Studio di sensori ambientali su fibra ottica per l`esperimento Belle II
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UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI TRIESTE Dipartimento di Fisica Corso di Laurea Triennale in Fisica Tesi di Laurea Triennale Studio di sensori ambientali su fibra ottica per l’esperimento Belle II Relatore: prof. Lorenzo Vitale Laureando: Andrea Tomasin Correlatore: prof. Livio Lanceri Anno accademico 2014 – 2015 – Ottobre 2015 – Indice 1 Introduzione 1.1 Belle II e SuperKEKB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2 Vertex Detector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3 Controllo dei parametri ambientali . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 Sensori a fibra ottica 2.1 Tipi di sensori . . . . . . . . . 2.2 Principi di funzionamento . . 2.3 Sensori a reticolo di Bragg . . 2.4 Uso in fisica delle Alte Energie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 Controllo della temperatura nel SVD di Belle II 3.1 Geometria del rivelatore di vertice . . . . . . . . . 3.2 Condizioni ambientali . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3 Prestazioni richieste . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4 Disposizione delle fibre ed interconnessioni . . . . 3.5 Lettura dei dati . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 Misure e calibrazioni in laboratorio 4.1 Strumentazione . . . . . . . . . . . 4.2 Azioni preliminari alla misura . . . 4.3 Misure in camera climatica . . . . . 4.4 Procedura di calibrazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 2 3 . . . . 5 . 5 . 8 . 9 . 12 . . . . . . . . . . 13 13 15 16 17 18 . . . . 19 19 22 24 24 . . . . 5 Conclusioni 33 Bibliografia 35 ii Capitolo 1 Introduzione In questa tesi presento una procedura di calibrazione di sensori a fibra ottica a reticolo di Bragg. L’interesse è dovuto al controllo delle condizioni ambientali nel rivelatore di vertice dell’esperimento Belle II che si svolgerà in Giappone presso il collisore SuperKEKB. In questa introduzione descrivo brevemente l’apparato di Belle II e il collisore SuperKEKB. Il capitolo 2 è dedicato alla descrizione dei sensori a fibra ottica, e delle principali tecnologie recentemente sviluppate in questo settore. Nel capitolo 3 viene discusso il sistema di controllo della temperatura nel rivelatore SVD di Belle II. Nel capitolo 4 descrivo la messa a punto di procedure per la calibrazione dei sensori di temperatura su fibra e i risultati delle misure eseguite in laboratorio. Dai risultati ottenuti vengono infine trattate delle indicazioni su come ottimizzare la procedura di calibrazione e migliorare l’accuratezza nella misura della temperatura con i sensori scelti. 1.1 Belle II e SuperKEKB Nel 2010 è stato approvato il nuovo progetto Belle II [1]. L’esperimento avrà luogo in Giappone al laboratorio KEK utilizzando un’evoluzione del collisore chiamato KEKB; SuperKEKB (Figura 1.1 a sinistra). Esso garantirà una luminosità di due ordini di grandezza superiore a KEKB, aumentando il numero di collisioni e quindi il numero di eventi prodotti. SuperKEKB è un collisore asimmetrico, ovvero fa collidere elettroni e positroni con energie differenti, rispettivamente di 7 GeV nel High Energy Ring e 4 GeV nel Low Energy Ring, con un’angolazione di 83 mrad nella zona d’interazione. L’apparato sperimentale Belle II (Figura 1.1 a destra) è progettato per registrare il passaggio delle particelle che emergono dalla zona d’interazione, misurandone tutte 1 – Introduzione 2 Figura 1.1. Visualizzazione del collisore SuperKEKB e dell’apparato sperimentale di Belle II [1]. le proprietà, per identificare e ricostruire gli eventi di annichilazione o di collisione tra le particelle dei due fasci. A tale scopo, verranno utilizzati diversi rivelatori, tra cui i rivelatori di tracce di particelle cariche: il VXD (Vertex Detector ) ed la CDC (Central Drift Chamber ). Uno degli obbiettivi di questo esperimento è lo studio della violazione della simmetria per coniugazione di carica e parità (CP) nei decadimenti dei mesoni B [1]. La violazione di tale simmetria si ha quando sistemi fisici ottenuti per scambi tra particelle ed antiparticelle e riflessione delle coordinate spaziali risultano avere un comportamento diverso. La violazione CP sui mesoni B fu studiata già nel 2002 grazie agli esperimenti BaBar e Belle [2], che furono i primi ad osservarla al di fuori del sistema dei mesoni K, nel quale fu osservata per la prima volta la violazione di CP [3]. 1.2 Vertex Detector L’obbiettivo di questa tesi è il monitoraggio delle temperature del rivelatore di vertice (VXD) raffigurato in figura 1.2, in particolare del Silicon Vertex Detector (SVD). Questo strumento è in grado di tracciare con un’alta precisione e accuratezza i vertici primari di interazione e quelli secondari di decadimento. È formato da due tipi di rivelatori: il silicon PiXel Detector (PXD) e il SVD. Il PXD è formato dai due strati più vicini all’interazione dei fasci e consiste in DE- 1 – Introduzione Figura 1.2. 3 Schema del rivelatore di vertice. Pleted Field Effect Transistor (DEPFET) [1]. Il SVD è formato da quattro strati più esterni e consiste in sensori di rivelazione a micro-strip di silicio a doppia faccia (DSSD Double-Sided silicon Strip Detectors) [1]. Il funzionamento di un rivelatore a semiconduttore può essere cosı̀ brevemente descritto: quando la particella passa attraverso il rivelatore, si formano lungo la sua traiettoria coppie di elettrone e lacuna, che sotto l’azione del campo elettrico applicato al sensore si sposteranno verso gli elettrodi inducendo un segnale elettrico. 1.3 Controllo dei parametri ambientali La potenza dissipata dai PXD DEPFETs e dalla loro elettronica si aggira sui 18 W per modulo, quindi in totale 360 W per 20 moduli PXD. L’elettronica di lettura del SVD, formato da circuiti integrati APV25, dissipa in totale una potenza pari a 700 W [4]. La temperatura del rivelatore di vertice deve rimanere in tutta la durata dell’esperimento attorno ai 15 ; quindi per sottrarre la potenza totale dissipata si utilizza un sistema di raffredamento basato sullo scambio di calore con sottili tubi, in cui circola un fluido di CO2 bifase (liquida e gassosa) a temperatura di -30 . Per il monitoraggio delle temperature in diverse parti dell’apparato strumentale vengono utilizzati due tipi di sensori: i termistori NTC (Negative Thermal Characteristic) e i sensori a fibra ottica a reticolo di Bragg, dei quali descriverò le applicazioni e le caratteristiche nel seguito. I sensori NTC e i sensori a fibra ottica hanno un differente scopo di utilizzo: i primi servono al controllo delle temperature dei tubi di raffreddamento in cui circola la CO2 , mentre i secondi sono utilizzati per il controllo delle temperature dei circuiti 1 – Introduzione Figura 1.3. (SVD). 4 Rappresentazione di uno dei moduli del Silicon Vertex Detector integrati di lettura, in particolare di quelli situati sui moduli del SVD. Un esempio di modulo è raffigurato in figura 1.3. Capitolo 2 Sensori a fibra ottica In questo capitolo vengono richiamati i principi di funzionamento di diversi tipi di sensori su fibra ottica. 2.1 Tipi di sensori Le fibre ottiche sono filamenti di materiali vetrosi o polimerici, realizzati in modo da poter condurre la luce al loro interno. Essi hanno trovato importanti applicazioni in molti campi, tra i quali le telecomunicazioni e le diagnostiche ambientali. La trasmissione del’onda elettromagnetica può essere di due tipi: monomodale, in cui il campo elettromagnetico si propaga seguendo un unico modo di propagazione; o multimodale, in cui si propaga seguendo più modi di propagazione. Nel nostro caso verranno utilizzate fibre monomodali. Non tutte le lunghezze d’onda sono adatte alla trasmissione ottica; esistono tre ‘‘finestre’’ di trasmissione con prestazioni e costi crescenti: la prima attorno a 850 nm, utilizzata da laser a diodo con luce multimodale; la seconda attorno a 1310 nm, per laser multimodali o monomodali; la terza attorno a 1550 nm, per laser monomodali. I principali vantaggi delle fibre ottiche sono: bassa attenuazione, che permette la trasmissione su lunga distanza; grande velocità di trasmissione; immunità da interferenze elettro-magnetiche; peso ed ingombro modesto; ottima resistenza a diverse condizioni ambientali. 2 – Sensori a fibra ottica 6 Questi vantaggi ed il piccolo ingombro dei sensori lungo le fibre sono il principale motivo di utilizzo dei sensori a fibra ottica in Belle II. Le fibre monomodali sono formate da diversi strati (come si può vedere in figura 2.1): Figura 2.1. Strati della fibra ottica [5]. 1. Core (nucleo cilindrico centrale), tipicamente con diametro di 8 µm. Nel core si ha la riflessione totale interna, questa è ottenuta con un opportuno indice di rifrazione n, diverso da quello dello strato successivo (n'1.5 [5]). 2. Cladding (mantello) con diametro di 125 µm. Il mantello ha un indice di rifrazione n tale da mantenere quasi tutto il fascio luminoso nel nucleo (tipicamente n'1.475 [5]). 3. Coating (rivestimento) con diametro di 250 µm. Protegge core e cladding ed in base al materiale le suo proprietà ottiche possono essere sensibili a parametri ambientali, quali l’umidità. Una fibra in acrilato ha una sensibilità trascurabile all’umidità, mentre una in silice ne è molto sensibile. 4. Jacket (guaina) con diametro tra i 400 µm e i 900 µm. È un rivestimento che protegge la fibra. A seconda delle applicazioni, vengono usati ulteriori rivestimenti. Ci sono diversi tipi di sensori a fibra ottica (FOS); una classificazione si ha in base al tipo di reticolo e al modo di propagazione [6], come si vede in figura 2.2. Sensori a reticolo di Bragg (FBGs), il cui reticolo è uniforme ed accoppia propagazione dell’onda e riflessione nel core. I reticoli sono formati da bande di cambiamento dell’indice di riflessione con distanze uguali tra quelli adiacenti, 2 – Sensori a fibra ottica 7 quindi lo spettro di riflessione è stretto e con una lunghezza d’onda centrale di massima riflessione λB . L’attenuazione è trascurabile per le altre lunghezze d’onda. Sensori a reticolo standard a lungo periodo (LPGs), che associano la propagazione dell’onda del core ad alcuni modi di propagazione del cladding. Sensori a reticolo non uniforme (chirped fiber grating sensors), i quali hanno uno spettro di riflessione più ampio rispetto a quelli a reticolo uniforme. La maggiore ampiezza è dovuta al passo reticolare variabile lungo il reticolo. Sensori a reticolo inclinato (tilted fiber grating sensors), che possono associare la propagazione dell’onda nel core alle riflessioni dello stesso core e nel cladding. Sensori a più reticoli (sampled fiber grating sensors), che possono riflettere diverse lunghezze d’onda con spaziatura costante. Figura 2.2. Tipi di reticolo. (a) Fibre a reticolo di Bragg,(b) a reticolo standard a lungo periodo,(c) a reticolo non uniforme,(d) a reticolo inclinato,(e) a più reticoli [6]. Un’ulteriore classificazione si ha a seconda dei materiali con cui sono costruiti: 2 – Sensori a fibra ottica 8 Fibre ottiche in silice. Queste fibre sono in vetro e realizzate partendo da silice ultrapura, che è ottenuta dalla reazione fra il tetracloruro di silicio e l’ossigeno. Nel silicio destinato alla produzione del core viene aggiunto del germanio (sotto cloruro di sodio) per l’aumento dell’indice di rifrazione senza variare l’attenuazione. Nel silice destinato al cladding, invece, viene aggiunto del boro per ridurre l’indice di rifrazione [5]. Fibre ottiche in materiale plastico. Queste sono fibre in materiale plastico. Con esse è possibile realizzare fibre multimodali, inoltre hanno un’attenuazione abbastanza elevata e scarsa resistenza termica. Hanno una variazione lineare del costo con la lunghezza, come per le fibre in vetro, ma garantiscono una maggiore capacità di trasmissione dei dati [5]. 2.2 Principi di funzionamento Nel precedente paragrafo abbiamo elencato alcune divisioni per i sensori a fibra ottica; ora descriverò brevemente le tipologie più utilizzate come sensori a livello infrastrutturale e di laboratorio [7]: Sensori a reticolo a passo lungo (LPGs) [8] sono caratterizzati da una modulazione periodica dell’indice di rifrazione del core di una fibra ottica monomodale. L’effetto di tale modulazione sulla radiazione guidata è l’accoppiamento dell’energia associata al modo fondamentale del core con quella associata ai modi del cladding, i quali vengono attenuati a causa delle sue proprietà assorbenti. Per questo motivo, lo spettro di trasmissione di un sensore LPG mostra una serie di picchi di perdita del segnale alle lunghezze d’onda alle quali si verifica l’associazione. Tali lunghezze d’onda di risonanza dipendono sia dal passo del reticolo, sia dalle costanti di propagazione dei modi del mantello. Le lunghezze d’onda di risonanza dei sensori sono calcolati con la seguente formula per ogni m-esimo modo del cladding λLP G =| nco − ncl (m) | Λ (2.1) Questi sensori furono sviluppati inizialmente nell’uso di sistemi di comunicazione come filtri passa basso [7]; successivamente, grazie alla dipendenza della risonanza dagli indici di rifrazione di core e cladding, furono sviluppati come sensori di temperatura e deformazione (strain), con dipendenza dal passo del reticolo Λ, il quale viene modificato in seguito ad un’espansione termica. Sensori a reticolo di Bragg (FBGs): questi sensori, ottenuti anch’essi da una modulazione periodica dell’indice di rifrazione del core di una piccola parte (dai 5 mm ai 10 mm [9]) della fibra ottica, sono modulati per mezzo di una esposizione a dei raggi UV, come i sensori LPG; il tratto di fibra modificato si 2 – Sensori a fibra ottica 9 comporta come filtro, che seleziona particolari lunghezze d’onda alle quali la luce viene riflessa. La riflessione massima avviene per λB = 2nef f Λ (2.2) varia in base all’indice di rifrazione nef f e al passo del reticolo Λ. Questa dipendenza mi determina il legame dalle proprietà fisiche e meccaniche del reticolo, per questo motivo possiamo utilizzarli come sensori di temperatura, di deformazione o di qualche altra proprietà fisica. Un’importante applicazione di questo tipo di sensori si ha nel monitoraggio delle condizioni ambientali ad esempio in esperimenti di fisica delle particelle e nel controllo strutturale di infrastrutture. Sensori in fibre ottiche in silice: questi sensori sono caratterizzati da un drogaggio della fibra in silice da parte di elementi attivi, per esempio da erbio, tulio, neodimio, ecc.; il silicio drogato diventa termoelastico e le sue proprietà ottiche dipendono in modo importante dalla temperatura. Essi vengono utilizzati come sensori di temperatura in ambienti estremi; sono più duttili ed hanno bassa attenuazione rispetto ai sensori in fibra plastica. Sensori in fibre ottiche di materiale plastico (POFs): questo tipo di sensori sono un’alternativa ai sensori in fibra in silice; a differenza di queste sono impermeabili all’umidità, hanno un’alta resistenza meccanica e sono più robuste. Come quelle in silice, però sono termoelastiche e le proprietà ottiche dipendono dalla temperatura. 2.3 Sensori a reticolo di Bragg Figura 2.3. Bragg [10]. Schematizzazione del funzionamento dei sensori a reticolo di Per l’esperimento Belle II si è scelto di utilizzare dei sensori a fibra ottica a reticolo di Bragg (FBGs) in base ai positivi risultati ottenuti da altri esperimenti, ad esempio CMS (Compact Muon Solenoid ) [11]. Questi sensori [12] sono realizzati con 2 – Sensori a fibra ottica 10 un’esposizione del core della fibra ottica monomodale ad un raggio di luce ultravioletta. Ci sono due metodi per formare il reticolo di Bragg : Metodo olografico, [13]. Questo metodo consiste nella modulazione periodica dell’indice di rifrazione, tramite l’esposizione del core a due fasci di radiazione UV di lunghezza d’onda λU V , con inclinazione che differisce per un angolo θ. Il periodo del reticolo risulta essere: Λ= λU V 2sin( 2θ ) (2.3) Metodo non olografico [14]. Questo metodo consiste nella modulazione periodica dell’indice di rifrazione esponendo il core ad un fascio di luce UV ad incidenza normale. Nell’articolo di Hill [14] la fibra viene esposta ad una maschera con un raggio UV (fascio ad eccimeri di fluorite con lunghezza d’onda pari a 249 nm) con una pulsazione di 12 ns a 50 Hz per 20 min. Quindi il periodo del reticolo di Bragg risulterà di circa 530 nm e la riflessione massima sperimentale si ha per la lunghezza d’onda 1531 nm. Questa modifica del core della fibra si comporta come uno specchio selettivo della lunghezza d’onda, come schematizzato in figura 2.3. La massima riflettività si ha per la lunghezza d’onda di Bragg λB dato da λB = 2nef f Λ (2.4) Come si può notare dalla formula 2.4, la lunghezza d’onda varia in base all’indice di rifrazione efficace nef f e il periodo della griglia Λ; questo legame determina la dipendenza dalle proprietà fisiche e meccaniche del reticolo, ovvero dalla temperatura e dalla deformazione (strain). La dipendenza da queste due proprietà in prima approssimazione può essere scritta come: ∆λB = λB (1 − ρα )∆ + λB (α + ξ)∆T (2.5) dove ∆λB è la variazione della lunghezza d’onda di Bragg, ρα , α e ξ sono rispettivamente la costante fotoelastica, il coefficiente di espansione termica ed il coefficiente termo-ottico della fibra, mentre ∆ e ∆T sono le variazioni della deformazione e della temperatura. Nel caso delle fibre in silice, drogate nel core con germanio, la costante fotoelastica è uguale a 0.22 µ−1 dove µ è un’unità adimensionale che consiste nel rapporto tra: variazione di lunghezza e lunghezza iniziale dell’oggetto, oppure se il materiale è elastico è il rapporto tra: sforzo e modulo di Young. Il coefficiente di espansione termica è di 0.55 x10−6 −1 ed il coefficiente termo-ottico è pari a 8.3x10−6 −1 [9]. Come abbiamo già accennato le caratteristiche degli FBGs sono: 2 – Sensori a fibra ottica 11 Una semplice modifica dell’indice di rifrazione del core di una fibra identifica il sensore, a differenza di altri sensori a fibra ottica non cambiano le dimensioni. L’immunità ai campi elettro-magnetici permette l’utilizzo dei sensori in ambienti con un’elevata radiazione. La molteplicità di sensori lungo una fibra permette di monitorare un elevato numero di posizioni. La stabilità e un’inerzia termica molto piccola garantiscono un’elevata accuratezza nella misura. La sensibilità a variazioni di temperatura e di deformazione permette di misurare entrambe le grandezze in modo accurato, ma bisogna mantenere invariata quella che non interessa. L’utilizzo degli FBG come sensori avviene inviando da un capo della fibra impulsi luminosi monomodali da una sorgente ottica. Di questi segnali vengono riflessi quelli appartenenti a un piccolo intervallo di lunghezze d’onda, con riflessione massima per la lunghezza d’onda centrale λB . Un ricevitore misura l’intensità degli impulsi riflessi al variare della lunghezza d’onda. Per il monitoraggio delle intensità del segnale riflesso, in funzione della lunghezza d’onda si seguono diverse tecniche: Un interferometro, converte gli spostamenti di lunghezza d’onda in sfasamenti, che possono essere rilevati da variazioni di intensità della luce al variare della differenza di percorso. Questa tecnica ha un’elevata sensibilità, ma l’attrezzatura è costosa e soggetta ad interferenze ambientali. Un filtro ottico inclinato, può essere utilizzato per ottenere le variazioni di lunghezza d’onda riflesse direttamente dalla variazione d’intensità. Esso può essere anche un ulteriore reticolo di Bragg. Se il filtro è progettato per avere un determinato rapporto tra luce trasmessa e riflessa, allora è possibile determinare la lunghezza d’onda comparando le intensità trasmesse e riflesse. Questo metodo è quello più semplice ed economico, ma ha lo svantaggio di indirizzare un solo reticolo alla volta. Illuminazione degli FBG con una sorgente luminosa sintonizzabile a banda stretta. Ci sono due sistemi di lettura degli FBG: Il WDM (Selettore a divisione di lunghezze d’onda). In questo selettore ogni sensore è identificato grazie alla sua lunghezza d’onda. Le caratteristiche tipiche di questi sistemi sono l’alta sensibilità e l’accuratezza (per esempio nello 2 – Sensori a fibra ottica 12 strain sono rispettivamente 0.8 µ e 4 µ [12]), la moderata frequenza di campionamento (attorno un centinaio di Hz), la flessibilità e le relative grandi dimensioni (dai 5 mm ai 10 mm [9]). Il TDM (Selettore a divisione di tempo). In questo selettore ogni sensore è identificato dal ritardo nello spettro temporale (ti = 2li nc in cui li è la lunghezza tra la posizone del sensore i-esimo e l’inizio della fibra). Tipicamente questi sistemi hanno bassi costi, sono leggeri e robusti, hanno un’alta frequenza di campionamento, di pochi KHz [12]. I sensori però devono essere sufficientemente spaziati fra loro da poterli identificare come diversi. 2.4 Uso in fisica delle Alte Energie Sensori a fibra ottica sono stati usati nel controllo delle condizioni ambientali negli esperimenti di fisica delle Alte Energie. Un esempio di questa applicazione è il controllo della temperatura e dello strain in uno dei quattro esperimenti di LHC (Large Hadron Collider ) al CERN, CMS (Compact Muon Solenoid ) [11]. CMS è un grande rivelatore di particelle situato in uno dei quattro punti di interazione di due fasci di protoni, accelerati dal collisore adronico LHC. I sensori FBG sono installati in diverse posizioni all’interno dell’apparato sperimentale, con un totale di circa 40 sensori per il monitoraggio della temperatura e dello strain, contenuti in quattro fibre ottiche. Uno studio dei FOS in CMS riporta le temperature registrate in continuazione per un anno nel 2010 [15]. Le variazioni riscontrate sono in completo accordo con i cicli di dissipazione di potenza dei dispositivi all’interno dell’apparato. L’accuratezza nelle letture della lunghezza d’onda riflessa è di 1 pm, quindi i risultati erano accurati entro 0.1 in temperatura e 1 µ nello strain. Le misure di temperatura dei FOS sono state confrontate con misure effettuate da sensori PT100 e sono risultate compatibili, tenuto conto delle diverse posizioni e condizioni operative dei diversi strumenti. Anche le variazioni di strain misurate con le fibre seguivano i cicli di accensione del magnete CMS e delle conseguenti deformazioni nelle strutture meccanica dell’apparato, queste variazioni risultavano coerenti dopo l’applicazione di correzioni per compensare le variazioni di temperatura. Queste misure furono anche utili a dimostrare la non-distruttività delle forze esercitate dall’apparato, ad esempio, sul tubo a vuoto del fascio. Dopo la positiva esperienza del 2010, furono installati altri 60 sensori in due fibre per monitorare la temperatura nell’intera caverna di servizio sotterranea, situata a 120 m dalla sala sperimentale. Capitolo 3 Controllo della temperatura nel SVD di Belle II Un’applicazione dell’utilizzo dei sensori a fibra ottica si ha nel rivelatore Silicon Vertex Detector (SVD) dell’esperimento Belle II; in questo capitolo descrivo brevemente il rivelatore di vertice, le condizioni ambientali dell’esperimento, le prestazioni richieste, la disposizione delle fibre, delle interconnessioni ed il metodo di lettura dei sensori a fibra ottica. 3.1 Geometria del rivelatore di vertice Il rivelatore di vertice di Belle II è formato da sei strati cilindrici: due del PiXel Detector (PXD), situati vicino alla zona di interazione tra elettroni e positroni dei fasci circolanti nel collisore SuperKEKB e quattro del Silicon Vertex Detector (SVD), più lontano dai fasci. Il SVD è formato da quattro strati di DSSD (Double-Sided Strip Detectors, ovvero rivelatori con elettrodi a strisce sulle due facce) inseriti nei ladders, i moduli che formano ciascuno strato, i quali possono essere formati da moduli chiamati ‘‘origami” (un esempio è raffigurato in figura 3.1) o da moduli più semplici; i primi sono controllati da chip posizionati sopra ad essi mentre i secondi da chip situati all’esterno del rivelatore di vertice. Per i chip dei moduli esterni al ladder è previsto un controllo delle temperature tramite NTC, mentre per i moduli chiamati ‘‘origami” è stato progettato un controllo tramite sensori a fibra ottica. La disposizione dei quattro strati cilindrici è tale da avere una copertura angolare compresa tra 17° e 150° [1], come si può vedere in figura 3.2. Il primo strato ha raggio minimo di 38 mm e il quarto strato ha raggio massimo di 140 mm; la loro lunghezza va dai 262 mm ai 645 mm [1]. Nella tabella 3.1 sono indicate in 3 – Controllo della temperatura nel SVD di Belle II 14 Figura 3.1. Nella figura in basso è schematicamente rappresentato uno dei moduli, detti ‘‘ladder”, che compongono uno strato del rivelatore SVD. Si possono distinguere cinque sensori DSSD: i tre sensori centrali vengono letti tramite circuiti integrati posizionati su circuiti flessibili che sono ripiegati sui sensori stessi, e per questo vengono chiamati ‘‘origami”. La figura in alto rappresenta uno degli ‘‘origami”. modo dettagliato le dimensioni, il numero di moduli, detti ‘‘ladder ’’ in ciascun strato del rivelatore SVD e gli angoli formati dalla parte terminale di ogni singolo ladder. Tabella 3.1. Dimensioni, numero di sensori, origami e ladder degli strati del SVD [1] e angolazioni delle parti terminali per ogni ladder. Layer Sensors/ Ladder Origami/ Ladder Ladders Lenght [mm] Radius [mm] Slant Angle [o ] 3 4 5 6 2 3 4 5 0 1 2 3 7 10 12 16 262 390 515 645 38 80 105 135 0 11.9 16 21.1 3 – Controllo della temperatura nel SVD di Belle II 15 Figura 3.2. Nella figura in alto sono visibili la disposizione dei quattro strati del SVD e la copertura angolare [1]; nella figura in basso sono evidenziati i supporti meccanici dei ladder e sezione longitudinale del rivelatore di vertice [1] in una visione d’insieme. 3.2 Condizioni ambientali Nella figura 3.3 è riportato un riassunto dettagliato della potenza dissipata dalle diverse parti del rivelatore. Come possiamo notare la potenza dissipata dai Pixel DEPFETs e dalle loro interfacce elettroniche è di 18 W per modulo, quindi 360 W in totale per 20 moduli di PXD; inoltre i chip APV25 del SVD dissipano 700 W. Da questo deduciamo che la potenza dissipata dall’intero rivelatore di vertice è di 1060 W. Per rimuovere il calore in eccesso è previsto un sistema di raffreddamento basato sullo scambio termico tra i principali fornitori di calore, ovvero i circuiti integrati e i tubicini in cui fluisce CO2 bifase, ad una temperatura di -30 . 3 – Controllo della temperatura nel SVD di Belle II 16 L’ingresso e l’uscita del sistema di raffredamento tramite CO2 dev’essere tenuto sotto controllo in modo adeguato quanto le temperature dei ladders degli SVD: in questo caso verranno utilizzati dei termistori NTC. L’intero volume del PXD/SVD, oltre ad essere tenuto ad una temperatura di circa 15 , deve avere bassa umidità, per prevenire la condensazione del vapore acqueo con possibile danneggiamento dell’elettronica. Per mantenere un livello tale di umidità verrà flussato azoto secco con un basso punto di rugiada (dew point) inferiore a -30 . Figura 3.3. strato [16]. 3.3 Sistema di raffreddamento del VXD con la potenza dissipata da ogni Prestazioni richieste Per il rivelatore SVD sono richiesti sensori di temperatura per il monitoraggio sia dei tubi di raffreddamento e sia delle sorgenti di calore presenti nei ladder. Per il primo scopo bisogna misurare le temperature degli anelli di supporto, i quali contengono i canali di distribuzione del fluido di raffreddamento; questo richiede sensori NTC, come discusso nella sezione 1.3. Per i ladder, invece, vengono utilizzati sensori a fibra ottica inseriti nei canali preparati nell’Airex (strato di materiale che separa il circuito stampato dal sensore in silicio) degli strati 4, 5 e 6 per monitorare le temperature dei moduli di ‘‘origami’’, per i quali è impossibile un controllo esterno. L’intervallo di temperatura accettabile va dai -20 ai 25 ; senza raffreddamento la temperatura dell’elettronica di ‘‘frontend ’’ potrebbe superare i 40 . 3 – Controllo della temperatura nel SVD di Belle II 17 La sensibilità in temperatura dei sensori utilizzati dev’essere di circa 0.1 ; i sensori verranno letti con una frequenza di circa 1 Hz. In figura 3.4 sono riportate le misure effettuate con una telecamera termica su un prototipo del sistema del dispositivo di raffreddamento. Figura 3.4. La figura a sinistra mostra la telecamera termica utilizzata per il monitoraggio della temperatura nelle prove di funzionamento del raffreddamento con CO2 . Nella figura in alto a destra viene rappresentata la temperatura nello strato 6 durante una prova del sistema di raffreddamento in camera termica. La figura in basso a destra è rappresentata la variazione di temperatura in funzione della potenza dissipata e della distanza dal tubo di raffreddamento [16]. 3.4 Disposizione delle fibre ed interconnessioni Come detto sopra, per l’esperimento avremo un doppio approccio di monitoraggio delle temperature per un controllo incrociato di esse. Gli NTC monitorano la temperatura del sistema di raffreddamento, mentre gli FBG sono inseriti nei ladders 4, 5 e 6 del SVD. Entrambi i sistemi hanno bisogno di interconnessioni nelle DOCKs distanti 3 m dai sensori. A causa dei vincoli meccanici solo negli strati 4, 5 e 6 è possibile usare i sensori a fibra ottica. 3 – Controllo della temperatura nel SVD di Belle II 3.5 18 Lettura dei dati Dallo schema della figura 3.5 si può notare che la lettura della risposta dei sensori a fibra ottica avviene tramite l’interrogatore ottico sm225 di Micron Optics [17, 18]. L’interrogatore scannerizza ed acquisisce i dati di tutto lo spettro con elevata accuratezza. Per la calibrazione, l’acquisizione dei dati e gli allarmi viene utilizzato il software ENLIGHT di Micron Optics. Figura 3.5. Organizzazione della lettura dei sensori a fibra ottica a reticolo di Bragg: due sensori FBG ad ogni ‘‘origami’’ più uno di controllo prima di uscire dal ladder ed uno fuori dal ladder [4]. Capitolo 4 Misure e calibrazioni in laboratorio Lo scopo principale di questa tesi è la messa a punto di una procedura di calibrazione delle fibre ottiche con sensori di temperatura a reticolo di Bragg, utili a monitorare le temperature dei ladders del rivelatore di vertice SVD dell’esperimento Belle II. In questa sezione verranno descritte la strumentazione utilizzata, le azioni preliminari alla procedura di calibrazione dei sensori e le misure effettuate in camera climatica, con i risultati di calibrazione ottenuti. 4.1 Strumentazione Lo scopo della procedura di calibrazione dei sensori di temperatura su fibra ottica è determinare una formula di conversione delle lunghezze d’onda riflesse dai reticoli di Bragg in temperatura. Si sono utilizzati una camera climatica con un ampio intervallo di temperatura (almeno da -20 a 40 ), un termometro aggiuntivo, per stabilire la temperatura all’interno del contenitore in cui vengono disposte le fibre, con una precisione maggiore rispetto a quella dei sensori della camera climatica, ed un interrogatore ottico per la lettura delle fibre con acquisizione e successiva analisi dei dati. Gli strumenti utilizzati, che descriverò in maggiore dettaglio nel seguito, sono : Sensori in fibra ottica a reticolo di Bragg di lunghezze d’onda λ comprese tra i 1512 nm e i 1536 nm; Interrogatore ottico sm225-800 della ditta Micron Optics [17, 18]; Camera climatica per temperature comprese tra i -20 e i 40 ; Sonda PT100 tarata con precisione di 0.1 ; 4 – Misure e calibrazioni in laboratorio 20 I dati sono stati acquisiti e analizzati con i seguenti programmi : Programma ENLIGHT [18] per l’acquisizione e l’archiviazione delle temperature e delle lunghezze d’onda dei sensori; Programma OriginLab [19] per il fit dei dati e per l’analisi di essi tramite istogrammi. L’oggetto da calibrare e tarare sono i sensori in fibra ottica a reticolo di Bragg . I sensori sono identificati nella figura 4.1 con i cerchietti in rosso ed in blu. Quelli in blu sono i sensori esterni al contenitore, che risentono maggiormente della eventuale non uniformità di temperatura della camera climatica. I sensori FBG sono in grado di riflettere una lunghezza d’onda specifica lasciando passare tutto il resto dello spettro della luce laser dell’interrogatore ottico. Abbiamo a disposizione 3 fibre da calibrare : ‘‘Smart fibres 139471’’ con 5 sensori a lunghezza d’onda nominale di 1528 nm, 1530 nm, 1532 nm, 1534 nm, 1536 nm; ‘‘Smart fibres 139470’’ con 8 sensori a lunghezza d’onda nominale di 1512 nm, 1514 nm, 1516 nm, 1518 nm, 1520 nm, 1522 nm, 1524 nm, 1526 nm; ‘‘Technica SA 101121402024’’ con 8 sensori a lunghezza d’onda nominale di 1512 nm, 1514 nm, 1516 nm, 1518 nm, 1520 nm, 1522 nm, 1524 nm, 1526 nm. L’interrogatore ottico sm225-800 è uno strumento a 16 canali, in grado di esaminare lunghezza d’onda che variano da 1510 nm a 1590 nm; ha una risoluzione di 1 pm, ha un range dinamico (rapporto tra potenza del segnale e potenza del rulessa in mW ) e può more convertita in dBm) pari a 40 dBm (dBm = 10 log P otenza rif 1mW supportare 320 sensori FBG. È inoltre provvisto di un multiplexer al suo interno con diverse frequenze di campionamento a seconda del numero di canali letti: 4 canali a 2 Hz, 8 canali a 1 Hz, 16 canali a 0.5 Hz. Per analizzare la variazione delle lunghezze d’onda rispetto alle variazioni di temperatura in un intervallo termico relativamente ampio, abbiamo usufruito di una camera climatica in grado di lavorare tra -70 e 180 . La camera è provvista di sensori per misurare la temperatura, con limitata accuratezza. Per una misura più accurata della temperatura si è fatto uso di una sonda PT100. Un problema rilevante ai fini della calibrazione in camera climatica è il continuo flusso d’aria che ha lo scopo di uniformare la temperatura durante tutta l’operazione di lettura dati. Come si può notare dalla figura 4.2 i sensori più esterni si trovano sopra le ventole per il flussaggio dell’aria e possono quindi trovarsi in condizioni differenti rispetto agli altri. 4 – Misure e calibrazioni in laboratorio 21 Figura 4.1. Rappresentazione della sonda PT100 rivestita in metallo (indicata in verde), dei sensori interni (cerchiati in rosso) al contenitore e quelli che risentono maggiormente della non uniformità della temperatura (cerchiati in blu). Le fibre ottiche in uscita dal contenitore sono evidenziate in nero. La sonda PT100 è una termoresistenza con risoluzione di 0.1 , che ha una risposta più lenta rispetto ai sensori a fibra ottica. Il software di acquisizione ed analisi dei sensori fornito dalla Micron Optics si chiama ENLIGHT . Questo programma permette di identificare i massimi di riflessione, di assegnare una formula per la conversione delle lunghezze d’onda in temperatura, di acquisire l’andamento temporale e di salvare i valori di riflessione massima e di segnalare possibili allarmi collegati al particolare sensore. 4 – Misure e calibrazioni in laboratorio 22 Figura 4.2. Rappresentazione della strumentazione utilizzata, in particolar modo della disposizione del contenitore contenente le fibre in camera climatica. Per trovare i parametri di conversione da lunghezza d’onda a temperatura, abbiamo usato una regressione polinomiale dei valori misurati. Per questo abbiamo utilizzato OriginLab che permette anche di visualizzare gli istogrammi di tutti i sensori e valutare la qualità dei dati della calibrazione. 4.2 Azioni preliminari alla misura Per effettuare la procedura di calibrazione sono stati scelti strumenti molto precisi, col fine di avere una calibrazione con errori sistematici inferiori a 1 . Si sono confrontate due fibre di ottima qualità, prodotte rispettivamente dalla Technica SA [20] e dalla Smart fibres [21]. Esse sono in grado di riflettere 80-90 % di luce in corrispondenza delle lunghezze d’onda nominali con un rumore di fondo di circa -50 dBm, mentre il segnale di riflessione varia tra i -6 dBm e i -26 dBm a seconda di quante interconnessioni si trovino lungo le fibre. In figura 4.3 possiamo vedere un esempio di acquisizione, tramite il programma ENLIGHT, dei massimi di riflessione delle lunghezze d’onda dei sensori delle fibre calibrate, in questo caso le fibre sono collegate direttamente all’interrogatore ottico, senza far uso di altre interconnessioni (sdoppiatori). Per avere il maggior segnale riflesso si sono utilizzati connettori monomodali del tipo FC-APC (Fiber Connector Angled Physical Contact), con una superficie terminale levigata con un angolo di 8°, che hanno un rapporto tra segnale e rumore di 60 dB. Un ulteriore problema della misura è la possibile deformazione delle fibre, che per lo 4 – Misure e calibrazioni in laboratorio 23 strain indotto possono alterare le caratteristiche di riflessione. Quindi si è costruito un contenitore per mantenere le temperature misurate dal termometro campione uniformi per tutti i sensori e stabili durante l’acquisizione dei dati. Lo studio sperimentale ha evidenziato che le fibre hanno un segnale di riflessione pari a circa -10 dBm, per la Technica SA, e di -6 dBm, per la Smart fibres. Inoltre a seconda dell’altezza del massimo di riflessione si possono individuare le posizioni dei singoli sensori, il sensore più vicino ha il massimo più alto mentre il sensore più lontano ha massimo più basso. Questo aspetto è molto importante perché mi permette di dire che il sensore riflette quasi tutto il segnale relativo ad una lunghezza d’onda e trasmette altrettanto bene tutte le altre lunghezze d’onda. Quindi si può aggiungere una vasta gamma di sensori in una singola fibra a lunghezze d’onda differenti. Inoltre è stata valutata l’attenuazione delle interconnessioni per capire quanti attenuatori possono essere aggiunti senza far sovrapporre il rumore al segnale. Si è notato che gli sdoppiatori 1x2 attenuano di 3 dBm ad ogni passaggio della luce mentre gli sdoppiatori 1x4 attenuano di 7dBm. Per le nostre calibrazioni abbiamo connesso direttamente la fibra all’interrogatore ottico. Nella figura 4.3 sono visibili i massimi di riflessione per quattro fibre con sensori a reticolo di Bragg; ognuna di essa è collegata in un canale differente dell’interrogatore. Si riesce a distingure perfettamente il numero di sensori per ogni fibra e la lunghezza d’onda del picco di riflessione a temperatura ambiente. Figura 4.3. Rappresentazione dei massimi di riflessione, acquisiti dal programma ENLIGHT a temperatura ambiente delle quattro fibre da calibrare: due della Technica SA e due della Smart Fibres a 8 o a 5 sensori a fibra. La diversa colorazione evidenzia la connessione di ciascuna fibra ad un canale differente. 4 – Misure e calibrazioni in laboratorio 4.3 24 Misure in camera climatica La procedura di calibrazione dei sensori è stata svolta in tre fasi. Inizialmente si sono acquisite le lunghezze d’onda per 5 temperature differenti (-20 , -5 , 10 , 25 , 40 ) con lo scopo di avere un numero sufficiente di dati per una regressione polinomiale. Poi si è proceduto con l’elaborazione dei dati alla ricerca della miglior regressione polinomiale con i dati acquisiti. Infine abbiamo verificato, grazie al programma ENLIGHT, se le temperature ottenute dai sensori FBG utilizzando la formula di conversione con i coefficienti della regressione polinomiale riuscivano a riprodurre la temperatura misurata dalla sonda PT100 di riferimento. Per questa operazione abbiamo utilizzato le stesse 5 temperature. Un esempio si ha in figura 4.4. Come si può notare i sensori posizionati al bordo del contenitore (linea tratteggiata arancione e nera in questo caso), raggiungono più lentamente la temperatura misurata dagli altri sensori. La differenza tra il sensore che segna il valore più alto e quello più basso di temperatura si attesta attorno ai 0.7 , in questo esempio. 4.4 Procedura di calibrazione Per la procedura di calibrazione mi sono affidato al programma di analisi dati OriginLab, il quale mi ha permesso di trovare una buona approssimazione dei dati acquisiti ad un polinomio del terzo ordine grazie ad una regressione polinomiale. Qui di seguito verranno presentati i risultati ottenuti. Regressione polinomiale Una prima analisi dei dati mi ha indirizzato verso una regressione polinomiale. La formula di calibrazione adatta è : T = C0 + C1 ∗ (λ − λ0 ) + C2 ∗ (λ − λ0 )2 + C3 ∗ (λ − λ0 )3 (4.1) con Ci i coefficienti della regressione polinomiale, λ0 il valore di lunghezza d’onda nominale del sensore e T la temperatura riferita al corrispettivo valore di lunghezza d’onda λ, misurata al massimo di riflessione del sensore FBG. La regressione polinomiale consiste in un metodo di minimizzazione della somma dei quadrati degli scarti di ciascuna misura dalla funzione approssimante (funzione ottimale). Grazie a questa minimizzazione è possibile trovare il valore dei coefficienti per il nostro polinomio. Per avere una buona approssimazione della curva (R2 , coefficiente di correlazione, di 0.99998 o 0.99999) bisogna avere un numero abbastanza alto di dati (un centinaio 4 – Misure e calibrazioni in laboratorio 25 Figura 4.4. Sono riportate in funzione del tempo le temperature ottenute da ciascun sensore, dopo l’immissione dei coefficienti della regressione polinomiale, nella funzione di conversione da lunghezza d’onda misurata a temperatura. La temperatura della sonda PT100 misura -5.0 . In blu sono indicati due dei tre sensori esterni al contenitore in cui sono adagiate le fibre. Le temperature misurate sono compatibili entro 0.7 circa. almeno). Prendiamo come esempio tre sensori: uno con λ0 pari a 1532 nm della fibra Smart Fibres a 5 sensori (lo chiameremo anche S1532X5), uno con λ0 pari 1512 nm della fibra Technica SA a 8 sensori (T1512X8) ed uno con λ0 pari 1526 nm della fibra Smart Fibres a 8 sensori (S1526X8). La scelta di questi è dovuta al posizionamento dei sensori, che rispettivamente si trovano in mezzo, alla fine e all’inizio della fibra di appartenenza : quindi potremo analizzare l’andamento medio delle temperature all’interno del contenitore. Dalla figura 4.5 l’andamento dei dati sembra lineare, ma un attento esame dei dati dimostra che l’andamento è ben rappresentato dal polinomiale dell’equazione 4.1. I coefficienti C0 e C1 , mostrati in tabella 4.1, hanno un significato importante per le nostre misure: C0 corrisponde alla temperatura riferita al valore λ = λ0 del sensore e C1 fornisce il maggiore contributo alla conversione da λ − λ0 a variazione di temperatura; gli altri due coefficienti del polinomio forniscono correzioni minori 4 – Misure e calibrazioni in laboratorio 26 Figura 4.5. Rappresentazione dell’andamento dei dati delle lunghezze d’onda in funzione della temperatura. In ascissa è rappresentata la differenza tra i valori di λ e λ0 espresso in nanometri mentre in ordinata la temperatura in gradi centigradi. In ordine dall’alto verso il basso i tre sensori S1532X5, T1512X8, S1526X8. alla conversione. 4 – Misure e calibrazioni in laboratorio 27 Tabella 4.1. La tabella evidenzia i coefficienti ottenuti dalla regressione polinomiale, gli errori sui coefficienti, la somma dei residui al quadrato ed il coefficiente di correlazione per i tre sensori a reticolo di Bragg presi in considerazione. C0 Errore su C0 C1 Errore su C1 C2 Errore su C2 C3 Errore su C3 Somma dei residui al quadrato Coefficiente di correlazione R2 S1532X5 T1512X8 S1526X8 28.904 0.012 105.439 0.086 -6.87 0.80 11.3 1.5 0.3848 0.99999 41.380 0.029 103.56 0.52 -15.9 2.2 -4.8 2.6 1.02209 0.99998 12.307 0.012 105.87 0.12 -11.59 0.26 35.7 1.8 0.54847 0.99999 Un dato importante per valutare la regressione polinomiale è il valore del coefficiente di correlazione R2 in tabella 4.1: più R2 è vicino ad 1 meglio la funzione scelta approssima l’andamento dei dati di lunghezza d’onda al variare della temperatura. La figura 4.6 rappresenta l’analisi dei residui. Il programma calcola la differenza tra il valore della temperatura misurata dalla PT100 e la temperatura ottenuta dalla lunghezza d’onda misurata al massimo di riflessione del sensore FBG. La conversione è calcolata inserendo i coefficienti della regressione polinomiale, nell’equazione 4.1. Lo scarto massimo è di circa 0.3 . Presentazione dei risultati Una volta trovati i coefficienti della regressione con OriginLab, si sono inseriti nel programma ENLIGHT dell’interrogatore ottico e si è proceduto a verificare la riproducibilità dei risultati. Per tale verifica si è deciso di eseguire due serie consecutive di misure ai cinque valori delle temperature programmate nella camera climatica, prima in ordine crescente (da -20 a 40 ) e poi decrescente (da 40 a -20 ) per formare un ciclo. Ad ogni temperatura fissata sono state eseguite n misure (tipicamente n = 100) e ne sono stati calcolati i valori medi e le deviazioni standard, per ciascun sensore. Infine sono state calcolate i valori medi delle temperature medie misurate dai diversi sensori e la deviazione standard delle medie; abbiamo quindi valutato la compatibilità delle misure con i valori misurati dal termometro campione. Le formule statistiche utilizzate sono : 4 – Misure e calibrazioni in laboratorio per le medie 28 P x̄ = i xi (4.2) n dove n è il numero di dati acquisiti ed xi il valore del singolo dato; per le deviazioni standard della dispersione dei singoli valori rP 2 i (xi − x̄) σx = n−1 (4.3) dove n è il numero di misure effettuate ed x̄ la media dei valori. Prendiamo in considerazione gli stessi sensori del paragrafo precedente e due temperature, una della prima serie (TP T 100 = 9.4 ) ed una della seconda serie (TP T 100 = 24.2 ). Tabella 4.2. Valori medi e deviazioni standard delle temperature misurate dai sensori FBG alla temperatura della sonda PT100 di 9.4 nella prima serie di misure e di 24.2 nella seconda serie di misure. S1532X5 T1512X8 S1526X8 Prima serie di misure (TP T 100 = 9.4 ) Media 9.403 9.359 9.428 Deviazione standard 0.027 0.024 0.080 Seconda serie di misure (TP T 100 = 24.2 ) Media 23.791 24.021 23.490 Deviazione standard 0.025 0.023 0.072 Nella tabella 4.2 possiamo notare che le deviazioni standard delle misure effettuate dai tre sensori sono piccole e non sempre le medie sono compatibili con la risposta della sonda PT100. Infatti, l’intervallo di confidenza della misura con termometro campione e gli intervalli di confidenza delle misure con FBG non si intersecano. Inoltre si può vedere che le deviazioni standard più alte sono quelle per i sensori situati al bordo del contenitore, che sono più soggetti al flusso d’aria delle ventole della camera climatica. Come si può notare dalla tabella 4.2 e dalla figura 4.7 l’andamento dei dati all’aumentare dal numero di essi tende a diventare una gaussiana centrata nella media e con larghezza a metà altezza proporzionale alla deviazione standard. Inoltre, come già detto in precedenza, bisogna fare particolare attenzione agli effetti strumentali, per esempio il flusso d’aria della camera climatica per mantenere la temperatura costante e l’uniformità della temperatura all’interno del contenitore. Infatti come si 4 – Misure e calibrazioni in laboratorio 29 nota nella figura 4.7 per il sensore S1526X8 i dati sono più sparsi. Per valutare la bontà della calibrazione, andiamo a vedere se s’intersecano gli intervalli di confidenza del valore misurato dalla sonda PT100 e della media delle temperature medie misurate dai singoli sensori su fibra ottica. Tabella 4.3. Valor medio, e sua deviazione standard, delle temperature medie misurate da tutti i 21 sensori delle fibre, con temperatura della sonda di riferimento PT100 pari a 9.4 della prima serie di misure e a 24.2 della seconda serie di misure. TP T 100 = 9.4 (Serie 1) Media delle medie Deviazione standard 9.33 0.18 TP T 100 = 24.2 (Serie 2) 23.65 0.23 Dai dati in tabella 4.3, dalla figura 4.8 e ricordando che l’accuratezza della PT100 utilizzata è di 0.1 , si può notare che le medie e la sonda campione non sono sempre compatibili. Per il monitoraggio delle temperature del rivelatore SVD dell’esperimento Belle II, si richiede di avere errori sistematici non superiori a 1 ed errori statistici minori di 0.1 nella misura della temperatura. Possiamo notare dalla figura 4.8 che le nostre calibrazioni rientrano in questi parametri. Infatti per la temperatura della sonda di 9.4 della prima serie di misure, i valori delle temperature misurate dai sensori sono contenute in un intervallo di 1 e per la temperatura della sonda di 24.2 del secondo set di valori di misure l’intervallo è di 0.8 . 4 – Misure e calibrazioni in laboratorio 30 Figura 4.6. Valore dei residui in temperatura. In ascissa la differenza tra i valori delle lunghezze d’onda di massima riflessione λi misurati e il valore λ0 relativo ad un singolo sensore FBG, in ordinata la differenza tra la temperatura misurata dal sensore PT100 di riferimento e le temperature misurate ripetutamente dal sensore FBG. In ordine dall’alto verso il basso i tre sensori S1532X5, T1512X8 e S1526X8. 4 – Misure e calibrazioni in laboratorio 31 Figura 4.7. Istogrammi delle temperature misurate dai tre sensori FBG alle due temperature misurate dalla sonda PT100 di riferimento (9.4 sulla sinistra e 24.5 sulla destra). In ordine dall’alto verso il basso i tre sensori S1532X5, T1512X8 e S1526X8. 4 – Misure e calibrazioni in laboratorio 32 Figura 4.8. Istogrammi delle temperature medie misurate dai singoli sensori FBG. A sinistra la temperatura della sonda di riferimento PT100 è pari a 9.4 ; a destra la temperatura della sonda di riferimento è pari a 24.2 . Capitolo 5 Conclusioni Il rivelatore Silicon Vertex Detector (SVD) dell’esperimento Belle II presso il collisore SuperKEKB, attualmente in fase di costruzione, richiederà un complesso sistema di raffreddamento per la sottrazione del calore dissipato dell’elettronica di lettura, posizionate direttamente sui sensori al silicio che compongono il rivelatore. Il controllo delle temperature in prossimità delle sorgenti di calore è richiesto con errori statistici di circa 0.1 e sistematici non superiori a 1 , per l’intera durata pluriennale dell’esperimento. A tale scopo sono stati scelti sensori di temperatura a reticolo di Bragg su fibra ottica (FBG), che in linea di massima hanno le sensibilità richieste e offrono numerosi vantaggi, tra i quali le ridotte dimensioni e l’assenza di rumore elettromagnetico indotto. Il presente lavoro di tesi si è concentrato sulla concezione e messa a punto di un apparato sperimentale dedicato alla calibrazione dei sensori FBG e al confronto fra fibre e sensori di diversi produttori. L’apparato include, oltre le fibre e all’elettronica di lettura, una camera climatica e un sensore di temperatura di riferimento, costituito da una sonda PT100. La procedura di calibrazione messa a punto include la determinazione di una funzione di conversione della lunghezza d’onda di massima riflessione misurata alla temperatura, tramite regressione polinomiale. Le misure effettuate permettono di stabilire che le richieste di precisione entro 0.1 e accuratezza entro 1 sono sodisfatte grazie alla procedura di calibrazione. È possibile apportare delle modifiche all’apparato strumentale di calibrazione per migliorare ulteriormente l’accuratezza della misura, per esempio : Sostituire la sonda PT100 con un sensore a fibra ottica a reticolo di Bragg con calibrazione di fabbrica. Il sensore campione in fibra ottica ha un tempo di risposta ed una precisione simile ai sensori da calibrare. Un esempio è il 5 – Conclusioni 34 sensore os4210 [22] fornito dalla Micron Optics. Ingrandire il contenitore delle fibre mantenendo spessori sottili delle pareti. Infatti contenitori stretti possono limitare la libertà di espansione termica dei sensori e quindi la lettura della lunghezza d’onda può essere falsata. Inoltre se le pareti di alluminio sono troppo spesse il raggiungimento dell’uniformità termica può risultare troppo lento. Posizionare i sensori lontano alle ventole del flusso d’aria. Infatti per mantenere la temperatura della camera climatica stabile serve un ricircolo d’aria, il quale potrebbe variare in modo significativo le temperature dei sensori vicini alle ventole. Bibliografia [1] Belle II Technical Design Report, KEK Report 2010-1, October 2010; [2] A. Bevan et al., editors. ”The Physics of the B Factories”. Eur. Phys. J. C (2014) 74:3026; [3] J. H. 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