RICERCA ITALIANA     

Alimentazione di potenza in ambiente ostile: applicazione ad esperimenti di fisica delle alte energie

Università degli Studi di Padova

Abstract

L'attività di ricerca proposta ha come obiettivo principale lo studio e lo sviluppo di sistemi di alimentazione distribuita per schede elettroniche operanti in ambienti altamente ostili, quali quelli relativi agli esperimenti di fisica delle alte energie al CERN. Alcuni specifici requisiti, ben lontani da quelli disponibili sul mercato consumer, sono: capacità di operare in presenza di un'elevata dose di radiazione ionizzante; capacità di operare in presenza di un campo magnetico statico molto intenso; minimi volume e massa; elevata efficienza per la limitazione della dissipazione termica e, in generale, elevato controllo del sistema termico; basso livello di interferenza elettromagnetica prodotta; elevata affidabilità. Si sottolinea che la maggior parte di questi requisiti, eccezione fatta per le limitazioni relative al campo magnetico statico, sono affini ma più limitanti di quelli propri dei sistemi destinati all'ambito aerospaziale. Per questa ragione, le tecnologie sviluppate in questa ricerca potranno essere fortemente abilitanti anche nel futuro per il settore avionico/elettronico e per lo spazio, ritenuto un ambito decisamente strategico per l’Europa nei prossimi 10 anni [Rif. Roadmap ESA (European Space Agency)].

Nell'ambito del presente progetto, la ricerca si focalizzerà sulla definizione di un’architettura di distribuzione basata su due stadi di conversione cc-cc: il primo relativo alla conversione di una tensione >>>

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Paolo Tenti Università degli Studi di PADOVA

Obiettivo del Programma di Ricerca

Gli obiettivi principali del progetto riguardano lo sviluppo di tecnologie abilitanti per i sistemi di alimentazione distribuita in ambienti altamente ostili, caratterizzati da alti livelli di radiazione, elevati campi magnetici e stringenti vincoli termici. Essi possono essere riassunti sinteticamente in quattro punti che riflettono direttamente i quattro filoni di ricerca principali: 1) convertitori isolati multi-uscita per alimentazione distribuita in ambiente ostile , 2) convertitori Point-of-Load Coreless in ambiente ostile , 3) analisi e progettazione termica ed, infine, 4) dispositivi elettronici in presenza di elevati gradi di radiazione. L'architettura di alimentazione ipotizzata, che servirà come linea guida per le tecnologie che verranno sviluppate nel progetto, è di tipo distribuito e rappresenta un miglioramento rispetto a quanto utilizzato attualmente nella parte dei rivelatori calorimetrici ad Argon Liquido (LArg) dell’esperimento ATLAS sull'acceleratore LHC (Large Hadron Collider) del CERN. In breve essa si compone di: (1) un Convertitore cc-cc Primario isolato (CP) multi-uscita, alimentato da una media tensione (ad es. 300 V) non regolata, con uscite multiple isolate fra loro; (2) un bus a bassa tensione (ad es. 12 V); (3) vari Convertitori Secondari di tipo point-of-load (CSPOL), posti sulle singole schede di elaborazione dei segnali, che convertono la tensione di bus nei >>>

Risultati parziali attesi

La ricerca proposta è orientata allo studio di nuove topologie circuitali, tecniche di controllo, tecnologie termiche e di dispositivi atti a permettere la realizzazione di sistemi di alimentazione distribuita in ambiente ostile: presenza di elevati campi magnetici, elevati livelli di radiazione e stringenti vincoli termici. I risultati attesi della ricerca, sono ben rappresentati dai “Milestones” previsti al termine di ciascun task e descritti di seguito nel dettaglio.

In linea generale, si prevedono forti ricadute e potenzialità applicative non solo nel campo della fisica delle alte energie, settore di ispirazione di questo progetto, ma anche in ambito spaziale, per la presenza di elevata radiazione e, in generale, in tutte le applicazioni caratterizzate da quelli da noi definiti “ambienti ostili”, siano essi in termini di campo magnetico, di radiazione e/o termico.

A dimostrazione dell’interesse scientifico del progetto proposto, è allegata una lettera da parte di una ditta leader nel settore dei sistemi di alimentazione in ambito spaziale e negli esperimenti di fisica delle alte energie, che indica chiaramente la forte rilevanza scientifica ed internazionale della nostra proposta e la relativa ricaduta industriale. Infine, anche nell’ultimo workshop relativo agli aspetti elettronici negli esperimenti di fisica delle alte energie (TWEPP’07 – Topical Workshop in electronics for Particle Physics -http://www.particle.cz/conferences/twepp07/), si >>>

Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

Il successo del presente programma di fisica al CERN e’ collegato alla possibilità di utilizzare in pieno le potenzialità’ di ricerca che il nuovo acceleratore “Large Hadron Collider” (LHC) e’ in grado di offrire. L’acceleratore LHC e’ stato progettato per esplorare un’area molto vasta della fisica, comprendente in particolare l’origine della massa a livello di forza elettrodebole.

Due apparati sperimentali, ATLAS e CMS, stanno ultimando la loro costruzione ed i loro rivelatori sono stati ottimizzati per poter essere sensibili sul più probabile intervallo di masse del bosone di Higgs, ma anche per poter studiare in dettaglio i decadimenti dei quark “top”, la supersimmetria e le grandi scale composite. Questa ottimizzazione a largo spettro, in grado di studiare molti aspetti di fisica, dovrebbe permettere di studiare altrettanto bene anche fenomeni di fisica completamente nuovi e non conosciuti.

Molte delle domande a cui LHC vuole rispondere richiedono di raggiungere luminosità’ elevate e quindi l’obbiettivo degli esperimenti precedentemente citati è di poter operare alla luminosità nominale di LHC, ovvero a 1.7 10^34 cm^(-2)s^(-1), in modo che si possano rilevare il maggior numero di eventi fisici misurando elettroni, raggi gamma, sciami e energia transversa mancante. La scelta dei tipi di rivelatori da impiegare negli esperimenti ATLAS e CMS è il risultato di lunghe e complesse fasi di ricerca e sviluppo. Per esempio, l’insieme dei rivelatori >>>