Misura e controllo della contaminazione di umidità nella miscela di gas che alimenta i rivelatori di particelle dell esperimento opera. "Grazie all utilizzo di un sistema National Instruments ed a sensori di umidità e temperatura a basso costo, è stato possibile tenere sotto controllo le linee di flussaggio gas del sistema VETO dell esperimento OPERA salvaguardando così l intero sistema dai potenziali ed irreversibili danni che un aumento di umidità avrebbe potuto provocare." - A. Candela, INFN-LABORATORI NAZIONALI DEL GRAN SASSO La sfida: Riuscire a misurare la contaminazione di umidità all interno di un rivelatore di particelle in concentrazione dell ordine di 100 ppm usando sensori a basso costo. La soluzione: Calibrare sensori commerciali low cost con un sensore di riferimento certificato in maniera tale da poter usare i sensori commerciali al massimo della loro potenzialità. Autore (i): A. Candela - INFN-LABORATORI NAZIONALI DEL GRAN SASSO A. Di Giovanni - INFN - LABORATORI NAZIONALI DEL GRAN SASSO M. D'Incecco - INFN-LABORATORI NAZIONALI DEL GRAN SASSO Breve riassunto I rivelatori di particelle RPC (Resistive Plate Chamber) in vetro vengono seriamente danneggiati se, durante il loro funzionamento, la concentrazione di umidità al loro interno supera una determinata soglia (qualche centinaio di ppm). Monitorare tale concentrazione è estremamente importante per il corretto funzionamento dei rivelatori; tale monitoraggio si potrebbe facilmente realizzare utilizzando sensori costosi. L idea di poter usare, invece, sensori a basso costo ci ha consentito di monitorare, con l accuratezza richiesta, ogni singola linea di gas dei piani di VETO dell esperimento OPERA-CNGS, contenendo di fatto la spesa complessiva. La ricerca sulla fisica dei neutrini: OPERA L esperimento OPERA (Oscillation Project with Emulsion tracking Apparatus) è situato all interno di una delle tre sale sotterranee dei Laboratori Nazionali del Gran Sasso dell INFN ad Assergi (L Aquila). L esperimento sfrutta un fascio di particelle (neutrini) generati al CERN di Ginevra ed inviati verso i LNGS. Il fascio di neutrini viene prodotto in terra svizzera a circa un centinaio di metri sotto la superficie terrestre e giunge ai Laboratori del Gran Sasso dopo aver raggiunto una profondità massima di oltre 11 Km in prossimità di Firenze, per effetto della curvatura terrestre. Il fascio di particelle, che impiega circa 2 ms per percorrere i 730 Km di distanza che separano il CERN dai LNGS, raggiunge le sale sperimentali investendo un area dell ordine del km2. Lo scopo principale di questo progetto è quello di dimostare che i neutrini posseggono una massa, seppur piccolissima. E importante sottolineare il fatto che fino ad oggi il Modello Standard per la fisica delle particelle, prevede neutrini senza massa. Per dimostrare questa tesi, vengono condotti esperimenti che studiano un effetto particolare, ignoto fino ad una ventina di anni fa e noto come oscillazione dei neutrini, in cui un tipo di neutrino si trasforma in un altro. In natura, infatti, esistono tre specie (o sapori) di neutrini: elettronico (e), muonico () e tauonico (). OPERA è l esperimento principale candidato all osservazione diretta (appearance) del neutrino tauonico a partire da un fascio di soli neutrini muonici (maggiori informazioni sono disponibili sul sito www.lngs.infn.it alla voce Esperimenti & Info Scientifiche ). L apparato sperimentale L esperimento si basa sull utilizzo di emulsioni fotografiche intervallate da lastrine di piombo spesse 1 mm, che costituiscono le 1400 tonnellate di massa che fanno da bersaglio alle particelle inviate dal CERN. Le emulsioni vengono utilizzate per la loro eccellente risoluzione spaziale che garantisce l osservazione delle particelle figlie delle interazioni dei neutrini col piombo. Per determinare la lastra interessata da un evento, ci si avvale dei cosiddetti rivelatori elettronici (real-time) in grado di predirne la posizione. Tra i rivelatori real-time che vengono utilizzati nell apparato, rivestono grande importanza quelli a piatti resistivi in bakelite denominati RPC. L esperimento OPERA è costituito da circa 1000 rivelatori RPC (per una superficie sensibile di oltre 3000 m2). Tali rivelatori sono in grado di riconoscere senza ambiguità particelle prodotte dalle interazioni del neutrino con il piombo. Un altra sezione dell apparato, denominata VETO, è invece costituita da rivelatori con elettrodi in vetro e viene utilizzata per riconoscere tutte quelle particelle che, pur investendo l apparato, sono frutto di interazioni dei neutrini con la roccia circostante e, dunque, di non interesse fisico. Gli RPC in vetro del veto Il VETO è costituito da 64 rivelatori GRPC (Glass Resistive Plate Chamber). Ciascun rivelatore è composto da due elettrodi di vetro della misura di 114 cm x 260 cm, accoppiati tra loro tramite una griglia di distanziatori ed ermeticamente sigillati per contenere una miscela gassosa costituita da Argon, Isobutano, Freon r134a ed Esafluoruro di Zolfo (SF6). Gli elettrodi, al loro esterno, sono serigrafati con una vernice conduttiva, necessaria per l applicazione dell alta tensione. Una particella carica che attraversa il rivelatore ionizza il gas al suo interno. Il campo elettrico, realizzato mediante una tensione continua applicata di circa 8 kv, accelera l elettrone liberato il quale produce, a sua volta, un effetto a valanga. Il segnale elettrico prodotto viene prelevato, per accoppiamento capacitivo, da un opportuno sistema di lettura, costituito da una serie di strisce di rame che realizzano delle vere e proprie linee di trasmissione. Cause principali di degrado delle prestazioni Una delle caratteristiche delle sale sperimetali è quella di avere una umidità relativa di oltre il 60%. Le prestazioni degli RPC in vetro vengono seriamente compromesse quando la miscela gassosa viene contaminata dall umidità. La contemporanea presenza di Freon (necessario a contenere l effetto valanga) e dell umidità può dar luogo alla formazione di acido fluoridrico in grado di aggredire la superficie degli elettrodi, danneggiando in maniera irreversibile il rivelatore. Nonostante l intero sistema gas sia stato realizzato interamente in materiale metallico, tuttavia l utilizzo di materie plastiche nel rivelatore (di per sé igroscopiche) costituisce un possibile punto di accesso all umidità. E stato perciò necessario realizzare un sistema in grado di controllare la presenza di acqua all interno del rivelatore. Il Sistema di Monitoraggio Al fine di ridurre il costo dell intero sistema abbiamo acquistato 32 sensori di umidità e temperatura di tipo commerciale (Honeywell HIH4602-C) e li abbiamo calibrati utilizzando il sensore ad alta precisione MTS5 della GE Panametrics. I 32 sensori sono stati connessi in serie su di una linea di gas secco (argon) insieme al sensore di riferimento ed i valori di umidità e temperatura sono stati acquisiti tramite Compact FieldPoint di National Instruments (cfp2120) corredato di moduli ADC e RTD. La calibrazione ci ha mostrato una eccellente linearità ed uniformità di risposta dei 32 sensori anche per concentrazioni di umidità fino a dew point di meno 42 C (ovvero meno di 100 ppm). Questa verifica sperimentale ci ha consentito l uso di sensori commerciali per poter misurare concentrazione di umidità estremamente basse, come richiesto nel caso dei rivelatori del sistema VETO di OPERA. Il risultato della calibrazione è riportato in figura 1. L uso di Compact FieldPoint della National Instruments ha consentito di registrare continuamente dati per 220 giorni, permettendo di individuare rapidamente una anomalia (giorno 130) su una linea di rivelatori. In tal modo è stato posisibile intervenire ed individuare il problema (giorno 155), così come è possibile constatare dalla figura 2. Il software sviluppato per questa applicazione, oltre a monitorare le concentrazioni di umidità, i parametri ambientali e la pressione del gas in ingresso, consente la generazione di allarmi per differenti valori di soglia di Leggi il Case Study 1/5 www.ni.com
umdità. Il software è in grado di notificare gli allarmi agli utenti interessati inviando loro una e-mail. L interfaccia del cfp-2120 è dotata di una propria memoria che consente di registrare autonomamente i dati. Poiché, per motivi di sicurezza, la rete interna all esperimento, non è accessibile, è stato previsto nel software realizzato, la possibilità di inviare il file dei dati acquisiti come allegato ad una e-mail, consentendo un controllo on-line dell apparato da postazioni anche lontane, indipendentemente dalle restrizioni di accesso alla rete. Conclusioni Grazie all utilizzo di un sistema National Instruments ed a sensori di umidità e temperatura a basso costo (le cui caratteristiche sono state preventivamente valutate con un apposito sistema di calibrazione), è stato possibile tenere sotto controllo le linee di flussaggio gas del sistema VETO dell esperimento OPERA salvaguardando così l intero sistema dai potenziali ed irreversibili danni che un aumento di umidità avrebbe potuto provocare. Informazioni sull'autore: A. Candela INFN-LABORATORI NAZIONALI DEL GRAN SASSO attanasio.candela@lngs.infn.it (mailto:attanasio.candela@lngs.infn.it) Plot della risposta dei 32 sensori rispetto al sensore di riferimento 2/5 www.ni.com
Andamento dei valori di umidità in ingresso e uscita dei rivelatori RPC Diagramma dell'applicazione sviluppata 3/5 www.ni.com
Foto del FieldPoint Schema del sistema di calibrazione e andamento della risposta dei sensori 4/5 www.ni.com
Informazioni Legali Questo case study (questo "case study") è stato fornito da un cliente di National Instruments ("NI"). QUESTO CASE STUDY È FORNITO SENZA NESSUN TIPO DI GARANZIA ED È SOGGETTO AD ALCUNE LIMITAZIONI PIÙ SPECIFICATAMENTE DESCRITTE NEI TERMINI D USO DI NI.COM 5/5 www.ni.com