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• Frascati
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• Mu2e
• nomenclatura dei cavi
• progettazione
• prototyping
• quality check
• robot
• verifica delle tolleranze

Riassunto in italiano:
L’esperimento Mu2e presso il Muon Campus di Fermilab (USA) è attualmente in fase avanzata di progettazione e costruzione. Lo scopo dell’esperimento è la ricerca della conversione coerente del muone in elettrone nel campo di un nucleo di alluminio. Il gruppo Mu2e di Pisa è impegnato, in collaborazione con il gruppo Mu2e dei Laboratori Nazionali di Frascati, di Lecce, di Caltech e Fermilab, nel progetto del calorimetro elettromagnetico dell’esperimento. Quest’ultimo deve operare in ambiente ostile, è esposto ad elevate dosi di radiazione, immerso in un campo magnetico di intensità 1 Tesla, e deve operare nel vuoto. I problemi della resistenza alla radiazione dei componenti elettronici e della dissipazione del calore sviluppato dalla elettronica sono stati oggetto di studi accurati e sono stati scelti solamente componenti elettronici dei quali è stata verificata sperimentalmente la compatibilità con queste condizioni ambientali mediante apposite campagne di test. Anche se questo problema è stato studiato con estrema cautela, è probabile che, nell’arco della presa dati di tre anni, una frazione non irrilevante dei SiPM o delle schede di front-end abbia dei malfunzionamenti e debba essere sostituita in occasione degli shut-down dell’esperimento dedicati alla manutenzione periodica dell’apparato. Dato che la collocazione del calorimetro nella sede sperimentale non consentirà un agevole accesso per effettuare la sostituzione dei SiPM danneggiati, è necessario sviluppare un apposito braccio robotico per svolgere questa funzione. Il braccio robotico dovrà posizionarsi in corrispondenza del modulo SiPM/front-end malfunzionante e provvedere al suo smontaggio e sostituzione con una unità integra. Nel processo dovrà manipolare i cavi di segnale e le fibre ottiche in modo tale da crearsi lo spazio di lavoro necessario. Il braccio sarà quindi costituito da una serie di manipolatori dediti alla preparazione dello smontaggio del modulo, una serie di manipolatori per lo smontaggio vero e proprio che consisterà nello svitare quattro viti, sconnettere due cavi di segnale e sconnettere una fibra ottica, che verranno poi riconnessi una volta rimpiazzato il modulo SiPM, e una serie di manipolatori per la movimentazione dell’unità da sostituire e dell’unità sostitutiva. Tale braccio robotico dovrà permettere un posizionamento preciso per eseguire le sopracitate operazioni e provvedere a un meccanismo di correzione del posizionamento hardware e/o software. Durante la fase di progettazione di tale sistema sono però sorti alcuni inconvenienti. Ai fini di una più semplice progettazione del robot, è stato necessario apportare delle modifiche a parte del calorimetro, dato che, anche se pochi, alcuni dei suoi componenti si trovano alla loro versione definitiva. È stato necessario effettuare un lavoro propedeutico di realizzazione di un nuovo routing dei cavi antecedenti ai rilevatori in maniera che seguissero una logica non più radiale ma lineare. In questo modo è stato aumentato lo spazio di lavoro del robot e semplificato il suo accesso ai rilevatori che ponevano l’ostacolo di avere davanti a sé i cavi e le fibre ottiche di segnale. Dopo una verifica delle tolleranze del backplate, realizzati da INFN grazie alla collaborazione con Quadrant, tramite una misurazione con macchina CMM, è stato creata una correlazione tra le singole posizioni dei rilevatori SiPM, identificate con coordinate discrete di ogni cristallo, e le coordinate spaziali continue di input per il posizionamento degli end-effector, ovvero le coordinate del piano di lavoro del robot (piano x-y). In questo modo è stata resa biunivoca la relazione tra la codifica del cristallo corrispondente al rilevatore danneggiato con le coordinate spaziali della posizione che esso occupa nell’area di lavoro del robot.
Inoltre la nuova logica lineare di routing dei cavi, che concederà un miglior brandeggio al robot, ha richiesto una verifica delle vecchie lunghezze dei circa 1300 cavi provenienti dai crates di elaborazioni dei segnali che vanno a collegarsi ai singoli rilevatori, data la necessità di garantire che ogni canale possa essere di fatto collegato. Il processo di calcolo delle nuove lunghezze ha permesso di notare che alcuni dei vecchi cavi risultavano sovrabbondanti, ma sfortunatamente troppo corti per la nuova logica di allocazione. Quest’ultima però ha il vantaggio, oltre ad agevolare il robot manutentivo, anche di distribuire più equamente tra le diverse board di calcolo i canali associati ai cristalli investiti da una più alta densità di flusso, che si presuppongono soggetti ad un maggior numero di rilevazioni e dunque di dati da dover elaborare. In questo modo il carico computazionale di ogni board risulta più uniforme e l’efficienza di calcolo migliorata. Appurato che la logica lineare fosse dunque conveniente, sono stati successivamente progettati e realizzati delle staffe per il sostegno di un settore di cavi che seguissero proprio la nuova logica lineare e successivamente montati per il test sul mockup del backplate presente a Frascati.
In conclusione, è stata posta la base per la realizzazione del robot che potesse svolgere le operazioni sopra citate e compiere il task. Si è optato per una struttura a portale cartesiano che sostenesse una o più teste provviste dei prototipi di end-effector. Di questi è stata sviluppata la fase iniziale di raccolta dei vincoli, dei carichi, delle interfacce e delle caratteristiche di impiego che hanno motivato la loro prima prototipazione.
Per i pezzi acquistabili sul mercato è stata fatta una distinta base, mentre per i componenti da realizzare ad hoc per un sistema singolare come questo sono stati realizzati i disegni tecnici per una futura realizzazione tramite macchine utensili o stampaggio 3D. In un futuro questa Tesi potrebbe essere la base per la realizzazione del sistema in concreto, per una sua calibrazione e successivamente effettuare test di funzionamento direttamente ai laboratori nazionali del Fermilab, dove è previsto saranno assemblati e definitivamente collocati i due calorimetri entro il 2024.

English summary:
The Mu2e experiment at the Muon Campus in Fermilab (USA) is currently at an advanced stage of design and construction. The purpose of the experiment is the search for the coherent conversion of the muon into an electron in the field of an aluminum nucleus. The Mu2e group of Pisa is involved, in collaboration with the Mu2e group of the National Laboratories of Frascati, Lecce, Caltech and Fermilab, in the design of the electromagnetic calorimeter of the experiment. The latter must operate in a hostile environment, is exposed to high doses of radiation, immersed in a magnetic field of 1 Tesla intensity, and must operate in vacuum. The problems of resistance to radiation of electronic components and of heat dissipation developed by electronics have been the subject of accurate studies and only electronic components whose compatibility with these environmental conditions have been chosen and experimentally verified by means of specific test campaigns. Even if this problem has been studied with extreme caution, it is likely that, over three years of time, a not insignificant fraction of the SiPM or the front-end cards have malfunctions and must be replaced during the experiment shutdowns dedicated to the periodic maintenance of the apparatus. Given that the location of the calorimeter in the experimental site will not allow easy access to replace the damaged SiPM, it is necessary to develop a special robotic arm to perform this function. The robotic arm must position itself in correspondence with the malfunctioning SiPM module/front-end unit and provide for its disassembly and replacement with an integrated unit. In the process he will have to manipulate the signal cables and optical fibers in order to create the necessary workspace. The arm will therefore consist of a series of manipulators dedicated to preparing the disassembly of the module, a series of manipulators for actual disassembly which will consist in unscrewing four screws, disconnecting two signal cables and disconnecting an optical fiber, which will then be reconnected. once the SiPM module has been replaced, and a series of manipulators for handling the unit to be replaced and the replacement unit. This robotic arm must allow precise positioning to perform the afore mentioned operations and provide a hardware and/or software positioning correction mechanism. However, some drawbacks arose during the design phase of this system. For the purpose of a simpler design of the robot, it was necessary to make some changes to part of the calorimeter, since, although few, some of its components are in their final version. It was necessary to carry out a preparatory work for the realization of a new routing of the cables preceding the detectors so that they followed a logic no longer radial but linear. In this way, the working space of the robot was increased and its access to the detectors was simplified, which posed the obstacle of having the cables and optical signal fibers in front of them. After a verification of the backplate tolerances, piece realized by INFN thanks to the collaboration with Quadrant, through a measurement with a CMM machine, a correlation was created between the individual positions of the SiPM detectors, identified with discrete coordinates of each crystal, and the continuous spatial coordinates, input for the positioning of the end-effectors, that is the coordinates of the robot work plane (x,y plane). In this way, the relationship between the coding of the crystal corresponding to the damaged detector with the spatial coordinates of the position it occupies in the working area of the robot has been made biunique.
Furthermore, the new linear logic of cable routing, which will grant a better swing to the robot, required a verification of the old lengths of the approximately 1300 cables coming from the signal processing crates that connect to the individual detectors, given the need to ensure that each channel can be effectively connected. The process of calculating the new lengths revealed that some of the old cables were overabundant, but unfortunately too short for the new allocation logic. The latter, however, has the advantage, in addition to facilitating the maintenance robot, also of distributing the channels associated with the crystals affected by a higher flux density more evenly among the different calculation boards, which are assumed to be subject to a greater number of detections and therefore, of data to be processed. In this way, the computational load of each board is more uniform, and the calculation efficiency improved. Having ascertained that linear logic was therefore convenient, brackets were subsequently designed and built to support a sector of cables that followed the new linear logic and then mounted for the test on the mockup of the backplate located in Frascati.
In conclusion, the basis was laid for the realization of the robot that could carry out the afore mentioned operations and perform the task. A Cartesian portal structure was opted for supporting one or more heads equipped with end-effector prototypes. The initial phase of collecting the constraints, loads, interfaces and characteristics of use that motivated their first prototyping was developed.
For the pieces that can be purchased on the market, a list of materials was made, while for the components to be created ad hoc for a unique system like this, technical drawings were made for future production using machine tools or 3D printing. In the future, this thesis could be the basis for the realization of the system in practice, for its calibration and subsequently to carry out operational tests directly at the national Fermilab laboratories, where the two calorimeters will be assembled and definitively placed by 2024.