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Stato dell'arte

Descrizione delle conoscenze e delle tecnologie nello specifico settore produttivo o ambito applicativo di interesse e dell’eventuale avanzamento tecnologico della proposta progettuale rispetto allo stadio di sviluppo raggiunto dalle capacità tecniche relative a prodotti e processi contenute nel Progetto proposto.
I sistemi di alimentazione attualmente installati nei due maggiori esperimenti ad LHC, ATLAS e CMS (che rappresentano lo stato dell’arte nel settore), sono basati su un’architettura a tre livelli di riduzione della tensione.
Il primo livello realizza la conversione da corrente alternata a corrente continua, con valori di tensione di uscita nella gamma da 300V a 48V, ed è solitamente installato in area non ostile.
Il secondo livello riduce la suddetta tensione a valori intorno a 5V, ed è installato in area moderatamente ostile, a qualche metro o decina di metri dai rivelatori da alimentare.
Il terzo livello sta solitamente sui rivelatori, cioè sulle schede dell’elettronica di front-end, ed è realizzato da regolatori di tensione lineari a bassa caduta (regolatori LDO), quindi privi di controllo remoto e a bassa efficienza, che forniscono la corretta tensione alla suddetta elettronica, generalmente compresa tra 1.2V a 3.3V.

Le connessioni fra i diversi livelli sono implementate con cavi elettrici di sezione opportuna, e le distanze coperte da questi ultimi, legate alle dimensioni dei suddetti esperimenti, sono tali che circa metà della potenza complessiva erogata viene dispersa nell’ambiente invece che essere usata dall’elettronica di front-end, con pesanti conseguenze sulla stabilità termica dei rivelatori e sul dimensionamento dei sistemi di condizionamento ambientale. Per dare un numero di paragone, la potenza totale erogata dal primo livello di convertitori AC/DC dei rivelatori muonici di ATLAS è di circa 150kW.
Attualmente sono sotto verifica alcuni chip per la conversione DC/DC, le cui prestazioni in termini di tolleranza alla radiazione e al campo magnetico sono promettenti, e che opportunamente inseriti in un sistema di alimentazione potrebbero consentire la riduzione della dispersione di potenza di un fattore 10.
Il sistema di alimentazione di un sistema PET-MRI è più semplice rispetto ai sistemi di alimentazione per i grandi esperimenti di fisica delle alte energie, nel numero di rivelatori da alimentare (ordine di 10000 canali) e nel consumo di potenza (ordine del kW), che è notevolmente inferiore ad esempio ai 150kW erogati dal primo stadio di alimentazione di ATLAS . La strategia attuale è utilizzare alimentatori che portano tensioni di 12 V alle schede di back-end che si trovano a qualche metro di distanza dal sistema PET-MRI (zona a basso campo magnetico). Su queste schede sono montati una serie di LDO, adeguatamente schermati, che generano le tensioni necessarie ai circuiti di Front-End situati all’interno del magnete. Le alimentazioni dei fotorivelatori vengono invece generate da alimentatori dedicati e portate direttamente nella zona ad alto campo tramite cavi schermati e connettori amagnetici. Le tensioni dei componenti attivi presenti nel sistema PET che si trova all’interno del magnete variano da 1.2V a 3.3V, mentre l'alimentazione dei fotorivelatori varia dai 25V ai 35V. Inoltre, essendo le prestazioni dei rivelatori utilizzati dipendenti dalla temperatura, sono richiesti sistemi di monitoraggio della corrente e di stabilizzazione attiva del guadagno comandabili da remoto.
Nella tecnologia combinata PET-MRI le esigenze più stringenti riguardano tuttavia la compattezza, la dissipazione di potenza e il rumore indotto nel sistema MRI. I rivelatori PET e l'elettronica di front-end sono situati all'interno del magnete e devono occupare un volume tale da garantire il posizionamento confortevole del paziente. Ad esempio, nel sistema dedicato all’imaging neurologico PET-MRI del progetto TRIMAGE, lo spazio a disposizione dell’anello di rivelatori del sistema PET è estremamente ridotto. Esso è di fatto un inserto collocato nel core di un magnete superconduttore da 1.5T e confinato in una corona di soli 13cm di diametro interno e 30cm di diametro esterno. Le opzioni schermatura e di dissipazione termica sono in questa geometria molto limitate.