Fare ordine riguardo all’allineamento dei componenti dell’acceleratore
Gli acceleratori di particelle, come ad esempio il Large Hadron Collider (LHC) al CERN, rappresentano il massimo successo nella scienza, ma richiedono anche l’ingegneria di precisione più avanzata. Il CERN sta studiando un nuovo anello di collisione, il Compact Linear Collider (CLIC), e come parte di questi studi, ha creato una rete di formazione di dottorato finanziata dall’UE, PACMAN, per risolvere alcune delle sfide tecniche riguardanti la metrologia che si presentano nell’allineare i componenti dell’acceleratore con precisione micrometrica. Il CLIC porterà avanti il lavoro del LHC, e permetterà agli scienziati del CERN di studiare le collisioni tra elettroni e positroni a energie massime pari a diversi teraelettronvolt. Nella sua configurazione finale i gruppi di elettroni e positroni vengono fatti accelerare per oltre 25 km partendo da due estremità opposte. Sin dall’inizio della sua progettazione è stato chiaro che una delle questioni principali sarebbe stata l’allineamento dei 20 000 moduli e dei sistemi tecnici associati all’interno del tunnel dell’acceleratore. Una delle sfide tecniche sarà quella di allineare questi componenti per centinaia di metri al fine di creare e mantenere il più piccolo fascio di elettroni possibile, che creerà il numero massimo di eventi di collisione. Per l’anello di collisione CLIC, la dimensione del fascio nel punto di collisione sarà nell’ordine di un nanometro verticalmente e di 40 nanometri orizzontalmente (la forma di un nastro). “L’obiettivo della rete PACMAN è quello di migliorare la precisione dell’allineamento dei componenti dell’acceleratore e questo implica una ricerca multidisciplinare, che combina metrologia, lavorazioni ad alta precisione, tecnologia a microonde e misurazioni magnetiche,” afferma la dott.ssa Helene Mainaud Durand, coordinatrice del progetto e scienziata del CERN. La rete, finanziata per quattro anni, ha incluso dieci studenti di corsi di dottorato e ha integrato partner accademici e industriali. Per testare sperimentalmente i nuovi metodi sviluppati in ciascun progetto, il fascio di elettroni è stato sostituito da un cavo teso, che attraversava i componenti dell’acceleratore. Usando misurazioni magnetiche o elettro-magnetiche, questo ha poi consentito ai ricercatori di vedere se il cavo era posizionato con precisione al centro dei componenti. “Questo ha richiesto un anno di preparazione: tutti gli studenti dovevano essere d’accordo riguardo allo stesso cavo che sarebbe stato utilizzato per tutte le misurazioni e anche sulle componenti hardware e software da usare,” racconta la dott.ssa Durand. I metodi sviluppati hanno mostrato che per ciascun tipo di componente era possibile posizionare con ripetibilità il cavo teso al suo centro, con uno scostamento massimo di un micrometro. “Tali precisioni non erano mai stata raggiunte prima e ci consentiranno di allineare velocemente i componenti, e inoltre di utilizzare dei metodi automatizzati per guadagnare tempo,” spiega la dott.ssa Durand. Usando delle griglie esterne di posizionamento, si potrebbero allineare automaticamente i componenti durante l’assemblaggio nello stabilimento di produzione o dopo il trasporto, nel tunnel dell’acceleratore. Questo potrebbe essere fatto con un livello di precisione inferiore a cinque micrometri. Al CERN, alcuni dei metodi sviluppati dalla rete PACMAN verranno applicati a componenti dell’LHC come parte di un aggiornamento nel 2024 (progetto HL-LHC) e questo dovrebbe aiutare a incrementare il numero degli eventi di collisione che si possono osservare nell’LHC. I metodi sviluppato nel progetto hanno anche suscitato interesse nella comunità degli acceleratori per uso medico, dove sono necessarie delle strette tolleranze di allineamento simili per la radioterapia del cancro. “I metodi del progetto potrebbero essere anche trasferiti nell’industria aerospaziale e in quella automobilistica, nei telescopi per la ricerca e nell’assemblaggio dei satelliti,” aggiunge la dott.ssa Durand. Uno studio successivo è stato lanciato dal gruppo di trasferimento delle conoscenze del CERN al fine di esplorare queste possibilità.
Parole chiave
PACMAN, progetto acceleratore particelle, Large Hadron Collider, Compact Linear Collider, metrologia, componenti acceleratore, allineamento