AEgIS Experiment at CERN: design and commissioning of SARA (Scintillator Assemblies to Reveal Annihilations)

In this thesis is shown the work performed to design and commission SARA (Scintillator Assemblies to Reveal Annihilations), the system of plastic scintillators coupled with SiPMs that will take part in the measurement of the effects of gravity on antimatter inside the AEgIS experiment at CERN. SARA has been designed aiming to minimize the cost, recycle plastic scintillators of a concluded CERN's experiment, optimize its volumetric footprint and integration procedure and granting a good level of freedom and simplicity for its supporting structure architecture. The design process has been supported by both the realization of laboratory tests, with the purpose to maximize the reliability of some design choices, and by performing mechanical FEM analysis, to numerically stress SARA's structure with various load combinations in both nominal and overloaded conditions. The design process ended with an instrument composed by a system of three boxes of scintillator panels plus a final single panel, where their structure is obtained exploiting the scintillators as structural elements and flanking them with custom-made plastic 3D printed corner elements, that have the purpose to give mechanical continuity between the panels and protect their corners from collision damages, and with aluminum bars, needed to fix all the components degrees of freedom. Each scintillator is equipped with 12 SiPMs and their electronics, designed by the Pavia INFN laboratory, allows to do both coincidence reading on the same scintillator, to improve the data reliability, or in parallel reading, to maximize the output signal. At the moment of writing the thesis SARA components are being manufactured and delivered, its assembly and testing are expected to be completed by the end of March and its validation will be achieved once the whole AEgIS instrument will be completed.

In questa tesi viene illustrato il lavoro svolto per la pogettazione e messa in funzione di SARA (Scintillator Assemblies to Reveal Annihilations), il sistema di scintillatori plastici accoppiati a SiPM che prenderà parte alla misura degli effetti della gravità sull'antimateria all'interno dell'esperimento AEgIS al CERN. SARA è stato progettato con l'obiettivo di minimizzare i costi, riciclare gli scintillatori plastici di un esperimento del CERN concluso, ottimizzare l'ingombro volumetrico, minimizzare la durate delle procedure di integrazione e rimozione e garantire buone libertà e semplicità di progettazione per l'architettura della struttura di supporto. La fase di progettazione di SARA è stata supportata sia dalla realizzazione di test di laboratorio, con lo scopo di massimizzare l'affidabilità di alcune scelte progettuali, sia dall'esecuzione di analisi meccaniche agli elementi finiti, per sollecitare numericamente la struttura con varie combinazioni di carico sia in condizioni nominali che di sovraccarico. La fase di progettazione si è conclusa fornendo uno strumento composto da un sistema di tre scatole formate da quattro scintillatori ciascuna più un singolo scintillatore finale. Le loro strutture sono ottenute sfruttando gli scintillatori come elementi strutturali affiancandoli a elementi angolari in plastica stampati in 3D, che hanno lo scopo di dare continuità meccanica tra i pannelli e proteggere i loro spigoli da danni da collisione, e a barre di alluminio, necessarie per bloccare tutti i gradi di libertà dei componenti. Ogni scintillatore è dotato di 12 SiPM e la loro elettronica, progettata dal laboratorio INFN di Pavia, permette di effettuare sia letture in coincidenza sullo stesso scintillatore, in modo da migliorare l'affidabilità dei dati, sia lettura in parallelo, per massimizzare il segnale in uscita. Al momento della stesura della tesi i componenti di SARA sono in fase di produzione e consegna, la fine dell'assemblaggio e dei test è prevista per la fine di marzo e la validazione avverrà una volta che l'intero strumento AEgIS sarà assemblato.