PROGRAMMA DI RICERCA

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1 ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE Codice Esperimento Gruppo Rapp. Naz.: Vincenzo Palmieri Rappresentante nazionale: Vincenzo Palmieri Struttura di appartenenza: LNL Posizione nell'i.n.f.n.: PROGRAMMA DI RICERCA Linea di ricerca Laboratorio ove si raccolgono i dati A) INFORMAZIONI GENERALI Problema della pulizia della torre dell'esperimento di gruppo II CUORE; studio dei processi chimici ed elettrochimici per le cavità acceleratrici superconduttive e trasfer tecnologico all'industria LNL, MI, LNGS Sigla dello esperimento assegnata dal laboratorio Acceleratore usato Fascio (sigla e caratteristiche) Processo fisico studiato Apparato strumentale utilizzato Sezioni partecipanti all'esperimento Trattamenti di superficie di componenti meccanici e studio dei trattamenti di plasma cleaning a ion beam cleaning Sistema per deposizione di film sottili, impiantistica da ultra alto vuoto, ion guns, camere da sputtering, impianto chimico, depurazione LNL Istituzioni esterne all'ente partecipante Durata esperimento 2 anni PERIODO Giugno 2005 Dicembre 2005 Giugno 2006 Dicembre 2006 B) SCALA DEI TEMPI : piano di svolgimento ATTIVITA' PREVISTA Completamento infrastruttura di plasma e ion beam cleaning Caratterizzazione completa con gas di trasporto argon; trasferimento industriale del know how acquisito Caratterizzazione di plasmi con gas di tasporto reattivi e ion beam cleaning con ioni rame e ossigeno Conclusione esperimento con definizione delle migliori procedure operative per la pulizia di rame e ossido di tellurio; trasferimento industriale del know how acquisito Mod EN. 1 (a cura del responsabile nazionale)

2 ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE Struttura LNL Codice Esperimento Gruppo Resp. loc.: Vincenzo Palmieri VOCI DI SPESA PREVENTIVO LOCALE DI SPESA PER L'ANNO 2005 DESCRIZIONE DELLA SPESA Contatti con ditte esterne e con il gruppo di Milano (prof. E. Fiorini) per il trattamento al plasma ed ion cleaning IMPORTI Parziali Totale Compet. SJ di cui SJ 4,0 4,0 In KEuro A cura della Comm.ne Scientifica Nazionale Una conferenza Contatti con il CERN (gruppo prof. C. Benvenuti) Contatti con Jefferson Lab. (gruppo dr. L. Phillips) 2,0 2,0 2,0 6,0 Materiali chimici e modifiche Contributo smaltimento Caratterizzazione ICPMS Materiali buratto non radioattivi 10,0 1,0 20,0 6,0 37,0 Consorzio Ore CPU Spazio Disco Cassette Altro Alimentatore ion gun 16,0 16,0 Lavorazioni meccaniche Coils plasma cleaning Centralina regolazione pressione 30,0 3,0 6,0 39,0 Sono previsti interventi e/o impiantistica che ricadono sotto la disciplina della legge Merloni? Breve descrizione dell'intervento: Mod EC./EN. 2 Totale di cui SJ 102,0 0,0 (a cura del responsabile locale)

3 ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE Struttura LNL Codice Esperimento Gruppo Resp. loc.: Vincenzo Palmieri ALLEGATO MODELLO EC2 Mod EC./EN. 2a Pagina 1 (a cura del responsabile locale)

4 ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE Struttura LNL Codice Esperimento Gruppo Resp. loc.: Vincenzo Palmieri ALLEGATO MODELLO EC2 Mod EC./EN. 2a Pagina 2 (a cura del responsabile locale)

5 ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE Codice Esperimento Gruppo Rapp. Naz.: Vincenzo Palmieri PREVENTIVO GLOBALE DI SPESA PER L'ANNO 2005 Struttura Missioni interne Missioni estere Materiale di consumo A CARICO DELL' I.N.F.N. Trasporti e facchinaggi Spese di calcolo Affitti e manutenz. Materiale inventariabile Costruzione apparati In KEuro TOTALE Compet. A carico di altri Enti LNL SJ SJ SJ SJ SJ SJ SJ SJ SJ 4,0 6,0 37,0 16,0 39,0 102,0 0,0 TOTALI 4,0 6,0 37,0 16,0 39,0 102,0 NB. La colonna A carico di altri enti deve essere compilata obbligatoriamente Mod EC./EN. 4 (a cura del responsabile nazionale)

6 ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE Nuovo esperimento Gruppo PROPOSTA DI NUOVO ESPERIMENTO Mod EN. 5 Pagina 1 di 2 (a cura del rappresentante nazionale)

7 ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE Nuovo esperimento Gruppo PROPOSTA DI NUOVO ESPERIMENTO Mod EN. 5 Pagina 2 di 2 (a cura del rappresentante nazionale)

8 Oggetto: Richiesta collaborazione Da: "Marco Cesarotto" Data: Mon, 12 Jul :23: A: "Palmieri Enzo" Caro Professor Palmieri, da una ricerca fatta nel campo dell' elettropulitura del Titanio per applicazioni di implantologia dentale, abbiamo trovato il suo articolo sulla ricerca automatica via software del punto di lavoro in bagni di elettropulitura. La nostra Azienda e' leader nel settore avendo gia' conquistato il 35% dell'indotto nazionale per numero di pezzi venduti e Le comunico a riguardo che la restante fetta di mercato e' in mano a multinazionali straniere. In questo contesto credo che un'eventuale sinergia fra le vostre competenze ed il nostro reparto produttivo possa essere di reciproco vantaggio. Le chiediamo pertanto se il Vostro Istituto può eseguire delle lavorazioni di prova su alcuni dei nostri particolari per verificare la fattibilità dell'applicazione dei Vs studi ai ns prodotti, in previsione di eventuale acquisto da parte nostra di un impianto per elettrolucidatura del titanio e dell' acciaio inossidabile. Vi ricontatteremo i primi gg della prossima settimana per concordare l'incontro in occasione del quale Vi daremo i campioni e le specifiche tecniche da noi richieste per permettervi di formulare un'offerta. Ringraziandola fin d'ora della disponibilita', invio cordiali saluti SWEDEN & MARTINA S.p.A. Dott. Marco Cesarotto Div. Sistemi Implantologici Tel Fax Web

9 ESPERIMENTO BILE L Esperimento BILE relativo ai Trattamenti di Superficie è connesso all Esp. di Gruppo II CUORE e contemporaneamente rappresenta l esperimento di Gruppo V su cui si appoggia il Master INFN-UniPD sui Trattamenti di Superficie Applicati a tecnologie Meccaniche innovative per l Industria. L Esp. BILE ha un duplice target: Sviluppare l R&D necessario per i trattamenti di Ultracleaning della componentistica in Rame ed Ossido di Tellurio per il rivelatore CUORE, sfruttando il know-how acquisito per le cavità superconduttrici. Sviluppare la collaborazione Industriale, trasferendo il trovato all Industria. La foto che più esprime il livello spinto di finitura raggiunto nei trattamenti di superficie sviluppati per le cavità superconduttrici, è forse quella che rappresenta il passaggio di elettropulitura di una cavità superconduttrice per ALPI, che da grezza passa ad una finitura interna speculare dopo l immersione in acidi adeguati. Fig. 1 Esempio di pulizia elettrochimica di superfici per l applicazione in acceleratore di particelle Queste tecnologie di pulizia in nostro possesso hanno dimostrato ulteriore validità per altre applicazioni INFN, quali gli studi sulla fisica del Neutrino, condotti dal prof. Fiorini, che prevedono l istallazione sotto di un complesso rivelatore di particelle ultrapulito sotto la più gigantesca schermatura immaginabile, ovvero sotto una montagna, nella fattispecie il Gransasso. Reiterate interazioni del Gruppo di Milano sia con l Industria straniera che con quella nazionale, però non diedero i risultati di pulizia sperati. Utilizzando bagni commerciali, la contaminazione sulla superficie ai livelli del ppb (parti per miliardo) anziché diminuire addirittura aumentava. Fu quindi proprio l industria nazionale a proporre i trattamenti di superficie sviluppati presso i LNL

10 dell INFN come unica alternativa possibile. In figura 2 è visibile il più piccolo dei rivelatori trattati circa 2 anni fa, dopo la pulizia superficiale normalmente eseguita per le cavità. Fig. 2 Rivelatore prima e dopo il trattamento chimico Allo stesso modo sono stati trattati circa 2000 componenti per l Esperimento CUORICINO, contribuendo all abbassamento a meno di un terzo del fondo di radiazione. La pulizia superficiale eseguita sulle parti di CUORICINO furono però nient altro che una pedissequa applicazione di quanto normalmente funziona per le cavità e non qualcosa di particolarmente ottimizzato per ridurre tracce di Uranio e Torio a frazioni di ppb. Il problema CUORE è molto più complesso, non soltanto per i quasi 5000 pezzi da trattare, ma anche perché è necessario abbassare il fondo di radiazione di due ordini di grandezza e non solo di un terzo. Il goal proposto è particolarmente complesso ed al limite della tecnologia, soprattutto perché ultratracce di Uranio e Torio sono difficilmente rilevabili nelle quantità di nostro interesse. La soluzione proposta quindi nel precedente esperimento BENHUR2 è stata la sperimentazione di tecniche di dry etching, quali ion beam cleaning e/o plasma cleaning applicabili in sequenza ai trattamenti elettrochimici di wet etching. Nell ambito di tale sperimentazione abbiamo quindi disegnato e costruito una macchina in UHV per lo studio sia dell ion beam cleaning che del plasma cleaning visibili nella foto sottostante. È stato anche processato un campione e tramite ICPMS è stata misurata la concentrazione di Torio presente in superficie dopo il Plasma cleaning, comparandolo con la concentrazione di Torio presente dopo semplici trattamenti chimici. In particolare in figura sono rappresentati tre campioni il TC sottoposto a Burattatura ed Attacco Chimico, il TEC, sottoposto a Burattatura, Elettropulitura ed Attacco chimico, ed infine il TECM sottoposto a Burattatura, Elettropulitura, Attacco chimico e Magnetron Plasma Cleaning. Il risultato è che a vari profili di erosione, il Campione soggetto a plasma cleaning mostra un minore livello di contaminazione. Chiaramente i parametri a cui abbiamo fatto il plasma sono stati scelti in maniera del tutto casuale. Nell esperimento BILE quello che si vuol fare è proprio studiare al meglio, secondo la scaletta di milestones riportata nei moduli, una sistematica completa di pulizia al Plasma ed ion beam del Rame e al solo ion beam dell Ossido di Tellurio. Relativamente al Plasma cleaning,

11 si vogliono studiare vari tipi di sconfinamento magnetico, mentre con l ion beam, oltre al variare i vari parametri di scarica, pressione, energia, tensioni di polarizzazione etc, si intende variare anche la specie atomica accelerata, per esempio sul Rame è interessante vedere non soltanto l effetto del Kripton, Argon ed altri gas nobili, ma anche l effetto di ioni Rame direttamente sul Rame. Nel caso dell Ossido di Tellurio invece si vuol guardare, oltre che con Argon, l effetto dell etching di ioni Argon ed Elio. Fig. 1a ed 1b: Disegno al Cad 3D della macchina per plasma cleaning e per ion beam cleaning Fig 2a e 2b, Plasma etching del campione TECM e misura all ICMS dei campioni TC, TEC, TECM Relativamente alla seconda parte dell esperimento, è evidente che le tematiche più avanzate nel trattamento delle superfici sono di diretta applicabilità industriale. In tale direzione l esperimento precedente BENHUR2, si proponeva anche l iniezione della tecnologia high-tech sviluppata per gli acceleratori di particelle a quei settori dell industria nazionale low-tech che sono più sensibili all innovazione di tecnologie. Senza dilungarsi ulteriormente, vale la pena riportare nelle prossime figure quella che forse è più d effetto fra le lavorazioni interessanti per l industria dei perni in titanio per implantologia dentale. La tecnica di pulizia elettrochimica in nostro possesso, bensì ad un perno moncone in titanio, visto nella foto di sinistra dopo la fase di formatura meccanica e nella foto a destra dopo meno di 2 secondi di trattamento. Non solo la finitura mostrata

12 è inottenibile con i normali metodi di sbavatura meccanica, ma inoltre per via elettrochimica è possibile trattare simultaneamente centinaia di pezzi. Fig. 3 Perno per implantologia dentale in Titanio prima (foto di sinistra) e dopo 2 secondi di trattamento elettrochimico (foto di destra) Grazie a questo risultato pubblicizzato presso la Federazione Regionale Industriali Veneti, e e nell ambito della collaborazione istituita con le varie ditte sponsor del Master sui Trattamenti di Superficie Applicati a Tecnologie Meccaniche Innovative per l Industria, di cui l INFN si è quindi proposto come ente organizzatore presso l Università degli studi di Padova, sono state accolte richieste di esecuzione di prove sia dal distretto dell Occhialeria e da quello dell Oreficieria Vicentina, notoriamente in grave crisi di mercato negli ultimi anni a causa della sempre più aggressiva concorrenza turca, indiana e cinese. Sono state eseguite delle prove di fattibilità ed i risultati sono assolutamente brillanti. In figura 4 infatti è visibile un astina per occhiali in alpacca prima e dopo il trattamento elettrolitico Fig. 4 Stanghetta per occhiali prima e dopo il trattamento elettrolitico. La differenza con l attuale trattamento per spazzolatura è una finitura di grado superiore, anche in punti in cui la spazzolatura non è in grado di arrivare, ma soprattutto la velocizzazione del processo di pulizia, in quanto mentre la spazzolatura tratta i pezzi in modo sequenziale, nell elettropulitura è possibile trattare anche un migliaio di pezzi contemporaneamente. Analogamente nel campo dell oreficieria, abbiamo eseguito prove su gioielli 18 carati. In fig. 5 si vede una catena in oro grezza prima e dopo il nostro trattamento.

13 Fig. 5 - Catename in oro 18 K prima e dopo il trattamento di elettropulitura proposto dai LNL La cosa importante è che il trattamento di elettropulitura che i LNL dell INFN proporrebbero consiste in un bagno che non contiene cianuro, sostanza comunemente utilizzato nell industria orafa. La semplicità e l innovazione del trattamento da noi proposto, unitamente al ridotto impatto ambientale eventualmente conseguente dall eliminazione dei Cianuri, ha suscitato grossa attenzione da parte dell industria orafa del distretto vicentino. Le ditte interessate infatti si stanno consorziando al fine di organizzare un eventuale trasferimento delle tecnologie INFN. A tal scopo, stiamo valutando la possibilità di sottoporre all INFN l eventualità di brevettare il trovato. Nell Esperimento BILE, si intende spingere verso l industrializzazione delle tecniche di trattamento superficiale sviluppate finora e verso l applicazione agli stessi manufatti delle tecniche di dry etching sugli stessi manufatti sia per il mercato orafo che per quello dell occhialeria.

14 ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE Codice Esperimento Gruppo Rapp. Naz.: Vincenzo Palmieri ANNI FINANZIARI PREVISIONE DI SPESA Piano finanziario globale di spesa Materiale Missioni Missioni di interne estere consumo 4,0 4,0 6,0 6,0 37,0 45,0 Trasporti e facchinaggi Spese di calcolo Affitti e manutenz. In KEuro Materiale Costruzione TOTALE inventariabile apparati Compet. 16,0 7,0 39,0 25,0 102,0 87,0 TOTALI 8,0 12,0 82,0 0,0 0,0 0,0 23,0 64,0 189,0 Mod EC./EN. 6 (a cura del responsabile nazionale)

15 ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE Struttura LNL Codice Esperimento Gruppo Resp. loc.: Vincenzo Palmieri COMPOSIZIONE DEL GRUPPO DI RICERCA N RICERCATORE Cognome e Nome Qualifica Qualifica Affer. Dipendenti Incarichi TECNOLOGI al Dipendenti % Incarichi N gruppo Cognome e Nome Ass. Ruolo Art. 23 RicercaAssoc. Ruolo Art. 23 Tecnol. BATTISTELLA Andrea Tecn. FAVARON Paolo D.T. RAMPAZZO Vanessa Art.2222 RONCOLATO Carlo I.N.F.M. TOFFANIN Stefano Bors. 1 PALMIERI Vincenzo I Ric % Numero totale dei ricercatori Ricercatori Full Time Equivalent SERVIZI TECNICI Denominazione mesi uomo 1 Serv. Tecn. Mec. Mat. 4.0 Numero totale dei Tecnologi Tecnologi Full Time Equivalent N TECNICI Cognome e Nome Qualifica Dipendenti Incarichi Ruolo Art LOLLO Michele CTer. 2 VAROTTO Marco Art.2222 Numero totale dei Tecnici Tecnici Full Time Equivalent Collab. tecnica Assoc. tecnica % Annotazioni: TOFFANIN Stefano: vincitore di borsa di studio per laureandi All'esperimento BILE verranno associati, nell'ambito convenzione INFN/UNIPD, da un minimo di 5 ad un massimo di 8 studenti del Master in "Trattamenti di superficie applicati a tecnologie meccaniche innovative per l'industria" Osservazioni del direttore della struttura in merito alla disponibilità di personale e attrezzature Il supporto richiesto è compatibile con le risorse della struttura Mod EC./EN. 7 (a cura del responsabile locale)

16 ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE Codice Esperimento Gruppo Rapp. Naz.: Vincenzo Palmieri Data completamento MILESTONES PROPOSTE PER IL 2005 Descrizione Giugno 2005 Completamento infrastruttura di plasma e ion beam cleaning Dicembre 2005 Caratterizzazione completa con gas di trasporto argon; trasferimento industriale del know how acquisito Giugno 2006 Caratterizzazione di plasmi con gas di tasporto reattivi e ion beam cleaning con ioni rame e ossigeno Dicembre 2006 Conclusione esperimento con definizione delle migliori procedure operative per la pulizia di rame e ossido di tellurio; trasferimento industriale del know how acquisito Mod EC./EN. 8 (a cura del responsabile nazionale)