Specifiche per l installazione di un telescopio EEE presso locali scolastici

Specifiche per l installazione di un telescopio EEE presso locali scolastici A uso delle scuole partecipanti al Progetto EEE Paola La Rocca e Francesco Riggi Dipartimento di Fisica & Astronomia, Università di Catania Museo Storico della Fisica e Centro Studi e Ricerche Enrico Fermi Versione 1.0, Febbraio 2017 1. Introduzione 2. Struttura e componenti di un telescopio EEE 3. Specifiche per l installazione di un telescopio

1. Introduzione Questo documento riporta alcune note e specifiche relative alla installazione di uno dei telescopi per raggi cosmici del Progetto EEE presso locali scolastici. Nella Sezione 2 viene descritta la struttura base di un telescopio e le sue componenti essenziali, soprattutto dal punto di vista dei problemi relativi alla installazione e utilizzo del telescopio presso i locali scolastici. Vengono poi riportate le specifiche da tenere in considerazione nella scelta ed eventuale adeguamento dei locali che conterranno il telescopio, con riferimento agli spazi adoperati, all accesso ai locali, alle condizioni climatiche, agli impianti elettrici e di sicurezza. Quanto scritto nel presente documento può servire da base di discussione con la struttura scolastica e le autorità preposte, per contribuire a determinare, in accordo con esse e in modo ottimale, le condizioni operative di installazione e utilizzo delle apparecchiature relative al Progetto EEE. 2. La struttura di un telescopio del Progetto EEE 2.1 Componenti essenziali del telescopio EEE Un telescopio per raggi cosmici del Progetto EEE è una struttura sofisticata di rivelazione, basata su rivelatori innovativi sviluppati presso il Laboratorio Europeo CERN di Ginevra nell ambito di grandi esperimenti internazionali per la fisica nucleare e subnucleare. Ogni telescopio è costituito da 3 rivelatori (camere MRPC), posti orizzontalmente e ad una certa distanza relativa tramite una opportuna struttura meccanica di supporto. Il funzionamento dei rivelatori è basato sui fenomeni di ionizzazione che avvengono all interno delle camere, riempite con una opportuna miscela di gas non tossico. Ciascun telescopio richiede per il suo corretto funzionamento e utilizzo nell ambito del Progetto EEE le seguenti componenti, che saranno descritte brevemente nel seguito: - Camere MRPC e relativa struttura di supporto meccanica - Sistema di flussaggio gas - Alimentatori - Modulistica elettronica per la lettura e l acquisizione dei dati - Computer per acquisizione e controllo - Stazione meteo - Ricevitore GPS per la sincronizzazione remota 2.2 Camere MRPC e relativa struttura meccanica di supporto Le camere MRPC (MultiGap Resistive Plate Chambers) sono dei rivelatori a gas capaci di segnalare il passaggio di una particella ionizzante e misurarne il punto di impatto nonché il tempo di arrivo con estrema precisione, in modo da ricostruire la traiettoria originaria di queste particelle. Le dimensioni di ciascuna camera, nel caso dei telescopi del Progetto EEE, sono di circa 100 cm x 200 cm, con uno spessore di

alcuni cm. Le camere sono alloggiate in un box di alluminio, e il peso complessivo di ciascuna camera è intorno a 100 kg. Poiché contengono al loro interno dei vetri sottili, devono essere mantenute orizzontali, anche durante il trasporto e posizionamento. La Fig. 1 mostra una di queste camere. Fig.1: Una delle camere MRPC di un telescopio EEE Le 3 camere MRPC che compongono un telescopio devono essere posizionate su una struttura metallica di supporto, dimensionata in modo tale da poterne sorreggere il peso con sicurezza, mantenendole ad una certa distanza relativa, attualmente consigliata a 50 cm. Tra la camera in basso (bottom) e quella in alto (top) ci sarà dunque una distanza di 100 cm. E opportuno tuttavia che la struttura meccanica di supporto preveda la possibilità di piazzare le camere anche ad una distanza relativa maggiore (70-80 cm tra le camere). Tale struttura è stata realizzata nelle diverse installazioni con varie tipologie di profilati metallici robusti, da quelli basati sul sistema modulare Bosch (di ottima qualità ma costoso) a quelli realizzati da artigiani locali con profilati in ferro verniciato, di spessore e forma opportuni. La fig.2 mostra una delle strutture con profilati Bosch realizzata per uno dei telescopi EEE. Complessivamente la struttura occupa un volume dell ordine di 220 cm (lunghezza) x 120 cm (larghezza) x 150 cm (altezza).

Fig. 2: Schema generico della struttura di supporto delle camere MRPC del Progetto EEE (sinistra) e foto di una delle installazioni realizzata con profilati Bosch (destra). 2.3 Sistema di flussaggio gas Le camere MRPC dei telescopi funzionano con un flusso continuo di una miscela di gas, realizzata con il 98% di Freon ecologico e il 2% di SF6. I due gas sono contenuti nelle rispettive bombole, e miscelati tramite una Gas station, che consente di regolare sia il flusso che la proporzione tra i due gas nella miscela. Le due bombole di gas stanno di norma in un armadio metallico (Cabinet), che contiene anche gli opportuni riduttori di pressione e valvole. Da questo cabinet i due gas, tramite dei tubi flessibili, sono collegati alla Gas Station, miscelati opportunamente e poi inviati alla prima delle tre camere; le altre due camere sono collegate in serie alla prima con un collegamento a cascata. All uscita dalla terza camera il gas viene portato fuori dall ambiente (verso l esterno) attraverso un gorgogliatore a olio e un lungo tubo flessibile. Uno schema dei collegamenti è riportato in Fig.3, mentre una foto della Gas Station/del Cabinet con le bombole è riportata in Fig.4. Tipicamente il Cabinet con le bombole può stare a qualche metro di distanza dalle camere, dentro lo stesso ambiente. La lunghezza dei tubi flessibili tra camera e camera è all incirca di un metro, mentre il tubo che porta il gas verso l esterno può anche essere di parecchi metri, in base alle dimensioni del locale. La Gas Station può essere dislocata in prossimità delle bombole o vicino alle camere, su un opportuno tavolo da lavoro.

Fig. 3: Schema dei collegamenti del sistema flussaggio gas. Fig. 4: Gas cabinet (sinistra) e gas station (destra). 2.4 Alimentatori Le camere MRPC sono alimentate con una tensione elevata, per produrre il necessario campo elettrico all interno dei rivelatori. Tali tensioni elevate (fino a +/- 10 KVolt) sono generate da circuiti a bassa tensione tramite dei DC/DC converter alloggiati in contenitori metallici di protezione direttamente collegati alle camere, in modo da evitare qualunque pericolo di tipo elettrico. L alimentazione sia alle camere che alle schede elettroniche di lettura dei segnali viene gestita da un alimentatore controllato dallo stesso computer utilizzato per l acquisizione dei dati. La Fig. 5 mostra uno degli alimentatori utilizzati nei telescopi EEE. L alimentatore può essere dislocato su un opportuno tavolo da lavoro piazzato vicino alle camere o direttamente su una delle camere (ad esempio quella intermedia).

Fig. 5: Foto di un alimentatore LV/HV utilizzato per le camere MRPC. 2.5 Modulistica elettronica per la lettura e l acquisizione dei dati L elettronica del telescopio EEE comprende 6 schede di lettura dei dati (2 per ognuna delle 3 camere), montate direttamente sui connettori previsti alle due estremità delle camere, e alcuni moduli elettronici alloggiati in un opportuno contenitore (Crate VME). Diverse tipologie di cavi trasportano i segnali dalle schede di lettura ai moduli elettronici, collegano i diversi moduli tra loro e il Crate VME al computer di acquisizione dati. Il Crate VME viene posizionato tipicamente non lontano dalle camere (ad esempio su un piccolo tavolo da lavoro) o direttamente sulla camera intermedia. La Fig. 6 mostra il Crate VME con i moduli elettronici utilizzati. Fig. 6: Foto dell elettronica adoperata nei telescopi EEE.

2.6 Computer per acquisizione e controllo La gestione del telescopio è affidata ad un unico computer, operante mediante sistema operativo Windows (8 o 10), che permette di controllare l alimentazione di tutto il sistema, la lettura e acquisizione dei dati, il trasferimento periodico dei dati acquisiti verso un server centrale del Progetto EEE dislocato a Bologna, il controllo della qualità dei dati acquisiti (monitoring), nonché la stazione meteorologica collegata. Trattandosi di un normale PC, esso può essere disposto in prossimità del telescopio su un opportuno tavolo da lavoro. E opportuno che il PC e l alimentatore (ma possibilmente anche la Gas Station e il Crate VME) siano collegati ad un gruppo di continuità. 2.7 Stazione meteo Il telescopio EEE è corredato da una stazione meteorologica che consente di acquisire e memorizzare diversi parametri ambientali (pressione, temperatura,..), che saranno utilizzati per l analisi dei dati relativi ai raggi cosmici. Essa è collegata al PC principale tramite una porta USB e gestita attraverso un opportuno software a sua volta controllato dal programma di gestione principale del telescopio EEE. 2.8 Ricevitore GPS per la sincronizzazione remota Allo scopo di sincronizzare i dati acquisiti da telescopi distanti, ogni telescopio EEE è dotato di un ricevitore GPS, che sfrutta l informazione proveniente dai satelliti per stabilire il tempo assoluto di arrivo di ogni evento, con una precisione di circa 10 miliardesimi di secondo. Tale ricevitore, che è alloggiato in uno slot opportuno dentro il PC di acquisizione, deve essere collegato tramite un apposito cavo, ad un antenna esterna all edificio, in grado di visualizzare un ampia porzione di cielo. L antenna, di piccole dimensioni, deve essere fissata in modo sicuro all esterno (ad esempio su un tetto o su una terrazza aperta, a distanza possibilmente di alcuni metri dalle pareti dell edificio, senza schermature offerte da altri edifici o alberi nelle vicinanze.

3. Specifiche per l installazione di un telescopio 3.1 Superficie e volumi richiesti per il locale Tenendo conto delle dimensioni delle camere MRPC e della struttura di sostegno, tipicamente di 1 m x 2 m, dello spazio necessario da garantire attorno al telescopio, in modo da poter operare con sicurezza da parte delle persone, nonché dello spazio richiesto per sistemare il Cabinet che alloggia le bombole di gas, almeno due piccoli tavoli da lavoro (per contenere alimentatori, moduli elettronici, Gas Station e PC), nonché un armadio per riporre la strumentazione, eventuali ricambi e la documentazione, è opportuno prevedere un locale che abbia una superficie di almeno 15-20 m 2, con un altezza normale (2.30-2.50 m). La Fig. 7 mostra una possibile dislocazione delle varie componenti. Altre variazioni che consentano uno sfruttamento ottimale delle attrezzature sono comunque possibili, in base alle dimensioni e forma del locale e delle aperture esistenti. Fig. 7: Possibile schema dei vari elementi da dislocare in laboratorio per il funzionamento del telescopio EEE. 3.2 Accesso al locale Il locale dove sarà installato il telescopio EEE deve prevedere un apertura di larghezza almeno pari a 1 m, per poter trasportare agevolmente le camere MRPC in posizione orizzontale durante la fase di installazione (tenendo conto che queste non vanno inclinate in quanto pericoloso per i vetri interni). E inoltre necessario che l apertura esistente consenta non solo l ingresso della camera MRPC in posizione orizzontale ma anche il suo posizionamento sulla struttura metallica di supporto, senza necessità di doverla inclinare. Questo aspetto è da tener presente anche nel caso in cui per raggiungere il locale occorra passare attraverso delle scale o locali più ristretti. Per quanto riguarda eventuali altre porte o finestre esistenti, esse non creano

di norma problemi. Il telescopio può essere alloggiato sia in ambienti privi di luce naturale che in ambienti dotati di finestre, a condizione che esse possano essere chiuse ermeticamente e si faccia in modo che la luce diretta del sole non colpisca né le camere né alcuna parte della strumentazione. Per ragioni di sicurezza è opportuno che la porta o le porte di accesso al locale siano robuste e ben custodite, e che le chiavi di accesso siano conservate accuratamente, in modo da garantire un accesso solo agli addetti. L eventuale accesso per la pulizia del locale deve essere sempre effettuato sotto controllo da parte del responsabile, per evitare che inavvertitamente vengano danneggiati o semplicemente scollegati cavi elettrici, di segnale o tubi del gas, che possono compromettere il funzionamento del telescopio o creare problemi di sicurezza. 3.3 Condizioni del locale Il locale che alloggia il telescopio deve trovarsi in buono stato sia per quanto concerne il pavimento (ben liscio e orizzontale) che per le pareti e il tetto. Eventuali problemi di rugosità o imperfezioni nel livellamento del pavimento devono essere risolti prima di installare il telescopio, che deve permanere con le camere in posizione orizzontale. Il locale deve essere mantenuto pulito e in buone condizioni durante tutto il periodo di funzionamento del telescopio. Va evitata per quanto possibile la polvere e l ingresso di aria esterna, se non per un tempo limitato necessario al ricambio dell aria. 3.4 Parametri ambientali e operativi di lavoro Il telescopio deve operare in condizioni di temperatura e umidità che non creino possibili danneggiamenti alle attrezzature o modifichino il comportamento del telescopio stesso. Allo stesso tempo, la presenza delle persone (studenti e docenti) all interno del locale durante le normali fasi operative richiede delle opportune condizioni ambientali. La temperatura ambiente dovrebbe essere compresa tra 18 e 25 gradi, con un grado di umidità dell ordine di 40-60%. Nelle zone geografiche tipicamente calde durante l estate (in cui si raggiungono facilmente temperature superiori a 30 gradi) o in presenza di esposizione al sole delle pareti del locale, è indispensabile l uso di un opportuno climatizzatore, dimensionato rispetto al volume dell ambiente. L uso delle attrezzature elettroniche presenti per il funzionamento del telescopio, dato che corrisponde ad una potenza elettrica di poche centinaia di Watt, non altera di molto la valutazione delle condizioni di climatizzazione. 3.5 Impianti elettrici e di illuminazione L impianto elettrico del locale, che deve rispecchiare le norme di sicurezza, deve prevedere almeno una serie di prese lungo le pareti (meglio se almeno lungo due pareti), e una presiera multipla (5-6 prese universali almeno) in prossimità delle apparecchiature da alimentare (Gas Station, Alimentatore, Crate VME, PC, oscilloscopio, ). La Tabella seguente mostra la potenza elettrica richiesta dalle attrezzature di uso comune nel telescopio:

Attrezzature Potenza (W) Gas Station < 50 Alimentatore bassa tensione 100 Crate VME Max 350 PC con schermo Max 300 Oscilloscopio < 50 Altre attrezzature in fase di installazione 100 Se possibile, è estremamente utile poter alimentare le varie attrezzature tramite un gruppo di continuità opportunamente dimensionato, specie in quelle situazioni in cui si hanno sbalzi di tensione nella rete elettrica o interruzioni nella fornitura di energia. Un'altra opzione fortemente suggerita, specie nel caso in cui il locale deve essere ancora approntato o modificato, è quella di prevedere una segmentazione dell impianto relativo al locale dove è installato il telescopio, con un interruttore differenziale a protezione delle persone che operano nel locale stesso. Occorre verificare l esistenza di un impianto adeguato di messa a terra (massa) e se necessario provvedere a realizzarne uno, perché i disturbi elettrici derivanti dalla imperfetta messa a terra sono particolarmente dannosi per il buon funzionamento del telescopio. Per quanto riguarda l illuminazione, essa deve essere organizzata in modo adeguato, per permettere il normale svolgimento dell attività anche durante le ore pomeridiane o serali, o in caso in cui non entri luce naturale. Risulta più opportuna una luce diffusa, capace di illuminare le diverse zone del locale. 3.6 Impianti di sicurezza Oltre a quanto detto circa la presenza di un interruttore differenziale, possibili altri aspetti da tenere in considerazione sono: la possibilità di avere un estintore, se non nello stesso locale, almeno in zone adiacenti (corridoio, scale,..), la possibilità di avere un rilevatore di fumo o di gas, la possibilità di installare una telecamera (anche una semplice Webcam collegata in rete) per il controllo del locale. 3.7 Connessioni di rete Per il trasferimento automatico dei dati acquisiti dal telescopio verso un server centrale del Progetto EEE e in generale per il controllo remoto del telescopio è di importanza fondamentale la disponibilità di una rete internet con buone prestazioni, con accesso all interno del locale. 3.8 Impianto per il flussaggio gas Come si è detto, il funzionamento del telescopio prevede il flusso continuo di una miscela di gas (non tossico), che dopo aver circolato nelle camere può essere smaltito all aperto. Le bombole possono essere poste in un apposito Cabinet (dimensioni circa 50 cm x 70 cm x 180 cm) da cui fuoriescono i tubi flessibili che portano i gas alla Gas Station e da quest ultima alle camere. E necessario prevedere

l uscita verso l ambiente esterno di un tubo flessibile (diametro circa 1 cm), che può essere realizzata tramite un semplice foro in un infisso, o in una parete che dia verso l esterno. 3.9 Installazione e collegamento dell antenna GPS L antenna GPS che consente la sincronizzazione remota di ciascun telescopio con tutti gli altri del network EEE deve essere piazzata all esterno, ben fissata e in una posizione tale da vedere un ampia porzione di cielo libera da ostacoli (edifici, alberi,..). Il collegamento tra l antenna e il ricevitore GPS posto all interno del PC avviene attraverso un cavo coassiale di grande diametro, di cui si deve consentire il passaggio tra il locale che contiene il telescopio e l ambiente esterno, attraverso un apposito foro (diametro 3-4 cm) negli infissi o nel muro. L antenna deve essere ben fissata ad un sostegno da agganciare ad un muro esterno o al tetto. 3.10 Mobilio dei locali Il mobilio e in generale le strutture da prevedere nel locale sono: la struttura meccanica di supporto del telescopio (da posizionare non addossata ad una parete ma con ampio spazio attorno ad essa, almeno 50 cm), almeno due piccoli tavoli da lavoro (ad esempio 40 x 100 cm (dove piazzare PC, Gas Station, Crate VME, Alimentatore, Stazione meteo,..), alcune sedie adatte, un armadio per contenere attrezzature non utilizzate al momento, o materiale di ricambio, documentazione,.