Ottimizzazione del recupero di CF4 dalla miscela gassosa impiegata nei rivelatori CSC presso l’esperimento Compact Muon Solenoid (CMS) al CERN

The Compact Muon Solenoid (CMS) is one of the four Experiments operating at the Large Hadron Collider (LHC) at CERN. Since Muons represent a very clean probe for many events of interest, the Muon detection system has a fundamental importance for identification and a detailed characterization of particles collision in LHC Experiments. Each muon station consists of several layers of aluminium drift tubes (DT) in the barrel region and cathode strip chambers (CSC) in the endcap region, complemented by resistive plate chambers (RPC), both in barrel and endcap region. The Muon detector system is based on gaseous detectors, which works through the gas ionization. The main component of gas detectors is the gas mixture that must be correct and stable for the properly functioning of systems and the use of expensive and greenhouse gases cannot be avoided because of physic requirements that impose certain choices on the gas mixture composition. Therefore, the aim of this thesis consists in a detailed study of the CF4 recuperation system, used for the CMS CSC detector (that operates with a gas mixture of Ar/CO2/CF4 40/50/10), with the final goal of optimizing its economic and environmental efficiency. Based on warm separation process, the recovery system includes membranes and adsorption modules for CO2 and CF4 and an efficient CO2 removal is mandatory to reach a good CF4 adsorption capacity. The CF4 Membrane Module and the CF4 Absorber Module were studied and optimized in the light of gas chromatography measurements. The effects of experimental parameters affecting the overall functioning of the modules, such as the input flow stream and gas pressure, have been investigated. In the light of the experimental evidences reported in this Thesis, the new membrane module setup and CF4 absorber configuration ensures a remarkable increase of the average weekly efficiency from ~45% in the period November 2020-January 2021 to ~66% in the period February-June 2021.

Il Compact Muon Solenoid (CMS) è uno dei quattro grandi esperimenti dislocati lungo il Large Hadron Collider (LHC) al CERN. Dal momento che i muoni rappresentano l’evidenza di fenomeni di alto interesse scientifico, il sistema di rilevazione è di fondamentale importanza per l’identificazione e la caratterizzazione delle collisioni di particelle che si verificano nel LHC. In questo contesto, i rivelatori a gas CSC (cathode strip chambers) sono specializzati nel rivelare muoni e sono impiegati nella regione terminale dell’esperimento CMS, dove il campo magnetico è così intenso e disomogeneo da impedire di ottenere informazioni spazio-temporali precise. Essi sono costituiti da filamenti (anodi) carichi positivamente che intersecano strisce di rame cariche negativamente (catodi), riempiti con una miscela di Ar (40%), CO2 (50%) e CF4 (10%). Questa miscela, così come quelle impiegate negli altri rivelatori (come DT-Drift Tube ed RPC-Resistive Plate Chambers), contiene gas molto costosi e ad effetto serra (GHG), il cui uso non può essere evitato per via di determinati requisiti fisici che devono essere soddisfatti. Questo lavoro di tesi ha riguardato lo studio dettagliato del sistema di recupero del CF4 dalla miscela gassosa impiegata nelle CSC presso l’esperimento CMS, con l’obiettivo di ottimizzarne l’efficienza sia per ragioni economiche che ambientali. Il sistema di recupero, che basa il suo funzionamento su processi di separazione, sfrutta sistemi come membrane e molecular sieve per la completa rimozione della CO2 e la separazione e il recupero del CF4. In particolare, dei quattro moduli che compongono il sistema (CF4 membrane module, CO2 absorber module, CF4 absorber module, CF4 storage module), sono stati testati ed ottimizzati i moduli Membrane ed Absorber del CF4. Con l’ausilio della gas cromatografia, è stato monitorato l’effetto prodotto dalla variazione di alcuni parametri sperimentali, come il flusso di gas in ingresso al sistema e la pressione nelle colonne, sia sull’efficienza globale del sistema sia su quella dei singoli moduli. In seguito ai test eseguiti, sono stati ottimizzati i parametri e la configurazione dei moduli e ciò ha portato ad un aumento sostanziale dell’efficienza media settimanale del sistema di recupero, che è passata da ~ 45% nel periodo Novembre 2020-Gennaio 2021 a ~66% nel periodo Febbraio-Giugno 2021.