ΜΕΛΕΤΗ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΙΔΙΟΤΗΤΩΝ ΚΑΙ ΣΧΕΔΙΟΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΤΗΣ ΒΑΣΙΚΗΣ ΜΟΝΑΔΑΣ ΤΟΥ ΣΥΜΠΑΓΟΥΣ ΓΡΑΜΜΙΚΟΥ ΕΠΙΤΑΧΥΝΤΗ ΣΥΓΚΡΟΥΟΜΕΝΩΝ ΔΕΣΜΩΝ CLIC ΤΟΥ CERN ΜΕ ΕΜΦΑΣΗ ΣΤΙΣ ΣΥΣΚΕΥΕΣ ΜΕΤΡΗΣΗΣ ΚΑΙ ΕΛΕΓΧΟΥ ΤΩΝ ΔΕΣΜΩΝ ΣΕ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ ΡΑΔΙΕΝΕΡΓΟΥ ΥΠΟΒΑΘΡΟΥ ΥΨΗΛΩΝ ΕΝΕΡΓΕΙΩΝ - Γαζής, Νικόλαος (Σχολή Εφαρμοσμένων Μαθηματικών και Φυσικών Επιστημών, 2015)
Η παρούσα διδακτορική διατριβή περιλαμβάνει τη μελέτη, τον σχεδιασμό και την κατασκευή του υποστηρικτικού συστήματος της Επιταχυντικής Μονάδας Διπλής–Δέσμης (ΕΜΔΔ–Two-Beam Module) του Συμπαγούς Γραμμικού Επιταχυντή Συγκρουόμενων Δεσμών (ΣΓΕΣΔ–CLIC). Επιγραμματικά, η διδακτορική διατριβή, περιέχει όλες τις απαραίτητες πληροφορίες για τον μηχανολογικό σχεδιασμό, την επιλογή υλικών και την επιλογή διαμόρφωσης/διάταξης των συστημάτων. Επιπλέον, παραθέτει τις μελέτες προσομοίωσης, ειδική μελέτη καταμέτρησης των μηχανικών ιδιοτήτων των υλικών, κατασκευή προτύπων σε κλίμακα 1:1, πρότυπο ποιοτικό έλεγχο, πειραματική επιβεβαίωση και μηχανολογική ανάλυση του αποτελέσματος, για το σύστημα αντιστήριξης. Στο κεφάλαιο 1, ο Ευρωπαϊκός Οργανισμός Πυρηνικών Ερευνών (CERN) και η μελέτη του ΣΓΕΣΔ παρουσιάζονται συνοπτικά. Ο στόχος είναι να μελετηθεί η επισκόπηση του επιστημονικού περιβάλλοντος, οι δεδομένες εισαγωγικές πληροφορίες και τα θέματα σκοπιμότητας σχετικά με τον επιταχυντή ΣΓΕΣΔ καθώς και η καινοτομική κατασκευή και η μελλοντική εγκατάστασή του. Επιπλέον, παρουσιάζεται το μελλοντικό πρόγραμμα σωματιδιακής φυσικής του CERN, ο επόμενης γενιάς γραμμικός συμπαγής επιταχυντής, διάδοχος του Μεγάλου Αδρονικού Επιταχυντή (LHC), με προγραμματισμό η λειτουργία του να προωθήσει περαιτέρω την έρευνα νέας φυσικής με τη μελέτη των συγκρούσεων ηλεκτρονίων-ποζιτρονίων (συγκρούσεις e+ e-) σε υψηλά ενεργειακά επίπεδα, τα μεγαλύτερα διεθνώς. Στο κεφάλαιο 2, το υποστηρικτικό σύστημα της ΕΜΔΔ περιγράφεται σε συνθήκες αρχής λειτουργίας και γενικούς όρους συνλειτουργίας με όλα τα υποσυστήματα του ΣΓΕΣΔ. Οι παρεχόμενες πληροφορίες περιγράφουν διεξοδικά τις μηχανολογικές απαιτήσεις και τις τεχνικές προδιαγραφές για την έννοια της Αμφιέρεστης Υποστηρικτικής Δοκού (ΑΥΔ), των Υποστηρίξεων “V” (Υ-V) και των άλλων διατάξεων και των συστημάτων υποστήριξης. Τα συστήματα ευθυγράμμισης και τοποθέτησης, όπως οι βάσεις, τα σημεία άρθρωσης, οι κινητήρες/ενεργοποιητές και οι αισθητήρες ευθυγράμμισης περιγράφονται επίσης για να πλαισιώσουν αλλά και να συνεισφέρουν στην κατανόηση της μελέτης. Ο συνδυασμός της έρευνας για τη μελλοντική λειτουργία αλλά και τη λειτουργικότητα του εκάστου εξαρτήματος στην εγκατάσταση διαμορφώνεται στις τεχνικές προδιαγραφές. Με αυτόν τον τρόπο, το σύστημα αντιστήριξης ορίζεται αρτίως και οι διάφορες συνιστώσες του περιγράφονται πλήρως από τεχνικής και μηχανικής άποψης. Το κεφάλαιο 3 παρουσιάζει τον λεπτομερή μηχανολογικό σχεδιασμό του υποστηρικτικού συστήματος της ΕΜΔΔ με τα αντίστοιχα στάδια ανάπτυξής του. Το βάρος των διαφόρων συστατικών υπολογίζεται και προσδιορίζονται οι οριακές συνθήκες των γειτονικών υποσυστημάτων μαζί με τις πρώτες καινοτομικές τεχνικές προδιαγραφές της ΕΜΔΔ. Η έρευνα φτάνει σε ένα τελικό στάδιο, όπου σε αυτή την φάση περατώνεται ένας από τους βασικότερους στόχους της παρούσας διατριβής: ο ορισμός της θεμελιώδους υποστηρικτικής διάταξης καθώς και των εναλλακτικών της διαρρυθμίσεων. Με αυτό τον τρόπο για πρώτη φορά από τη στιγμή που άρχισε να μελετάται ο ΣΓΕΣΔ αποκτά ένα θεμελιώδες σύστημα υποστήριξης με εξειδικευμένο υλικό και ανεπτυγμένη γεωμετρία ώστε να εξυπηρετείται πλήρως η αναγκαία λειτουργικότητα για κάθε ένα από τα συστατικά του. Η εκτεταμένη μελέτη του σχεδιασμού των διατάξεων, με τις πιθανές βελτιώσεις στις μηχανολογικές επιδόσεις τους, θεωρούνται και αντιμετωπίστηκαν ως πρωταρχικής σημασίας. Οι μελέτες προσομοίωσης που ακολουθούν, επιβεβαιώνουν τις μηχανικές επιλογές και προωθούν τη μελέτη της διατριβής επιπλέον, με τη βελτιστοποίηση των διαφόρων παραμέτρων σχεδιασμού. Οι μελέτες με τα μοντέλα των πεπερασμένων στοιχείων έχουν σαν τελικό αποτέλεσμα να αναδείξουν και να επιβεβαιώσουν το βέλτιστο υιοθετούμενο υλικό με τις ανάλογες διατάξεις/διαμορφώσεις και παρέχουν επίσης τις εναλλακτικές λύσεις, για λόγους σύγκρισης. Στο κεφάλαιο 4, παρουσιάζεται η πρότυπη κατασκευή των πρώτων καινοτομικών συστημάτων υποστήριξης για το ΣΓΕΣΔ με διαφορετικά δομικά υλικά. Οι διαφορετικές διαμορφώσεις και τα ανάλογα υποσυστήματα για την υποστήριξη των διατάξεων της ΕΜΔΔ καθορίζονται μηχανολογικά και διαιρούνται σε περιπτώσεις με την εδραίωση κατασκευαστικών στρατηγικών, που καθορίζονται για κάθε περίπτωση. Η παραγωγή και πάλι χωρίζεται σε κατασκευή προτύπων και μαζική παραγωγή, που εξυπηρετούν τις ανάγκες για σημαντική, ταχεία και αποτελεσματική πρόοδο σχετικά με τον ανάλογο χρονικό ορίζοντα. Η πρότυπη κατασκευή ξεκίνησε και η παρακολούθηση της παραγωγής συνεχίστηκε έως ότου επιτεύχθηκε ιστορικά να παραχθεί το πρώτο υποστηρικτικό σύστημα της ΕΜΔΔ σε πραγματική κλίμακα για τη μηχανή του ΣΓΕΣΔ. Η λεπτομερής επιλογή των πολυάριθμων βιομηχανικών διαδικασιών που εξετάζονται, προσέφεραν τις κατασκευές των προτύπων σύμφωνα με τις προδιαγραφές της Θεμελιώδους Σχεδιαστικής Μελέτης (ΘΣΜ–CDR) με χρονικά περιθώρια εντός της καθορισμένης προθεσμίας. Τα νεοαποκτηθέντα συστήματα αντιστήριξης δημιουργήθηκαν από καρβίδιο του πυριτίου (SiC) αλλά και από το καινοτομικό χυτό ορυκτό υλικό με την εμπορική ονομασία Epument. Επιπλέον, το βήμα της εκτεταμένης βελτιστοποίησης που επιτυγχάνεται στη συνέχεια, ολοκλήρωσε με επιτυχία το μηχανολογικό σχεδιασμό που καλύπτει όλες τις πτυχές των υπολειπόμενων ανοικτών παραμέτρων σχετικά με τη λειτουργία του συστήματος υποστήριξης. Η επακόλουθη μαζική παραγωγή ξεκινά μετά βήμα–βήμα με την καθιερωμένη πλέον θεμελιώδη στρατηγική κατασκευής. Τα αποτελέσματα αυτής της μελέτης θα αποδώσουν τα πρώτα συστήματα που θα υποστηρίζουν, θα σταθεροποιούν και θα ευθυγραμμίζουν τις μονάδες που πρόκειται να εγκατασταθούν στο Πειραματικό Κέντρο του ΣΓΕΣΔ (ΠΚ-ΣΓΕΣΔ) στις εγκαταστάσεις του CERN. Στο κεφάλαιο 5, παρουσιάζονται οι μετρήσεις του ποιοτικού ελέγχου των προτύπων. Τα πειραματικά αποτελέσματά τους σε συνδυασμό με τις δυναμικές δοκιμές αναλύονται και τα αποτελέσματα καταλήγουν να συμφωνούν με τις προκαθορισμένες τεχνικές προδιαγραφές. Οι διαστασιολογικοί έλεγχοι, οι μετρήσεις δυναμικής συμπεριφοράς και οι εκτεταμένες ποιοτικές δοκιμές απέδειξαν την ορθή σχεδιοκατασκευή τόσο της πρότυπης κατασκευής όσο και της μαζικής παραγωγής. Μετά το πέρας αυτής της φάσης, επιβεβαιώθηκε ο αξιόπιστος θεμελιώδης σχεδιασμός με βασική επιτυχία. Η αποδοτικότητα όσον αφορά το κόστος της συνολικής παραγωγής κρίνεται ως πλέον ικανοποιητική. Ωστόσο, η βελτιστοποίηση μόνο για αυτήν την παράμετρο θα μπορούσε να συνεχιστεί στο μέλλον, λαμβάνοντας υπόψη μια πιθανή περαιτέρω εκβιομηχάνιση της παραγωγής. Στο κεφάλαιο 6, παρουσιάζεται η εκτεταμένη μελέτη των δομικών υλικών που χρησιμοποιούνται για τις κατασκευές προτύπων υπό το πρίσμα των μηχανολογικών πειραμάτων και δοκιμών (απλή μονοαξονική συμπίεση, κάμψη τριών σημείων, δοκιμές Βραζιλιανού δίσκου) με ακτινοβολημένα δείγματα και δοκίμια αναφοράς. Η προσπίπτουσα ακτινοβολία νετρονίων που επιτεύχθηκε πλησίασε σε ένα ικανοποιητικό ποσοστό σε ισοδύναμη δόση την υψηλή ακτινοβολία ραδιενεργού υποβάθρου παραγόμενη από την προσομοιωμένη ονομαστική μελλοντική λειτουργία του ΣΓΕΣΔ. Εξάγονται ακολούθως τα αποτελέσματα από την ανάλυση ενεργοποίησης με δέσμες νετρονίων. Μία καινοτομική μεθοδολογία δοκιμών αναπτύσεται για την επιλογή των δομικών υλικών για το υποστηρικτικό σύστημα της ΕΜΔΔ. Τα υποψήφια υλικά θα πρέπει να πληρούν όλες τις απαραίτητες μηχανικές ιδιότητες για την επιτυχή λειτουργία της ΕΜΔΔ. Επιπλέον, τα δείγματα υλικού πρέπει να διέρχονται μέσω της νέας διεξοδικής πειραματικής διαδικασίας ελέγχου: i. Ακτινοβόληση με υψηλές ενέργειες και ροές δεσμών νετρονίων, ii. Μηχανικές δοκιμές πριν και μετά την ακτινοβόληση, iii. Ποιοτικός έλεγχος και έλεγχος της μικροδομής του υλικού πριν και μετά την ακτινοβόληση και τις μηχανικές δοκιμές. Το τελευταίο μέρος της μελέτης είναι η ανάλυση των δεδομένων που προέρχονται από τις πειραματικές δοκιμές μετά το πέρας της πρότυπης παραγωγής. Μελετώνται οι ατομικές ιδιότητες ενεργοποίησης του κάθε υλικού. Στο συγκεκριμένο στάδιο έρχονται τα πειράματα με δέσμες νετρονίων που καταπονούν σε μικρομετρική κλίμακα τα δομικά υλικά των υποστηρικτικών συστημάτων. Τέλος, οι μηχανικές δοκιμές που ακολουθούν, επιβεβαίωσαν ότι τα υλικά που επιλέγονται για τα πρότυπες κατασκευές αλλά και τη μελλοντική μαζική παραγωγή μπορούν να ανθίστανται τόσο στο υπόβαθρο υψηλής ακτινοβολίας των πειραμάτων φυσικής όσο και στον αναμενόμενο χρόνο λειτουργίας με ένα πολύ ικανοποιητικό συντελεστή ασφαλείας. Επιπλέον, ο πειραματικός ραδιολογικός χαρακτηρισμός των υλικών από τα προαναφερθέντα μέσα, επιβεβαίωσε τις προκαταρκτικές προσομοιώσεις, που αποτελούσαν βάση της αρχικής υπόθεσης της μελέτης. Τα επιτυχή αποτελέσματα αποδεικνύουν ότι τα δεδομένα και ο σχεδιασμός παραμένουν ενήμερα, αφού άλλωστε βασίζονται σε μια προσεκτικά σχεδιασμένη μηχανολογική προσέγγιση. Η ανάλυση των αποτελεσμάτων παρουσιάζεται στο υποκεφάλαιο 7.2 και ακολουθείται από τα σχετικά συμπεράσματα. Οι παράμετροι και η πρόοδος της μελέτης της διατριβής παρουσιάζονται σε αρκετές περιπτώσεις κατά τη διάρκεια των τελευταίων 4 ετών σε εσωτερικές συνεδριάσεις, διεθνή σεμινάρια και συνέδρια αλληλεπιδρώντας, με αυτό τον τρόπο στο κοινό τα εν εξελίξει αποτελέσματα με τη διεθνή επιστημονική κοινότητα. Η καλή συμφωνία μεταξύ της προσομοίωσης, της προτυποποίησης, του ποιοτικού ελέγχου και των πειραματικών αποτελέσματων δημοσιεύονται [17], [18], [19], [21], [22], [35], [38] και σχολιάζονται. Στα προηγούμενα κεφάλαια μια πλήρης παρουσίαση όλων των πτυχών της μηχανικής μελέτης και σχεδιοκατασκευής για το υποστηρικτικό σύστημα της ΕΜΔΔ του ΣΓΕΣΔ παρουσιάστηκε και αναλύθηκε διεξοδικά. Μερικά επιπλέον βήματα πειραματικών δοκιμών θα μπορούσαν να συνεχιστούν στο μέλλον. Αυτά θα πρέπει να ακολουθούν τις ενδεχόμενες δυναμικές ενημερώσεις των τεχνικών προδιαγραφών ανάλογα με τις πιθανές μεταβολές των απαιτήσεων από πλευράς της νέας φυσικής που θα μελετηθεί στον επιταχυντή ΣΓΕΣΔ. Ο σχεδιασμός του μελλοντικού επιταχυντή έχει επιτευχθεί σήμερα χωρίς όμως αυτό να σημαίνει ότι δεν υπάρχουν περιθώρια για περαιτέρω εξελίξεις.