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FISICA Dipartimento di Fisica e Astronomia

Neolite

Il progetto NEOLITE nasce con lo scopo di affrontare una problematica tecnologica estremamente complessa nel mondo dell’elettronica: la capacità di garantire un funzionamento affidabile dei componenti e del sistema che essi costituiscono in condizioni di utilizzo estremamente “difficili”. Non si fa semplicemente riferimento alle canoniche condizioni ambientali “avverse” che l’elettronica si trova a sfidare per molte applicazioni comuni e che sono legate a parametri termodinamici (Temperatura, Umidità, Pressione, …) e meccanici (forze, vibrazioni, ...), ma ad altre condizioni fortemente interagenti con alcuni dei principi di funzionamento fondamentali dei componenti elettronici stessi. Risulta evidente infatti che per tutti i componenti elettronici il cui funzionamento si basa su fenomeni magnetici (induttori, trasformatori, solenoidi, filtri, ecc.), la presenza di un forte campo magnetico ambientale è in grado di influenzarne fortemente il funzionamento. La presenza di radiazione ionizzante nell’ambiente è invece una condizione di funzionamento critica per i circuiti integrati e per tutti i componenti elettronici a semiconduttore (diodi, transistors, MOSFET, JFET, ...); per questo motivo esistono in commercio dei componenti speciali marchiati “rad-tolerant” in grado di funzionare in presenza di radiazione, ma questi componenti non sono al top della tecnologia attuale e sono molto costosi.

Queste due condizioni possono verificarsi contemporaneamente in due ambiti applicativi dell’elettronica:

 

1) Dispositivi di imaging medicale basati sull’integrazione di informazioni morfologiche (Magnetic Resonance Imaging o MRI) con informazioni fisologiche (Posytron Emission Tomography o PET).

2) Rivelazione di particelle ad alta energia per lo studio della materia nei grandi esperimenti di fisica delle particelle elementari.

 

In queste applicazioni, la categoria di sistemi elettronici che utilizza componenti magnetici ed a semiconduttore, e che quindi risulta sensibile ad entrambe le condizioni ostili sopracitate, è quella dei sistemi di alimentazione intelligenti. Il progetto NEOLITE si pone come obiettivo la realizzazione di sistemi di alimentazione intelligenti in grado di operare in condizioni ostili. Per sviluppare questa tipologia di alimentatori sarà necessario esplorare le nuovissime tecnologie messe a disposizione dalla microelettronica, come nuovi materiali semiconduttori e ferromagnetici, nonché effettuare test sui componenti per verificarne l’effetto del campo magnetico e della radiazione ionizzante sul funzionamento e sulle performance. L'azienda CAEN, capofila del progetto NEOLITE, progetta e sviluppa dispositivi elettronici ad altissime performance per la ricerca in fisica nucleare e delle alte energie. In particolare, è leader mondiale nello sviluppo di sistemi di alimentazione per i sensori utilizzati nei grandi esperimenti di fisica di tutto il mondo. Uno dei maggiori fruitori di questi sistemi è il CERN di Ginevra, il laboratorio di fisica delle alte energie più importante del mondo. CAEN, progettando e realizzando gran parte degli alimentatori utilizzati negli esperimenti ATLAS e CMS ad LHC, ha supportato la comunità scientifica internazionale, realizzando migliaia di dispositivi attualmente in uso e ricevendo anche il più importante riconoscimento del CERN per le aziende fornitrici. Il programma del CERN per il prossimo decennio prevede un'importante aggiornamento della strumentazione presente in questi esperimenti, aggiornamento che richiederà lo sviluppo di tecnologie attualmente non esistenti al mondo per cercare una risposta a tanti quesiti ancora aperti sulla struttura della materia e dell'universo.

Durante la prima metà del progetto sono state studiate le caratteristiche degli ambienti d’uso e successivamente sono stati definiti i requisiti da soddisfare nelle applicazioni target; ciò ha permesso fin da subito di ricercare e selezionare dei laboratori dove fosse possibile ricreare tali condizioni ambientali e dove fosse possibile quindi effettuare successivamente dei test realistici sui prototipi sviluppati.

Sono state quindi definite le specifiche tecniche dei dispositivi  sviluppati nel progetto e sono state avviate le attività di costruzione dei prototipi .

Durante questa fase è anche stato effettuato un primo test in ambiente con radiazione ionizzante per selezionare alcuni componenti da utilizzare per i prototipi. Parallelamente a queste attività, gli organismi di ricerca hanno avviato le attività di studio degli effetti della radiazione ionizzante sui componenti elettronici, così da permettere una corretta ed esaustiva interpretazione dei risultati dei test in ambiente ostile ed in modo da fornire ai partner tecnologici un background scientifico sufficiente ad adottare delle strategie di mitigazione efficaci.

L’architettura del sistema NEOLITE si basa sull’esperienza acquisita dagli attuali 10 anni di funzionamento del sistema EASY, con lo scopo di superare i limiti imposti dalla tecnologia attuale. In particolare, l’architettura è stata disegnata in modo da:

1) aumentare la resilienza del sistema al campo magnetico;

2) aumentare la resilienza alla radiazione ionizzante;

3) incrementare la modularità e la scalabilità del sistema;

4) separare la sezione di controllo digitale dell’alimentatore dalla sezione di potenza in modo da permettere lo spostamento della sezione di controllo in area moderatamente ostile in caso di applicazione in ambienti estremamente radioattivi;

5) aumentare la banda di comunicazione tra sezione di controllo digitale dell’alimentatore e la sezione di controllo remote con lo scopo di incrementare la reattività del controllo e minimizzare i ritardi presenti nella catena di monitoraggio dei parametri di funzionamento del sistema.

Il prototipo finale del progetto NEOLITE per l’applicazione HL-LHC è mostrato in Fig.1 ed è un alimentatore in grado di erogare 1.6 kW complessivi su 8 canali indipendenti raffreddato a liquido. È stato provato con successo fino a 30 kRad e 0.8 T in campo magnetico mantenendo un’efficienza superiore all’80%.

 

 
ultimo aggiornamento: 10-Ott-2018
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