation step: periodo di irradiazione della durata di 14 giorni. 3) Cooling time: periodo di 14 giorni in cui la camera target diminuisce il suo livello di radiazioni. 4) Estrazione e stoccaggio della camera target. Il sistema può quindi funzionare in modo ininterrotto in quanto una parte può essere utilizzata mentre quella speculare è in fase di raffreddamento o sostituzione del target. I tempi di intervento sono studiati al fine di sottoporre gli strumenti posti all interno del bunker ad una dose di radiazioni tale da permettere una diminuzione delle radiazioni in un periodo di tempo ragionevole. Se ad esempio, invece di prevedere 14 giorni di irradiazione e altrettanti di raffreddamento, se ne prevedessero 200 per fase, in caso di un malfunzionamento si dovrebbe attendere un tempo di raffreddamento di circa 6 mesi per poter accedere alla zona per intervenire sul danno. 18

27 L area dove effettivamente avviene la produzione degli isotopi radioattivi viene chiamata camera calda, si trova all interno della zona bunker ed è il luogo in cui è presente la più alta dose di emissioni radioattive. In dettaglio la zona è composta da 4 aree (Fig. 1.27): 1) la camera calda contenente il front end; 2) la camera tiepida adibita alle operazioni di movimentazione della camera; 3) la zona fredda che è un corridoio di libero accesso; 4) il corridoio cieco di deposito temporaneo. Fig Pianta del bunker ISOL (configurazione definitiva) All interno della camera calda è presente il front end (Fig. 1.28): dal canale di destra (canale protonico) arriva il fascio protonico prodotto dal ciclotrone che va a collidere con i dischi in carburo di uranio contenuti nel target; gli ioni esotici che si producono sono direzionati nel condotto a valle del front end (canale radioattivo). Successivamente il fascio viene pulito e controllato. Fig CAD 3D del front end La parte del front end relativa al canale protonico è indicata con FEP, quella relativa alla zona radioattiva FER. La coupling table, (o tavola di ammaraggio), è l area in cui va posizionata la camera contenete il target. 19

28 1.3.2 Il front end Il front end, il cuore del progetto SPES (Fig. 1.29), è lo strumento che consente di produrre il fascio di ioni esotici. Oltre ad essere il punto di installazione della camera target, deve anche consentire di mantenere il vuoto all interno dei condotti dove transita il fascio. La presenza del vuoto è un requisito necessario al fine di eliminare il maggior numero di ostacoli possibili, consente inoltre di evitare che i materiali mantenuti ad alta temperatura all interno della camera ossidino. Per raggiungere i livelli di vuoto richiesti devono essere utilizzati molti accorgimenti, in particolare: - utilizzo di guarnizioni apposite nelle connessioni tra le parti meccaniche dei canali; - utilizzo del grasso da vuoto per migliorare l adesione delle guarnizioni; - trattamento delle superfici interne di ciascun componente con solventi e con vasca ad ultrasuoni; - trattamenti chimici superficiali per evitare l eccessivo degasaggio; Fig Front end assemblato presso i laboratori SPES Per produrre il livello di vuoto richiesto dal fascio (fino a 10-8 bar) è necessario utilizzare delle pompe di tipo turbo. I loro rotori però, ruotando a velocità molto elevate, si danneggiano se non si è prima raggiunto un prevuoto (nell ordine di 10 2 mbar). È quindi necessario raggiungere la condizione di vuoto necessaria in 2 passi: prima con una pompa rotativa e successivamente con la pompa turbomolecolare (Fig. 1.30). In questo modo è possibile eliminare la maggior parte delle particelle sospese. 20 Fig Sistema di produzione del vuoto Per garantire una piena efficienza del sistema e limitare l usura delle parti meccaniche poste in movimento, la parte terminale del front end, quella che comprende la tavola di ammaraggio, è progettata in modo da essere estratta dal bunker e sostituita ogni 7 anni. Di conseguenza tutte le parti che la compongono devono garantire un affidabilità tale da rispettare questo tempo di vita.

29 1.3.3 La camera target La camera target è l elemento fondamentale di tutto il processo di produzione del fascio di ioni esotici, in quanto contiene il target ed è all interno di essa che avviene la produzione degli isotopi radioattivi. La camera è un cilindro cavo di alluminio, dal peso di circa 25 kg, nella quale avviene la reazione nucleare. Come già spiegato la temperatura del target deve essere mantenuta attorno ai 2000 C per ottimizzare il processo; di conseguenza la temperatura della camera viene mantenuta costante tramite un apposito sistema di refrigerazione, composto da una serpentina all interno della quale scorre acqua. La serpentina è evidenziata da un colore grigio scuro in Fig Fig Camera contenente il target Essendo la camera un oggetto che periodicamente viene sostituito, è dotata di tutta una serie di elementi che ne permettono la connessione e la disconnessione rapida, senza rendere necessario un intervento umano. Gli elementi di rilievo che compongono meccanicamente la parte esterna della camera target sono: - ganci Schunk (sistema di aggancio rapido); - le guide in teflon; - le valvole VAT (valvole per l alto vuoto); - la termocoppia. La Schunk è un azienda multinazionale che produce dispositivi di presa rapida, elementi di questo tipo sono ampiamente installati in ambito industriale su robot e dispositivi automatici. Nel caso di SPES il gancio Schunk viene utilizzato per poter afferrare la camera con i dispositivi di movimentazione previsti. Il sistema di presa funziona ad aria compressa, e rimane attivo anche in caso di interruzione del flusso d aria al pistone attuatore, cosa indispensabile per garantire un elevata sicurezza quando si maneggia materiale radioattivo. La sede femmina montata sulla camera ha degli inviti conici che le permettono il perfetto allineamento con il connettore maschio (Fig. 1.32). Due guide in teflon sono installate sotto la camera target. Essendo il coefficiente di attrito tra teflon e acciaio molto basso, è possibile, tramite un sistema a slitte, far scorrere agevolmente la camera sulle rotaie presenti sulla tavola d ammaraggio. La forma delle due guide permette inoltre un auto centraggio della camera quando viene posizionata nella sua sede (Fig. 1.33). Le valvole VAT (Fig. 1.34) sono dispositivi che permettono la chiusura di un condotto a tenuta stagna, riuscendo anche a mantenerne una condizione di vuoto. Sono garantite fino a pressioni di 10 8 mbar, cioè per altissimo vuoto. Risultano indispensabili dato che, terminato il periodo di irraggiamento e raffreddamento, devono essere chiuse prima della rimozione della camera, quando ancora è presente il vuoto sulla linea del fascio, così da impedire la fuoriuscita di tutta la produzione nociva del target (gas radioattivi e polveri nocive). La problematica principale di queste valvole è che necessitano di una forza notevole per essere chiuse. In caso 21

30 di serraggio non perfetto si comprometterebbe la sicurezza dell impianto, oltre a causare problemi in tutte le azioni di movimentazione successive, in quanto non verrebbero rispettati gli ingombri previsti. È quindi di fondamentale importanza prevedere sistemi di chiusura che garantiscano il corretto azionamento delle valvole VAT. Fig Agganci Schunk, maschio e femmina Fig Rotaia con slitta in teflon Fig Valvola VAT installata sulla camera La termocoppia installata lateralmente, all esterno della camera, allineata con il target, va a toccare un disco in grafite inserito in serie ai dischi di UCx contenuti nel bersaglio; essa serve per rilevare un eventuale aumento di temperatura che si verifica nel caso di rottura di uno o più dischi, cosa che non dovrebbe accadere 22

31 in condizioni standard. In questo modo è possibile interrompere istantaneamente il fascio protonico emesso dal ciclotrone. La parte della camera che si collega al front end, oltre alla flangia di collegamento del canale, presenta altri componenti utili alla connessione dei vari impianti (Fig. 1.35). Si possono notare: - i puntali; - gli attacchi rapidi per l acqua; - l attacco della termocoppia; - altri ingressi liberi. Fig Connessioni della camera target I puntali sono degli elementi costruiti in rame che permettono di fornire corrente elettrica al target quando la camera è posizionata sulla tavola d ammaraggio e accoppiata al front end. Devono consentire il passaggio di 1300 A, risultando quindi un elemento molto critico a causa dell elevata intensità di corrente, infatti si è riscontrato che dopo un lungo utilizzo tendono a separarsi limitando così il collegamento elettrico e l insorgere di scariche; il problema è stato risolto aumentandone le dimensioni e inserendo nei connettori femmina delle molle che tendono a mantenere serrati i contatti. Sono presenti anche gli attacchi rapidi per l acqua di raffreddamento e per la termocoppia, oltre ad alcuni connettori liberi, che potranno permettere l installazione di altri dispositivi Il sarcofago Il sarcofago è stato progettato per contenere la camera target quando viene rimossa dal front end. Per definirne dimensioni e struttura sono stati considerati calcoli riguardanti l aspetto della radioprotezione e i limiti imposti dagli ingombri della camera (Fig. 1.36). Il sarcofago è costituito da 3 elementi fondamentali: il contenitore, il coperchio e la parte di appoggio che lo sorregge. Il contenitore è un parallelepipedo aperto da un lato, formato da 5 pannelli composti da acciaio e piombo; la parte di piombo serve per schermare dalle radiazioni, mentre il guscio in acciaio, che racchiude completamente le lastre di piombo, permette di rendere strutturalmente solido il sarcofago. I 5 pannelli vengono saldati assieme con un procedimento molto delicato, che richiede una quantità di tempo notevole per evitare che la parte in piombo si fonda (Fig. 1.37). Fig Sarcofago contenente la camera target Fig Esploso del sarcofago 23

32 Il coperchio ha la stessa conformazione delle pareti, soltanto che è rimovibile. La rimozione può avvenire o tramite aggancio femmina di tipo Schunk, come già visto per la camera target, o tramite tre ganci ad anello standard saldati sopra. Il primo è presente in modo da disporre di un sistema di aggancio universale per tutti gli elementi da movimentare e il secondo permette di aprirlo con altri strumenti più convenzionali, come un carroponte o una gruetta. Ai lati del sarcofago sono presenti 4 ganci per consentirne lo spostamento utilizzando una gru, mentre alla base è possibile inserire le forche di un muletto, o quelle di un transpallet, grazie alla presenza di un apposito rialzo. Il peso complessivo è di 780 kg. 1.4 I sistemi di movimentazione Data la necessità di dover sostituire la camera target periodicamente e di escludere ogni intervento umano dal bunker, i sistemi di movimentazione sono progettati in modo da poter consentire di svolgere le varie operazioni in modo completamente automatizzato. La fase di ricerca e sviluppo attualmente in atto, prevede di realizzare 4 dispositivi principali, utili alla gestione della camera target: dall inserimento nel front end, quando la camera è nuova, allo stoccaggio in un deposito temporaneo, quando giunge a fine vita e deve smaltire le radiazioni accumulate. Risulta quindi necessario prevedere le seguenti fasi: - movimentazione della camera quando è posizionata sulla tavola di ammaraggio; - prelievo e deposito della camera sulla tavola di ammaraggio; - stoccaggio temporaneo dei sarcofagi contenenti la camera attivata. Per la fase di prelievo e deposito sono previsti 2 sistemi (Fig. 1.38): uno verticale, che consente di raggiungere il bunker dal piano superiore dell edificio SPES, e uno orizzontale, che consente di agire dal piano interrato dove è posizionato il front end. La presenza di due sistemi per questa fase è necessaria per garantire la possibilità di intervenire in base alle varie circostanze che si possono verificare, come situazioni di emergenza, rotture di uno dei due dispositivi o necessità di svolgere alcune operazioni particolari. 24 Fig Sistemi di prelievo e deposito della camera

33 La movimentazione necessita di un forte contributo meccatronico dato che prevede sia la realizzazione meccanica degli apparati, sia un intensa attività controllistica che permetta di gestire ogni operazione con un elevata dose di informazioni, garantendo una completa sicurezza Il sistema di movimentazione della tavola di ammaraggio In questo paragrafo sarà introdotto il principio di funzionamento della tavola di ammaraggio, descrivendo il sistema attualmente presente in un prototipo del front end, definito offline, utilizzato nei laboratori SPES per svolgere alcuni test sulla camera target e sulla ionizzazione. La tavola di ammaraggio ha il compito di gestire la movimentazione della camera target quando è depositata sul front end. Dato che questo sistema è posto all interno del bunker, dovrà lavorare in condizioni gravose dal punto di vista delle emissioni radioattive. Per questo motivo tutte le operazioni automatizzate non potranno contenere componenti elettronici, che altrimenti si danneggerebbero risultando inutilizzabili. È quindi necessario ricorrere a componentistica meccanica (azionamenti pneumatici) e a sensoristica puramente resistiva. La camera si definisce accoppiata quando è inserita nel front end ed è pronta a ricevere il fascio; disaccoppiata quando è in posizione di deposito (o prelievo). Per accoppiare la camera dopo che è stata depositata è necessario traslarla in avanti al fine di spingere la flangia del canale radioattivo all interno della propria sede nel front end, successivamente viene inserita la flangia del canale protonico nella rispettiva sede posta sul lato della camera (il movimento è consentito da un soffietto metallico da vuoto), infine si devono aprire le valvole VAT. Per disaccoppiare la camera si svolge il procedimento inverso. Il sistema di attuazione delle movimentazioni prevede l utilizzo di 4 cilindri pneumatici, comandati da una cascata di elettrovalvole a loro volta controllate da un PLC. Sono caratterizzati da una corsa meccanica fissa, realizzata in modo da portare a termine le movimentazioni percorrendo la distanza utile a posizionare in modo corretto gli elementi (Fig. 1.39). Cilindri pneumatici [1] [2] [4] [3] Fig Sistema di movimentazioni attuale della tavola di ammaraggio Le 4 movimentazioni lineari sono: 1) apertura e chiusura della valvola del canale radioattivo; 2) apertura e chiusura della valvola del canale protonico; 3) collegamento e distacco del soffietto del canale protonico dalla camera; 4) collegamento e distacco della camera target dal front end. Per le prime due movimentazioni la corsa del pistone permette di alzare o abbassare le 2 valvole VAT; la terza e la quarta movimentazione sfruttano la corsa del pistone per far ruotare attorno ad un asse una coppia di 25

34 maniglie (Fig. 1.40) utili ad allontanare o avvicinare la flangia di collegamento del canale protonico o della camera target. Queste 4 movimentazioni saranno di fondamentale importanza, dato che sono sempre in fase evolutiva e risulteranno essenziali nella realizzazione del nuovo sistema di controllo. Per verificare l effettivo compimento delle operazioni sono presenti degli switch di finecorsa posizionati in modo da intervenire al termine di ogni movimentazione (Fig. 1.41). Per evitare problemi dovuti alle radiazioni si utilizzano delle aste per poter attivare gli switch mantenendoli il più lontano possibile dalle emissioni dovute alla camera target. 26 Fig Maniglie Questo sistema di movimentazione presenta alcuni problemi, in particolare: - le guarnizioni all interno dei cilindri non possono garantire la tenuta dell aria in pressione a causa dell usura provocata dalle radiazioni, rendendo necessario mantenere costantemente attivate le elettrovalvole; - la precisione della movimentazione è molto approssimativa, soprattutto per lo scorrimento della camera target sulla slitta, inoltre si verificano spesso inceppamenti nel sistema di accoppiamento realizzato con le maniglie. Per questi motivi è in fase di ricerca e sviluppo un nuovo sistema che permette di risolvere questi inconvenienti Il sistema di movimentazione verticale È uno dei due sistemi utili per il prelievo e il deposito della camera sulla tavola d ammaraggio. La progettazione è ancora nella fase iniziale ed è stabilito che dovrà essere utilizzato in caso di emergenza o a seguito di problemi da parte della macchina orizzontale. Consente di rimuovere la camera in modo molto rapido, dato che potrà prelevarla con un braccio meccanico che può scendere dal piano superiore dell edificio permettendo di raccoglierla rapidamente per poi inserirla in un sarcofago che sarà stoccato temporaneamente sopra al bunker (Fig. 1.42). È realizzata utilizzando un sistema di movimentazione cartesiano che può muoversi su 3 assi (x, y, z): il carroponte (direzione x) permette di scorrere orizzontalmente all interno della stanza che contiene il meccanismo, mentre la movimentazione laterale (direzione y) permette di inserire la camera nel sarcofago, che è posizionato su di un lato del carroponte. Infine il braccio telescopico permette di scendere (direzione z) all interno del bunker e prelevare la camera grazie al collegamento Schunk. Il bunker (piano interrato) è separato dal piano terra da una soletta di 3 metri di spessore, permettendo la completa schermatura dalle radiazioni; per l accesso e l estrazione della camera tramite il sistema verticale è necessario un varco tra il piano terra e il bunker che deve però essere normalmente chiuso in modo da non vanificare l effetto della soletta. Il tappo è un cilindro di cemento estraibile dello stesso spessore della soletta e l apertura rimane tale il minor tempo possibile, solo per le operazioni di estrazione della camera Il sistema di movimentazione orizzontale Il sistema di movimentazione orizzontale è incaricato allo spostamento della camera target agendo direttamente dal piano interrato. Il progetto iniziale prevedeva una struttura permanente realizzata in modo da far scorrere un telaio su binari posizionati nel corridoio di accesso libero e disposti in modo da poter

35 raggiungere il bunker (Fig. 1.43). Il telaio, a sua volta, consisteva in un piano di scorrimento sul quale era possibile far traslare il meccanismo di presa della camera. La rimozione era prevista realizzando una sorta di prolungamento dei binari della tavola d ammaraggio in modo da poter farla scorrere fino al raggiungimento della zona tiepida. Il limite principale del sistema era dovuto all ingombro notevole all interno dello stabile, inoltre sarebbe stato impossibile posizionare la camera nel sarcofago, dovendo quindi utilizzare l estrattore verticale per inserirla. Si è quindi pensato ad un metodo alternativo che potesse inserirla direttamente nel sarcofago, per poter poi movimentare il tutto riducendo l esposizione alle radiazioni. Fig Switch con aste Fig Machina verticale Il progetto che attualmente è in fase di realizzazione e che permette di risolvere i problemi appena descritti si basa su un veicolo a guida automatica (AGV - Fig. 1.44). Con questa soluzione è possibile ottenere un sistema 27

36 che permette di raggiungere varie destinazioni in modo completamente automatizzato senza dover contare sulla presenza di esseri umani, dall immissione della camera nel bunker, al prelievo quando è a fine vita, allo stoccaggio nel deposito temporaneo (Fig. 1.45). Fig Primo progetto per la movimentazione orizzontale Fig AGV all interno dei laboratori Fig Percorso dell AGV L idea è quella di dotare l AGV di un sistema cartesiano in grado di muovere la camera lungo due direzioni: verticale e longitudinale. Risulta quindi possibile alzare e abbassare la camera potendola estrarre o inserire nel sarcofago, oltre a poterla allontanare o avvicinare al front end (Fig. 1.46). Sarà sempre utilizzato un dispositivo Schunk per poter agganciare la camera. L AGV è essenzialmente costituito dalla scocca in acciaio, dal sistema di controllo e da tre ruote; di queste solo una è motorizzata e può girare in tutte le direzioni, permettendo al veicolo di risultare molto agile e consentendo la rotazione su se stesso. Per guidare il veicolo all interno del bunker sarà installato un sistema di guida ottico: l AGV seguirà la traiettoria indicata sul pavimento per mezzo di una striscia nera che verrà dipinta o incollata. 28

37 Fig Macchina di movimentazione orizzontale I sistemi fondamentali che compongono la macchina per la movimentazione orizzontale sono: - l AGV; - il sistema di movimentazione cartesiano; - il sollevatore del sarcofago; - l armadio dei controlli. L AGV viene fornito composto di telaio, ruota motrice e sistema di guida manuale. L energia elettrica è fornita tramite cavo di alimentazione o da batterie di formato standard. All interno del telaio vi è lo spazio per alloggiare il sistema di guida automatico. Il piano di carico sulla parte superiore sopporta un massimo di 1500 kg che verranno interamente sfruttati. L autonomia del veicolo è una questione di basilare importanza, in quanto non deve assolutamente accadere che il mezzo rimanga senza energia all interno del bunker. Oltre a questo si deve considerare che non sarà necessaria solo l energia per lo spostamento del mezzo, ma anche per l azionamento del sistema cartesiano. Il sistema di movimentazione cartesiano permette di operare sulla camera target e sul coperchio del sarcofago utilizzando i 2 assi lineari (Fig. 1.47). Fig Sistema cartesiano a 2 assi Lo spostamento viene eseguito tramite due sistemi a martinetto e vite trapezia: in quello verticale si ha una vite traslante, in quello orizzontale una vite rotante. Il sistema di movimentazione verticale è montato su guide che permettono di avere basso attrito, quindi minore necessità di coppia da parte degli attuatori, a beneficio del risparmio di energia. Il carico massimo durante il ciclo di lavoro è dovuto al peso del coperchio del sarcofago, pari a 100 kg. Ciascun sistema di movimentazione viene spinto da due motori i cui alberi sono collegati allo stesso martinetto, così da garantire una ridondanza in caso di problemi ad uno dei due. Il sollevatore del sarcofago è necessario in quanto il sistema cartesiano non ha una corsa verticale sufficiente per poter raggiungere il fondo del sarcofago con la base della camera, una volta che è appesa al 29

38 gancio Schunk. Non è possibile allungare la vite presente per problemi di ingombro verticale: una vite troppo lunga non consentirebbe di rimanere nel bunker sollevando la camera dato che andrebbe a sbattere sullo stipite della porta, alto solamente 2,5 m. Questo impone di dover muovere anche il sarcofago verticalmente per andare incontro alla camera quando è completamente abbassata attraverso l asse verticale del sistema cartesiano. In questo modo la camera può toccare il fondo del sarcofago ed essere depositata dolcemente. L appoggio delicato permettere un eventuale riutilizzo futuro della camera che non sarebbe attuabile se la si facesse cadere senza avere la certezza del suo posizionamento, oltre a causare la rottura del target dovuta all impatto violento. La base di carico del sarcofago, realizzata con un piano rettangolare fissato agli angoli con 4 chiocciole, può essere movimentata attraverso 4 martinetti a vite trapezoidale azionati da un motore elettrico che trasmette il moto ad un martinetto collegato a due alberi, a loro volta sdoppiati da altri due martinetti. In questo modo la rotazione delle viti fa muovere le 4 chiocciole verticalmente (Fig. 1.48). Come per il sistema cartesiano anche il sistema di sollevamento dei sarcofagi è ridondante in quanto sono previsti due motori nel caso uno si rompa. 30 Fig Sistema di sollevamento del sarcofago L armadio dei controlli è necessario per allestire a bordo dell AGV tutto il sistema necessario per azionare i meccanismi della macchina orizzontale. Al suo interno devono essere installati: - il PLC per il controllo; - gli azionamenti dei motori elettrici; - il gruppo alimentazione; - il compressore d aria per il dispositivo Schunk. Il PLC e gli azionamenti utilizzati saranno forniti dall azienda Schneider, per garantire piena compatibilità con gli altri sistemi di automazione già in uso. La caratteristica fondamentale di questo PLC è che dovrà essere ridondante al fine di poter portare a termine l operazione di prelievo della camera anche in caso di rottura di una CPU. Questa è l unica operazione che dovrà assolutamente essere portata a termine senza poter essere interrotta, dato che non sarebbe possibile intervenire in altro modo quando la camera è agganciata e sollevata dal sistema cartesiano. Deve assolutamente essere inserita nel sarcofago prima di poter uscire dal bunker con l AGV, dato che risulta essere altamente radioattiva e nelle sole mani della macchina orizzontale. In Fig è illustrata la fase di lavoro dell AGV all interno del bunker. Il gruppo di alimentazione deve permettere di fornire energia elettrica al fine di portare a termine tutte le operazioni di un ciclo di lavoro del sistema a bordo dell AGV. Il dispositivo che gestisce l alimentazione è un gruppo di continuità contenente batterie collegate in parallelo, in grado di erogare 220 V AC. È dotato di un sistema di auto diagnosi che bypassa le eventuali batterie non funzionanti salvaguardando le altre. Il compressore d aria avrà il compito principale di fornire al sistema di connessione Schunk l aria necessaria per tutte le operazioni di aggancio e sgancio della camera target e del coperchio del sarcofago. Il consumo d aria da parte del pistone azionatore è molto scarso, quindi vi sarebbe la possibilità di installare solamente un serbatoio senza compressore, ma non sarebbe garantita una certa sicurezza in caso di perdita da parte dell impianto.

39 1.4.4 Il deposito temporaneo Fig Macchina orizzontale all interno del bunker Al fine di consentire alle camere target di smaltire le radiazioni assorbite, è necessario mantenerle in un deposito temporaneo per almeno 3 anni. Sarà realizzato a fianco del bunker, così da essere racchiuso all interno dei muri che consentono di mantenere nulla l emissione di radiazioni all esterno. È dotato di una rastrelliera che può contenere fino a 44 sarcofagi, un sistema di movimentazione e una porta automatizzata che permette di soddisfare le specifiche di radioprotezione imposte (Fig. 1.50). Fig Disposizione del deposito temporaneo La rastrelliera è composta da 4 piani, ognuno dotato di rulliera motorizzata, così da poter spostare i sarcofagi a proprio piacimento su tutta la lunghezza del piano. Inoltre è ideata in modo da lasciare sempre alcuni posti liberi, così da poterli utilizzare per riordinare i sarcofagi. Questa operazione si rende necessaria al fine di riporre l ultimo sarcofago inserito (quello che presenta una dose maggiore di radiazioni) nel posto 31

40 più lontano dall ingresso. Le emissioni sono quindi limitate sia dai muri che circondano il deposito che dagli altri sarcofagi contenenti le camere più vecchie, caratterizzate da una dose di radiazioni inferiore grazie al tempo già trascorso nel deposito. Il movimentatore è realizzato con un sistema di sollevamento dotato di forcole telescopiche in grado di raggiungere l AGV da un lato e la rastrelliera dall altro. Tutte le operazioni di movimentazione sono automatizzate e consentono di svolgere le seguenti fasi: - prelievo del sarcofago dall AGV; - deposito del sarcofago sulla rastrelliera; - riordinamento dei sarcofagi sulla rastrelliera; - deposito del sarcofago all esterno della rastrelliera. In Fig è illustrato il deposito temporaneo, con i quattro piani liberi. Fig Deposito temporaneo dei sarcofagi La comunicazione tra i sistemi di movimentazione I sistemi di movimentazione dovranno essere messi in comunicazione tra loro in modo da realizzare una rete per il trasferimento dei dati che permetta di controllare tutte le operazioni e gli stati delle apparecchiature, oltre a consentire un azione di supervisione da remoto. Per quel che riguarda il lavoro di prelievo e deposito con macchina orizzontale, saranno presenti 3 PLC: quello del front end, quello dell AGV e quello del deposito temporaneo. Comunicheranno tra di loro tramite bus Modbus TCP/IP (Modbus è il protocollo di comunicazione standard di Schneider, la variante TCP/IP permette la comunicazione attraverso rete ethernet) e saranno monitorati da un sistema di supervisione (Fig. 1.52). La comunicazione con gli azionamenti dell AGV e del deposito temporaneo avverrà attraverso un bus CANopen. 32

41 Fig Schema rappresentante la comunicazione tra i dispositivi 1.5 Conclusioni In questo primo capitolo sono stati descritti tutti gli aspetti che riguardano la realizzazione delle infrastrutture e dei sistemi necessari per poter realizzare completamente il progetto SPES. A partire dai concetti di fisica nucleare applicati a questo progetto, si è giunti alla descrizione di come è possibile sfruttare le basi teoriche per realizzare studi dedicati alla produzione di fasci esotici. Grande importanza è dedicata alla camera target che risulta essere fondamentale sia dal punto di vista fisico, relativamente a come deve essere definita strutturalmente, sia dal punto di vista meccatronico, che diventa un aspetto assolutamente necessario per poter amministrare in modo adeguato l intero processo di gestione della camera stessa. I sistemi di movimentazione descritti sono infatti realizzati grazie ad un attenta progettazione che si basa su dettagli meccanici, elettronici e controllistici. Nei capitoli successivi sarà descritto con maggiore dettaglio il sistema di gestione della camera target sulla tavola d ammaraggio che è attualmente in fase di pieno sviluppo nei Laboratori Nazionali di Legnaro ed è l aspetto principale di questo lavoro di tesi. 33

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43 Capitolo 2 Il banco di prova della tavola di ammaraggio 2.1 Introduzione Durante la fase di progettazione di un nuovo dispositivo sono previsti vari stadi di studio, di progetto, di realizzazione e di test. All interno di SPES sono presenti molti sistemi che necessitano di un attenta progettazione e che mettono in luce ad ogni stadio evolutivo problemi o imperfezioni che devono essere corretti, in modo da poter giungere ad una versione definitiva completamente affidabile. Per questo motivo si realizzano dei dispositivi di test (muletti) che permettono di riprodurre completamente la parte di apparecchiatura in fase di aggiornamento, così da poter verificare che tutto sia funzionante e correttamente realizzato, in modo da poter poi sostituire il precedente stadio evolutivo. Attualmente si sta procedendo con la realizzazione di un evoluzione della parte relativa alla tavola di ammaraggio (illustrata al paragrafo 1.4.1). In questo capitolo si descriverà la struttura meccanica del muletto realizzato ai LNL, che sarà un dispositivo completamente indipendente dal front end e aggiornato con il nuovo sistema di movimentazione, mettendo in risalto tutti i componenti e tutte le operazioni che sarà necessario svolgere per renderlo funzionante. 2.2 La struttura meccanica del banco di prova Per ovviare al problema del sistema di movimentazione con cilindri pneumatici, è stato progettato un nuovo meccanismo che permette di ottenere i movimenti lineari attraverso un dispositivo dotato di vite trapezia con chiocciola. Le viti trapezie consentono di eseguire spostamenti molto più precisi, permettono di aumentare la forza lineare di spinta amplificando la coppia rotativa erogata dagli attuatori e quando l attuatore è spento consentono alla chiocciola di mantenere la posizione raggiunta. In Fig. 2.1 è illustrato il muletto di test costruito ai LNL relativo all ultimo stadio evolutivo della tavola di ammaraggio, evidenziando dove andrà posizionato al termine dello sviluppo, in sostituzione alla vecchia versione attualmente presente sul front end offline (Fig. 2.2). Il sistema completo deve garantire la durata prevista di 7 anni; risulta necessario dimensionare le parti meccaniche in modo da supportare con un abbondante margine di sicurezza il numero di cicli di lavoro previsti. Complessivamente si calcolano 13 operazioni all anno (una ogni 28 giorni) per 7 anni, quindi 91 cicli di accoppiamento e disaccoppiamento della camera. Le condizioni di lavoro sono molto gravose, dato che sulla tavola di ammaraggio si è posizionati nel posto più vicino alla camera target quindi bisogna considerare la presenza di radiazioni intense. Il problema maggiore è dato dalle radiazioni in quanto esse danneggiano in modo irreparabile e repentino moltissimi materiali di uso comune; in particolare polimeri, fluidi lubrificanti, colle, materiali isolanti. Il limite imposto alla tipologia dei materiali utilizzabili, vincola in modo notevole moltissimi componenti utilizzati normalmente nella progettazione meccanica. È bene fare uso il più possibile di alluminio, in quanto è un materiale con basso peso atomico, quindi si attiva in modo minore rispetto ad altre tipologie (ad esempio acciaio), permettendo di abbattere i costi in fase di smaltimento. 35

44 Fig Prototipo del muletto di test Fig. 2.2 Front end offline La parte meccanica già realizzata, prevede due sistemi uguali per l apertura e la chiusura delle valvole VAT dei canali protonico e radioattivo composti da (Fig. 2.3): - un telaio portante utile anche da guida meccanica; - una navetta con cuscinetti lineari a secco che permettono di farla scorrere sulle guide, dotata di perno utile ad agganciare le valvole; - la vite trapezia; - il giunto di connessione vite-motore; - il motore pneumatico. Motore pneumatico Giunto Telaio Vite trapezia Guide - Telaio Cuscinetti Navetta Perno Fig. 2.3 Spaccato del sistema di apertura delle valvole VAT 36

45 Questo sistema dovrebbe consentire un funzionamento privo di lubrificazione, dato che in 7 anni di utilizzo il numero di movimentazioni da svolgere non è molto elevato. In tal modo si evitano tutti i problemi di usura e smaltimento del lubrificante, presenti nel sistema precedente. Per il movimento della flangia di collegamento del canale protonico, è necessaria una piccola traslazione orizzontale, consentita da un sistema di guide e cuscinetti simile a quello utilizzato per l apertura delle valvole VAT (Fig. 2.4). Fig. 2.4 Sistema di movimentazione del canale protonico Il movimento di traslazione della camera target deve consentire di poter spingere o tirare la camera, permettendo poi di poterla rimuovere dalla tavola di ammaraggio senza impedimenti. È stato realizzato un manico che agisce sotto la camera, facendo forza su due sporgenze appositamente realizzate, di dimensioni tali da garantire un appoggio utile a spingere o tirare la camera senza provocare impuntamenti (Fig. 2.5). Manico Vite trapezia Guide - Telaio Cuscinetti Fig. 2.5 Sistema di movimentazione della slitta (con sezione) In questa particolare movimentazione è necessario allontanare il motore pneumatico dalla vite perché altrimenti sarebbe troppo vicino alla camera target e subirebbe troppe emissioni radioattive. La posizione più lontana è risultata essere a fianco del canale protonico, nella parte inferiore della tavola d ammaraggio. In questo modo risultano però ortogonali l asse del motore e quello della vite trapezia. Per trasmettere il moto si 37

46 è scelto di evitare qualsiasi organo meccanico che necessiti di lubrificazione, optando per una soluzione che prevede l utilizzo di giunti elicoidali (Fig. 2.6). Questa tecnica permette di supportare la coppia erogata dal motore e di collegare due assi tra loro ortogonali (Fig. 2.7). Tutta la struttura meccanica fin qui descritta è stata realizzata sul muletto di test al fine di poterla testare e ottimizzare prima di doverla applicare definitivamente al front end offline. A bordo del muletto sono anche presenti una serie di meccanismi che permettono di portare la trasmissione del moto alle viti trapezie attraverso degli alberi e dei giunti elicoidali, agendo dalla parte frontale del muletto stesso. Questa soluzione è necessaria al fine di permettere una soluzione alternativa ai motori a bordo del front end in caso di un eventuale rottura, consentendo di mettere in rotazione le 4 viti con dei motori elettrici installati sull AGV. Questo sistema è attualmente in fase di studio e progettazione ai LNL. Motore pneumatico Giunto elicoidale Fig. 2.6 Giunto elicoidale Fig. 2.7 Vista posteriore della tavola d ammaraggio 2.3 Il nuovo sistema di azionamento pneumatico Per poter mettere in rotazione le viti trapezie si è deciso di utilizzare dei motori pneumatici. Con questa soluzione è possibile mantenere il sistema ad aria, con tutti i vantaggi relativi all assenza di componenti elettronici, e ottenere una forza sufficiente a portare a termine le movimentazioni. I motori disponibili sono realizzati dalla ditta Fiam e costruiti con materiali radiation hardness grazie ad una collaborazione progettuale con i LNL. Al fine di rendere operativo il banco di prova, il mio compito è stato quello di scegliere che tipologia di elettrovalvole utilizzare, come applicarle al sistema e come installare dei sensori di finecorsa da applicare sul muletto, in modo da emulare i finecorsa che saranno presenti sul front end Condizioni di lavoro All interno di questo paragrafo saranno analizzati i requisiti imposti dalla meccanica del sistema per portare a termine nel modo corretto le movimentazioni. Sarà poi compito del sistema di controllo soddisfare queste specifiche di lavoro e garantire la corretta esecuzione. Per tutte le 4 movimentazioni sarà necessario vincere le forze di attrito presenti tra vite e chiocciola e tra guide e cuscinetti, considerando che si proverà ad azionare il tutto senza lubrificazione. Questo perché all interno del bunker sarà bene evitare lubrificanti oleosi e date le relativamente poche movimentazioni richieste nei 7 anni di vita, si dovrebbe comunque riuscire ad operare senza problemi. È in fase di studio una soluzione per lubrificare le viti compatibile con l ambiente di lavoro, ma si preferisce testare il tutto nella condizione più gravosa. Le movimentazioni non richiedono alte velocità o particolari prestazioni; quindi sono state scelte viti con un diametro sufficiente a garantire un elevata affidabilità. Le viti trapezie sono ricavate da barre filettate in acciaio trafilato e hanno tutte un passo di 4 mm; quella adibita alla movimentazione della slitta è di diametro pari a 20 mm, le altre di diametro pari a 16 mm. Le chiocciole sono di tipo flangiato in bronzo. Per tutte le viti è possibile ritenere trascurabile il carico assiale dato 38

47 che tutti gli organi movimentati sono sorretti dai telai di supporto, quindi si ottiene una resistenza dovuta allo sfregamento delle creste della vite sulla chiocciola che risulta trascurabile data la coppia elevata che possono erogare i motori. Valvole VAT. Le due valvole VAT a tenuta stagna presentano lo stesso modo di lavorare: hanno una corsa lineare che permette di portare la valvola da una condizione di chiusura ad una di completa apertura, definendo così le due condizioni operative previste. Quando la camera sarà inserita nel front end, pronta a ricevere il fascio, le due valvole saranno completamente aperte (Fig. 2.8), invece, mentre si deposita la camera sul front end e quando sarà il momento di rimuoverla per collocarla nel sarcofago, le due valvole saranno completamente chiuse (Fig. 2.9). La difficoltà maggiore di questa operazione è dovuta all istante precedente alla chiusura della valvola, dato che è presente una discontinuità nella spinta necessaria, causata dall incastro della valvola nella sua sede di chiusura. Infatti il meccanismo interno permette di bloccarla meccanicamente una volta chiusa, così da evitare eventuali aperture indesiderate. La corsa lineare è di 100 mm; dato il passo di 4 mm della vite trapezia risultano necessarie circa 25 rotazioni da parte dell albero motore per portare a termine un operazione di apertura o chiusura. La coppia necessaria per svolgere l operazione di chiusura è stata misurata direttamente sulla vite trapezia ricavando un valore pari a circa 2 Nm, ed è l unico dato che impone la coppia che il motore deve riuscire ad erogare. Fig Valvola canale protonico aperta Fig. 2.9 Valvola canale protonico chiusa Canale protonico. Lo spostamento relativo alla flangia del canale protonico non richiede particolari attenzioni dato che presenta una corsa molto limitata, circa 45 mm, e il motore deve vincere le sole forze dovute agli attriti meccanici della vite e delle guide. Il passo delle viti (4 mm) impone circa 11 rotazioni per compiere un operazione di collegamento o scollegamento dalla camera (Fig e Fig. 2.11). Slitta. La slitta su cui viene fatta scorrere la camera ha la particolarità di dover garantire un inserimento perfetto della flangia del canale radioattivo. Per fare ciò è necessaria una forza molto elevata, di breve durata, quando la flangia della camera va in battuta nella propria sede del front end (Fig. 2.12). Così facendo si può essere certi che la camera è correttamente inserita. Bisogna identificare quanta coppia si può erogare evitando danni ai meccanismi utilizzati per trasmettere il moto. Il vincolo in questo caso è imposto dal giunto elicoidale, che da specifiche del produttore consente di supportare istantaneamente una coppia di 15 Nm. La 39

48 movimentazione sarà quindi svolta facendo appoggiare la flangia nella propria sede e mantenendo il motore in spinta per qualche decimo di secondo, erogando una coppia inferiore al limite imposto dal giunto. Fig Canale protonico scollegato Fig Canale protonico collegato La corsa completa della maniglia che spinge la camera è di circa 220 mm, ma in questa movimentazione, quando si è in fase di disaccoppiamento, è prevista la possibilità di interrompere prima la corsa, al fine di raggiungere la posizione corretta per consentire il prelievo, che può variare in base al tipo di macchina utilizzata per rimuovere la camera (Fig. 2.13). Per compiere la corsa completa risulta necessario un numero pari a circa 55 giri. Fig Camera con flangia in battuta Fig Camera in posizione di deposito/prelievo I motori rotativi pneumatici I motori pneumatici sono degli attuatori meccanici che consentono di mettere in rotazione l albero motore utilizzando la forza generata dall aria compressa. Il vantaggio principale di questi dispositivi è quello di ottenere una coppia molto elevata in relazione alla compattezza realizzativa (Fig. 2.14). Dato che sono dispositivi completamente meccanici e realizzati con materiali compatibili con ambienti radioattivi, risultano adatti all installazione sul front end, consentendo inoltre un agevole collocamento dato il poco volume occupato e permettendo di fornire una coppia elevata senza l utilizzo di riduttori. Sono dispositivi molto robusti e non subiscono l influenza dovuta a variazioni di calore o di umidità. Lo svantaggio principale dei motori 40

49 pneumatici è dovuto alla difficoltà di controllo, che a differenza dei motori elettrici, non può essere così preciso data l assenza di dispositivi elettronici; inoltre hanno un costo che è dalle 2 alle 4 volte maggiore rispetto ad un elettrico equivalente. Risultano comunque sufficientemente reattivi quando viene avviato o interrotto il flusso d aria. Nel muletto sarà poi compito del controllo realizzare una strategia operativa tale da ottenere dei posizionamenti il più precisi possibile. I motori pneumatici utilizzati sono di tipo volumetrico a palette. La loro struttura è illustrata in Fig Il componente principale è un rotore scanalato che ruota in modo eccentrico in una camera formata da un cilindro e da due fondelli terminali. Poiché il rotore è fuori centro e il suo diametro esterno è inferiore a quello del cilindro, risulta definita nella geometria una camera a mezza luna. Gli alloggiamenti hanno al loro interno le palette che si muovono liberamente, dividendo la camera a mezza luna in due parti separate di differenti dimensioni. Durante la rotazione, la forza centrifuga aiutata dall aria compressa, spinge le palette contro la parete del cilindro, mantenendo le varie camere stagne fra loro. La reale efficienza di queste tenute viene denominata perdita interna. Fig Motore pneumatico 1. Fondello anteriore 2. Rotore 3. Lamella 4. Cilindro 5. Fondello posteriore Fig Struttura del motore pneumatico a palette 41

50 Il funzionamento descritto di seguito è illustrato in (Fig. 2.16). A. L aria entra all interno della camera a. La camera b, quella fra la seconda e la terza paletta, è chiusa stagna dalla seconda paletta. La pressione interna alla camera b è ancora uguale alla pressione d ingresso dell aria. Questa pressione agisce sulla terza paletta facendo muovere il motore in senso orario. B. Le palette hanno iniziato la loro rotazione nel cilindro, nella camera b avviene un processo di espansione. La pressione interna inizia ora a ridursi, ma la forza espressa è ancora in grado di muovere il rotore sino a che l area sulla terza paletta risulta più ampia di quella della seconda paletta nella camera b. Inoltre la pressione interna agisce su due palette all interno della camera a. C. Le palette hanno ruotato completamente. La camera b ora è completamente vuota e non è più in grado di contribuire alla trasmissione della potenza del motore. La forza che muove il rotore ora arriva dalla spinta sulle prime due palette. Grazie a questo semplice principio l energia trasmessa dall aria compressa viene convertita in movimento di rotazione da camera a camera così da permettere la rotazione del motore stesso. Fig Funzionamento motore pneumatico Il principio descritto permette ad un motore una rotazione destra e riguarda motori dotati di 2 collegamenti per l aria: l alimentazione e lo scarico. Nel caso dell applicazione sul muletto si utilizzano motori di tipo reversibile, che presentano 3 collegamenti per l aria e godono dello stesso principio di funzionamento dei non reversibili (Fig. 2.17). Devono però essere costruiti in modo speculare. In un motore reversibile, durante la rotazione destrorsa, la porta a è l ingresso dell aria per la rotazione destra, la porta c è lo scarico principale dell aria, la porta b lo scarico secondario. Durante la rotazione sinistrorsa, la porta b diventa l ingresso e la porta a lo scarico secondario. La porta c rimane sempre lo scarico principale dell aria. 42 Fig Funzionamento motore reversibile

51 Nella fase di avviamento e a basse velocità, parte dell aria compressa fluisce sotto le palette, premendole contro la superficie interna del cilindro, creando così delle camere di lavoro stagne. Durante la rotazione, la forza centrifuga aiutata dall aria compressa, spinge le palette contro la parete del cilindro. A velocità superiori, tuttavia, la pressione esercitata contro la superficie del cilindro non deve essere così elevata, per evitare un usura eccessiva delle parti a contatto. Nei motori ad alta velocità, i rotori sono normalmente più lunghi e snelli ed equipaggiati di tre o quattro palette, in modo da ottenere una forza centrifuga più blanda, evitando così un incremento della dispersione in attrito tra le superfici a contatto. In Fig sono indicate le curve caratteristiche di coppia, potenza e consumo d aria di un motore pneumatico. Una particolarità dei motori ad aria è che possono lavorare lungo tutta la curva caratteristica della coppia, dalla velocità a vuoto fino all arresto, senza subire alcun danno. La potenza prodotta è data dal prodotto della coppia per la velocità: dove: - P è la potenza [W]; - M è la coppia [Nm]; - n, è il numero di giri [giri/min]. P = (π M n) 30 Fig Curve caratteristiche dei motori ad aria I motori ad aria producono una curva di potenza caratteristica che presenta il valore massimo (coppia alla massima potenza) a circa il 50 % della velocità a vuoto. Il punto di lavoro del motore sarà frutto della combinazione tra la coppia richiesta e la velocità operativa; nel caso in esame non è specificata una velocità di lavoro, ma è sufficiente erogare la coppia necessaria per portare a termine le movimentazioni. Il consumo di aria è proporzionale alla velocità del motore e perciò è massimo alla velocità a vuoto. È misurato in Nl/s (normal litro al secondo): non è il volume effettivo che l aria compressa occupa nel motore, ma è il volume che occuperebbe se fosse espansa alla pressione atmosferica, come viene considerato normalmente in tutte le attrezzature pneumatiche. Anche in condizione di stallo (alla massima pressione applicata) il motore consuma aria. Questo è dovuto dalla presenza di piccole perdite interne tra i vari componenti. Normalmente tutti i motori pneumatici a palette producono una coppia di spunto variabile dovuta alla posizione delle palette nel motore quando si avvia la rotazione. Il valore della coppia di spunto minima (Fig. 2.19) può essere considerato come un valore garantito all avvio. La variazione differisce tra tipi di motori e deve essere controllata su base individuale. E da notare che la variazione di coppia è maggiore nei motori reversibili rispetto a quelli nonreversibili, quindi la coppia di spunto minima risulta essere inferiore per i motori reversibili. Quando il motore sta ruotando e viene frenato fino al blocco del rotore, la coppia erogata è definita coppia di stallo. Non è presente tra i dati caratteristici del motore, comunque può essere determinata in modo 43

52 approssimato moltiplicando la coppia di potenza massima per due. Ha la caratteristica di variare a seconda di quanto rapidamente il motore viene frenato (Fig. 2.20): un arresto brusco produce una maggiore coppia di stallo rispetto ad un arresto morbido. Questo dipende dal fatto che la massa (momento di inerzia) del rotore aumenta la coppia prodotta. Fig Coppia di spunto Per regolare la curva di coppia di un motore è sufficiente agire sulla regolazione della pressione in ingresso, diminuendo la pressione la curva trasla verso il basso ruotando leggermente, comportando una maggiore riduzione di coppia quando si è in una condizione di stallo, piuttosto che ad alte velocità (Fig. 2.21). La velocità massima raggiungibile rimane pressoché uguale. Per regolare la coppia di stallo si utilizza infatti un regolatore di pressione. Fig Differenza di coppia erogata in base al tipo di arresto L ampio campo operativo offerto da un motore pneumatico, permette di scegliere motori diversi per una stessa applicazione. In funzione di dove si trova il punto di lavoro sulla curva della coppia/velocità, si ottengono prestazioni differenti. Poiché è più efficiente far funzionare il motore alla velocità in corrispondenza della potenza massima, è consigliabile selezionare l opzione che permette di avvicinare maggiormente questa condizione, che consente inoltre di ottenere il minimo consumo di aria. È sempre bene evitare di lavorare al di sotto della potenza massima, dato che se dovesse verificarsi un improvviso aumento del carico si rischierebbe di raggiungere una condizione di stallo. 44

53 P Fig Curva di coppia al variare della pressione Nel caso del banco di prova per la tavola di ammaraggio, presso i LNL erano a disposizione i modelli reversibili elencati in Tab I dati sono ricavati da catalogo Fiam, la coppia di stallo è stata stimata raddoppiando il valore della coppia a potenza massima. Si deve precisare che tutti i dati a catalogo sono riferiti ad una pressione di alimentazione pari a 6,3 bar (ISO 2787). In caso di applicazioni a diverse pressioni è necessario applicare un coefficiente moltiplicativo al fine di ottenere i valori corretti. Modello Potenza Velocità [P max] Coppia [P max] Coppia di spunto Coppia di stallo Velocità a vuoto Consumo aria [P max] Curva caratteristica Watt giri/min Nm Nm Nm giri/min Nl/s 20M58R-D Fig M58R-D Fig M70R-D ,2 8 12, ,8 Fig M40R-D ,8 Fig Tab. 2.1 Motori disponibili presso i LNL Fig Curve caratteristiche 20M58R Fig Curve caratteristiche 28M70R 45

54 Fig Curve caratteristiche 28M40R Essendo reversibili presentano 3 connessioni (da 1/8 ) che dovranno essere collegate alla fonte di alimentazione d aria (2 connessioni di alimentazione) e ad un eventuale raccordo di scarico (connessione di scarico principale). Per scegliere come distribuire i 4 motori è stata data priorità maggiore all operazione più gravosa e delicata: quella dedicata alla movimentazione della slitta, che necessita di una forte coppia di spunto quando si deve estrarre la camera dal front end a causa degli attriti provocati da tutti i connettori presenti. Dei 4 motori, il modello 28M40R presenta i valori di coppia più elevati, di conseguenza è stato assegnato a questo compito. I due motori uguali (modello 20M58R) sono stati applicati alla movimentazione delle valvole VAT, mentre il terzo modello (28M70R) è applicato alla vite che movimenta la flangia del canale protonico. È bene considerare che i motori pneumatici erano già a disposizione dei LNL prima che la progettazione meccanica fosse completamente definita; quando tutte le operazioni di test saranno concluse e sarà approvato il progetto in forma definitiva, allora si valuterà nel dettaglio che modello di motore applicare ad ogni movimentazione tra tutte le opzioni presenti nel catalogo Fiam. Per evitare i forti rumori provocati durante il funzionamento è possibile collegare lo scarico d aria comune a dei filtri silenziatori. In Fig è illustrato uno schema tipico per il collegamento di un motore pneumatico reversibile. In Fig è rappresentata la disposizione dei 4 motori sulla tavola di ammaraggio, si può notare quanto compatti siano, considerando anche la coppia che permettono di erogare. In Fig un dettaglio delle connessioni di un motore dotato di filtro silenziatore. Fig Schema tipico per collegare un motore pneumatico reversibile 46

55 Valvola canale protonico 20M58R Valvola canale radioattivo 20M58R Flangia canale protonico 28M70R Slitta 28M40R Fig Vista posteriore della tavola di ammaraggio Elettrovalvole e sensoristica Fig Connessioni motore pneumatico Per alimentare i motori pneumatici reversibili è necessario avere la possibilità di fornire la corretta quantità di aria (come portata e pressione) e di poter applicare i 3 stati operativi ad ogni motore: - stop (motore fermo); - marcia avanti (rotazione in senso orario); - marcia indietro (rotazione in senso antiorario). Per rendere attuabile questa soluzione si utilizzano delle elettrovalvole che saranno a loro volta pilotate dal sistema di controllo. Le elettrovalvole sono, da un punto di vista funzionale, delle valvole distributrici il cui azionamento avviene elettricamente; diventa così di particolare importanza l elettromagnete (o bobina) realizzato mediante un solenoide in filo di rame isolato, avvolto su di un nucleo di materiale non magnetico (amagnetico). Quando la bobina è in tensione si provoca lo spostamento di uno stantuffo interno all elettrovalvola che consente il passaggio d aria al fine di spostare l otturatore e consentire o impedire il passaggio d aria tra due connessioni pneumatiche. Le elettrovalvole di tipo monostabile presentano una posizione di lavoro che viene raggiunta, in assenza di comandi elettrici, grazie al posizionamento dell otturatore garantito da una molla meccanica interna; quelle di tipo bistabile invece, in assenza di comando elettrico, mantengono l ultima posizione di lavoro raggiunta. Per classificare le elettrovalvole si considerano le vie e le posizioni: una valvola con v vie e n posizioni è indicata come valvola v/n. Schematicamente si indicano le posizioni con delle caselle che 47

56 contengono: i flussi d aria, le connessioni (numerate) e la tipologia di azionamento applicata ad ogni posizione. Ad esempio una valvola 3/2 è composta da 3 vie e 2 posizioni (Fig. 2.28). Fig Schema di funzionamento valvola 3/2 La soluzione attualmente impiegata nel front end offline, quella con cilindri pneumatici, non necessita di una portata d aria elevata, ma richiede solamente, per ogni cilindro, la possibilità di gestire l immissione d aria in base alla posizione di lavoro richiesta. Prevede l utilizzo di una cascata di elettrovalvole 3/2 o 5/2 con un elettrovalvola principale e le altre dipendenti l una dall altra, come riassunto nello schema di Fig Fig Controllo elettrovalvole sistema precedente Con la nuova soluzione, anche se non è strettamente necessario raggiungere grandi velocità, è bene garantire una portata d aria tale da consentire ai motori di concludere le movimentazioni in un tempo breve, così da ottenere un elevata velocità di intervento in caso di eventuali situazioni di emergenza. I motori lavorano in modo sequenziale, mai contemporaneamente, quindi la portata complessiva sarà definita dal motore caratterizzato dal maggior consumo d aria. Dato che non lavoreranno mai a vuoto, non si valuta il consumo d aria massimo, ma quello alla potenza massima, aumentato di un coefficiente di sicurezza. Nel nostro caso risulta un consumo d aria da parte dei modelli 28M pari a 5,8 Nl/s (384 Nl/min). Il margine di sicurezza che si è ritenuto opportuno applicare è di 1,5 volte la portata d aria del motore, quindi è richiesta all elettrovalvola una portata pari a circa 576 Nl/min.

57 Per realizzare un sistema di elettrovalvole il più semplice e compatto possibile, è opportuno applicare ad ogni motore una sola elettrovalvola, indipendente dalle altre, che possa garantire i 3 stati operativi nel modo più efficace. Questo risultato è ottenibile utilizzando elettrovalvole 5/3 o 3/2+3/2. Le due opzioni sono molto simili e sono caratterizzate da 3 stati di lavoro, associabili ai 3 stati dei motori; sono monostabili dato che si portano meccanicamente nella posizione di riposo in caso di assenza di comando elettrico e presentano due bobine (doppio impulso), così da poter alimentare il motore con due stati differenti in base al comando elettrico inviato (marcia avanti o marcia indietro). La posizione di riposo presenta 3 opzioni sia per le valvole 5/3 che per le 3/2+3/2. Nel primo caso si può scegliere tra centri aperti, centri chiusi e centri in pressione (Fig. 2.30); nel secondo tra normalmente chiuso normalmente chiuso (NC-NC), normalmente chiuso normalmente aperto (NC-NO), normalmente aperto normalmente aperto (NO-NO) (Fig. 2.31). a) centri aperti b) centri chiusi c) centri in pressione Fig Elettrovalvole 5/3 a) NC-NC b) NC-NO c) NO-NO Fig Elettrovalvole 3/2+3/2 Per ottenere un corretto funzionamento dei motori pneumatici è necessario bloccare l alimentazione d aria quando si è in assenza di comando alle bobine (condizione di stop), quindi risultano opportune o elettrovalvole 5/3 centri chiusi o 3/2+3/2 NC-NC. Queste tipologie consentono di portare meccanicamente la valvola in posizione centrale quando le bobine sono a riposo. Sono state acquistate elettrovalvole 3/2+3/2 NC-NC prodotte dall azienda Univer (modello G-6655) che consentono una portata d aria pari a 670 Nl/min e sono dotate di bobine funzionanti ad una tensione elettrica di 230 V AC (Fig. 2.32). Fig Elettrovalvola G

58 Queste elettrovalvole supportano una pressione di lavoro che va da 1,5 a 9 bar, le connessioni sono da 1/8, come per i motori, il corpo valvola è di zama, le guarnizioni in gomma nitrilica e la spola d alluminio. Le 3 posizioni di lavoro (Fig. 2.33) vengono associate ai 3 stati operativi del motore, come riassunto nell elenco seguente. Fig Schema elettrovalvola G Bobine non alimentate - Stop: i meccanismi interni all elettrovalvola impediscono all alimentazione d aria (1) di proseguire verso le uscite (2 o 4) quando le bobine non sono in tensione. - Bobina 12 azionata Marcia avanti: l aria è libera di percorrere l elettrovalvola entrando dall ingresso (1) e raggiungendo l uscita (4) quando una bobina è in tensione. - Bobina 14 azionata Marcia indietro: l aria è libera di percorrere l elettrovalvola entrando dall ingresso (1) e raggiungendo l uscita (2) quando l altra bobina è in tensione. Per alimentare le elettrovalvole si è ritenuto vantaggioso utilizzare un apposita sottobase comune con 4 alloggiamenti che permette di ottenere una soluzione molto compatta e di avere una sola connessione per l alimentazione d aria: è stato così possibile applicare il banco di elettrovalvole (Fig. 2.34) a lato del muletto in previsione di rendere più agevoli i collegamenti con i motori pneumatici (2 tubazioni per ogni motore). Comando motori orario Comando motori antiorario Bobine Scarico del prepilotaggio Scarico comune Ingresso comune Scarico comune 50 Fig Elettrovalvole su sottobase comune