Studio di fattibilità di un sistema a fibre scintillanti per il monitoraggio di stabilità di grandi costruzioni civili tramite uso di raggi cosmici.

This project aims at developing a new technique, based on cosmic ray detection, in order to continuously monitor reciprocal alignment of parts of a civil or mechanical tall structure, even if the parts are not mutually visible. In order to achieve this purpose a prototype of cosmic rays tracking detector system based on plastic scintillator fibres and Silicon PhotoMultipliers (SiPM) has been designed and constructed The particular structure of the detector has required an intense work of characterization of the devices in order to obtain the best performance. Preliminary measurements were performed in terms of temporal and spatial resolution and attenuation length. An automatic system for SiPM characterization with a temperature controlled test setup has been developed. The electrical parameters of a set of SiPM-NUV were deduced from Current-Voltage measurements: via the forward Current-Voltage scan the microcell quenching resistance has been measured. Via the reverse Current-Voltage scan the breakdown voltage reconstructed. Temperature studies were performed to study effects of gain variation. An accurate characterization of the custom amplifiers has been done to determine their gain, linearity and bandwidth. Experimental measurements on the real assembled prototype have been made in order to validate Monte Carlo simulation results; in particular the system capability to measure a known displacement (at least translation and/or a rotational in the horizontal plane) within the time interval expected from simulations. Laboratory tests on the device have allowed to experimentally verifying quantities such as resolution, accuracy, sensitivity and settling time typical of the system as a function of observing time.

L'obiettivo del progetto è stato quello di sviluppare una nuova tecnica, basata sull'utilizzo dei raggi cosmici, per il monitoraggio statico continuo dell'allineamento reciproco fra parti, anche non direttamente visibili fra loro, di strutture civili o meccaniche che abbiano un forte sviluppo verticale. Per raggiungere tale obiettivo è stato progettato e realizzato un prototipo di rivelatore tracciante per muoni basato su fibre scintillanti otticamente accoppiate a fotomoltiplicatori al silicio (SiliconPhotoMultiplier - SiPM). La particolare struttura del rivelatore, formato da un insieme di fibre scintillanti interfacciate a SiPMs, ha richiesto un intenso lavoro di caratterizzazione dei dispositivi al fine di poter ottenere da essi le prestazioni migliori, necessarie per la realizzazione del rivelatore stesso. I test preliminari sono stati effettuati su un sistema costituito da fibre scintillanti dalla Saint - Gobain Crystals e SiPMs della AdvanSiD e riguardavano misure di risoluzione temporale, risoluzione spaziale e lunghezza di attenuazione. Sono state effettuate misure statiche per valutare la funzionalità, l’uniformità e la stabilità dei SiPMs da cui è stato possibile estrarre importanti parametri quali la tensione di breakdown attraverso una misura della curva corrente-tensione in polarizzazione inversa ed il valore medio della resistenza di quenching attraverso una misura della curva corrente- tensione in polarizzazione diretta. Sono stati valutati anche gli effetti della variazione di temperatura nelle caratteristiche e nelle prestazioni dei SiPMs unitamente ad un’accurata caratterizzazione degli stati di amplificazione in termini di guadagno, linearità, banda passante e risposta a doppio impulso. I test in laboratorio sul prototipo sono serviti per validare sperimentalmente i risultati ottenuti grazie alle simulazioni con metodo Monte Carlo; in particolare si è verificato che il metodo di misura riuscisse a rivelare spostamenti noti imposti (almeno traslazioni e/o rotazioni nel piano orizzontale) e che ciò avvenisse nei tempi previsti dalle simulazioni. L'allestimento in laboratorio del prototipo e le successive misure hanno permesso quindi di verificare sperimentalmente quale risoluzione, accuratezza, sensibilità e prontezza il metodo permettesse di raggiungere in funzione del tempo di osservazione. Si vorrebbe, dunque, fornire uno strumento che possa rappresentare una valida alternativa ai metodi di monitoraggio statico presenti allo stato dell'arte o comunque uno strumento ad essi complementare. Per far questo dovrà presentare caratteristiche metrologiche analoghe, o migliori, rispetto a quelle degli strumenti già presenti, essere di facile utilizzo, richiedere una manutenzione ridotta e consentire un monitoraggio costante e continuo, gestibile anche da remoto, delle strutture in esame.