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Observatorio Pierre Auger Resumen sobre Actividades Relacionadas con los Liners del Detector de Superficie Septiembre de 2002. Introducción La confección de 1600 liners que requiere Auger para el funcionamiento de sus detectores de superficie se dividió en dos etapas, una de pre-producción y la siguiente de producción propiamente dicha, la cual no ha comenzado aún. El diseño de la fabricación de cada liner, con todos sus accesorios, como así también de la maquinaria específica para llevar a cabo dicha fabricación, está a cargo de científicos de la Colorado State University (CSU). Científicos de la mencionada institución han sido los responsables del entrenamiento de los proveedores locales en cuanto al desarrollo de la actividad. Los liners construidos en la etapa de pre-producción estuvieron a cargo de una empresa privada local, la que realizó la tarea de ensamblar y testear 50 liners. En el presente informe se describen aspectos básicos referidos a las características de un liner, a su fabricación y testeo, basándose en la experiencia adquirida durante la etapa de pre-producción. Detector de superficie El Proyecto Pierre Auger emplea detectores que funcionan por efecto Cherenkov con el objeto de captar, por medio de tres tubos fotomultiplicadores (PMTs), las cascada de rayos cósmicos. Estos detectores consisten en un dispositivo (tanque) que contiene una bolsa (liner) de material específico cuyo interior se llena con agua de alta pureza, y en la parte superior de la misma van colocados los PMTs. Se piensa que estos detectores pueden cumplir adecuadamente los requerimientos físicos que persigue el proyecto. El detector de superficie, en combinación con el detector de fluorescencia, conforman el arreglo mixto de detectores para alcanzar el objetivo del Observatorio Pierre Auger. Descripción del detector de superficie El detector es un tanque de plástico (polietileno rotomoldeado), de forma cilíndrica, de 1.8 m de altura y 3.6 m de diámetro. El área del detector es función del espaciamiento del arreglo en red y del nivel de energía deseado. Uno de los requisitos que los tanques deben cumplir para Auger, es que resistan el clima desértico y la amplitud térmica de la zona en la que se los instale durante un período de tiempo de al menos 20 años (Pampa Amarilla, Malargüe). Los tanques de rotomoldeado cumplen con esta premisa. Las dimensiones de dicho tanque se han establecido a partir de datos experimentales obtenidos en otros estudios previos a Auger. El volumen de agua se observa desde arriba mediante tres PMTs de 9 pulgadas de diámetro. Las mismas están ubicadas a intervalos de 120° sobre un círculo de radio igual a 1.2 m, mirando hacia abajo desde la superficie superior del tanque. Los detectores se colocarán formando una red hexagonal, y manteniendo una distancia entre ellos de 1.5 Km.

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Observatorio Pierre Auger Resumen sobre Actividades Relacionadas con los Liners del Detector de Superficie Septiembre de 2002. Introducción La confección de 1600 liners que requiere Auger para el funcionamiento de sus detectores de superficie se dividió en dos etapas, una de pre-producción y la siguiente de producción propiamente dicha, la cual no ha comenzado aún. El diseño de la fabricación de cada liner, con todos sus accesorios, como así también de la maquinaria específica para llevar a cabo dicha fabricación, está a cargo de científicos de la Colorado State University (CSU). Científicos de la mencionada institución han sido los responsables del entrenamiento de los proveedores locales en cuanto al desarrollo de la actividad. Los liners construidos en la etapa de pre-producción estuvieron a cargo de una empresa privada local, la que realizó la tarea de ensamblar y testear 50 liners. En el presente informe se describen aspectos básicos referidos a las características de un liner, a su fabricación y testeo, basándose en la experiencia adquirida durante la etapa de pre-producción. Detector de superficie El Proyecto Pierre Auger emplea detectores que funcionan por efecto Cherenkov con el objeto de captar, por medio de tres tubos fotomultiplicadores (PMTs), las cascada de rayos cósmicos. Estos detectores consisten en un dispositivo (tanque) que contiene una bolsa (liner) de material específico cuyo interior se llena con agua de alta pureza, y en la parte superior de la misma van colocados los PMTs. Se piensa que estos detectores pueden cumplir adecuadamente los requerimientos físicos que persigue el proyecto. El detector de superficie, en combinación con el detector de fluorescencia, conforman el arreglo mixto de detectores para alcanzar el objetivo del Observatorio Pierre Auger. Descripción del detector de superficie El detector es un tanque de plástico (polietileno rotomoldeado), de forma cilíndrica, de 1.8 m de altura y 3.6 m de diámetro. El área del detector es función del espaciamiento del arreglo en red y del nivel de energía deseado. Uno de los requisitos que los tanques deben cumplir para Auger, es que resistan el clima desértico y la amplitud térmica de la zona en la que se los instale durante un período de tiempo de al menos 20 años (Pampa Amarilla, Malargüe). Los tanques de rotomoldeado cumplen con esta premisa. Las dimensiones de dicho tanque se han establecido a partir de datos experimentales obtenidos en otros estudios previos a Auger. El volumen de agua se observa desde arriba mediante tres PMTs de 9 pulgadas de diámetro. Las mismas están ubicadas a intervalos de 120° sobre un círculo de radio igual a 1.2 m, mirando hacia abajo desde la superficie superior del tanque. Los detectores se colocarán formando una red hexagonal, y manteniendo una distancia entre ellos de 1.5 Km.

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Figura 1. Detector de Superficie

Otra característica relevante, es que deben tener el interior recubierto con una superficie reflectante. El material con el cual se construyen los liners que van en el interior de los tanques reúne esta condición, entre otras (resistencia al agua, fácilmente sellable, maleable, relativamente de bajo costo, resistente a la tracción y a la corrosión, etc.) Descripción del liner La bolsa que va en el interior del tanque, y que contiene agua ultrapura, que hace de medio de transporte de las partículas, debe tener ciertas características especiales como se mencionó anteriormente. La empresa Dupont fabrica un material (Tyvek) que tiene diversos fines industriales y domésticos, y que se adapta correctamente a las exigencias de Auger. El Tyvek se lamina con polietileno negro y se forma el material para construir los liners. (Ver Figura 2) Las bolsas tienen las dimensiones de los tanques en los que irán insertas. Los liners poseen tres ventanas para los PMTs y orificios de llenado e inspección debidamente protegidos para evitar la contaminación de los 12000 l de agua que deben contener. Estos liners se fabrican como se explicará en el apartado siguiente.

Figura 2

Construcción de los liners La construcción de cada uno de los liners se realiza en forma manual, empleando maquinaria especialmente fabricada para dicho fin, y mano de obra capacitada para cortar, ensamblar , soldar y testear los mismos.

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Condiciones técnicas e higiénicas de las instalaciones para la construcción de liners. Se debe contar con una estructura edilicia de dimensiones tales que permita instalar los elementos y equipos necesarios para armar y testear cada bolsa individualmente, y para su posterior almacenaje. El ambiente en el que se trabaja deberá estar limpio según norma (FS clase 100000). Los accesos y aberturas para ventilación deberán estar debidamente sellados a fin de evitar la entrada de aerosoles. Es aconsejable contar con aire acondicionado para asegurar la circulación del aire sin contaminación desde el exterior, ya que los mismos están equipados con filtros de partículas en suspensión. El área de testeo deberá quedar totalmente oscura cuando la iluminación se interrumpa para efectuar el test de luz. Si no es así, se deberá recubrir con algún material que impida el paso de luz y que no contenga fibras que puedan ensuciar los liners, como por ejemplo tela de PVC, Polietileno color negro, etc. Se deberá proporcionar un número adecuado de tomacorrientes, distribuidos de manera uniforme para trabajar con comodidad. La iluminación debe ser uniforme, clara y adecuada para la tarea a realizar. Se recomienda el uso de tubos fluorescentes cubiertos, y se recomienda también colocar llaves de combinación para poder encender o apagar la luz desde al menos dos lugares diferentes. El piso del lugar deberá ser suave y liso, sin ningún tipo de rugosidad o protuberancia que puedan dañar la superficie externa de las bolsas o que permita la acumulación de polvo u otro tipo de suciedad. Si no es así, se recomienda cubrirlo con alguna alfombra plástica, que además sea lavable. Se recomienda colocar canaletas de desagüe debidamente protegidas, para permitir el escurrimiento del agua que se emplea en el lavado de las bolsas una vez realizados los tests. Se debe contar con un tablero de distribución, conexión a red de agua potable, elementos de seguridad. Elementos y equipos necesarios para la construcción de liners. Hasta el momento, en la Argentina, sólo se han ensamblado las partes constituyentes de los liners, provenientes de Colorado, USA y se han testeado las mismas. A continuación se enumeran los equipos necesarios para su desarrollo: Mesa redonda de 4 m de diámetro, de superficie lisa y suave. Aspiradora para aspirar e insuflar aire Filtro de aire de 0.2-0.3 micrones para equipar la aspiradora Aire acondicionado Manómetro de precisión con un rango de 0 – 60 mbar Solución de detergente al 10% Lámparas de bajo consumo de tubo corto Fez (dispositivo donde se coloca la lámpara para realizar el test de luz) Máquinas soldadoras de diferentes medidas según se requiera Repisa de almacenamiento lisa y resistente Adaptadores y transformadores eléctricos Manguera para agua Elementos de limpieza e higiene para las instalaciones y el personal operante Cinta adhesiva Marcador indeleble Tijera de punta redonda

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Ensamblado de los liners Para realizar el ensamble de las partes el personal especializado deberá vestir guardapolvo de fibras que no sean de algodón, si es posible de tyvek, guantes y cofia. Se prohíbe tener comida o bebidas en el lugar de trabajo. El ensamble consiste en unir las partes constituyentes del liner (tapa, costado y piso) por medio de las soldadoras (Ver Figura 3 y 3 bis).

Figura 3

Figura 3 bis

La soldadura se efectúa uniendo el Tyvek al polietileno (Ver Figura 4) Aquí pueden observarse 7 soldaduras o “costuras” del tipo “tyvek-polietileno” o sea que la soldadura es:

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Figura 4

Por otro lado, se tienen también otras soldaduras importantes que son las de cada uno de los 4 orificios de llenado y de los 2 LED flashers indicadas en la figura como “Soldadura de los orificios con el Liner” y, por último las que sellan cada una de las 3 ventanas de los PMTs. Todas estas uniones vienen ya soldadas desde USA y sólo habrá que revisarlas. A continuación se muestra cada una de estas uniones:

Figura 5

Figura 6

Cada una de las tapas se deberán unir a la pared principal de forma tal que la soldadura resulte totalmente hermética y lo más robusta posible para que soporte sin dificultad la presión que el agua ejercerá sobre la misma una vez llenado el tanque. Antiguamente esta unión se realizaba de la forma que se muestra:

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Figura 7 Este tipo de unión generaba un problema cuando la masa de agua interna del tanque ejercía presión hacia la soldadura, como se muestra en la figura con la letra P. En esta situación, la unión tendía a separarse ejerciendo fuerzas como las indicadas con la letra F. Existía también otro inconveniente debido a que el tipo de soldadura era tyvek-tyvek . Este material no es totalmente homogéneo en toda su estructura, sino muy irregular debido a que está compuesto por una gran cantidad de hebras o hilos dando lugar al filtrado del agua. Este tipo de uniones dejó de utilizarse porque los liners fabricados con este método tenían continuamente fallas por fugas. Se ideó entonces, para solucionar el problema, lo que se muestra a continuación:

Figura 8

Aquí puede verse cómo funciona el sistema de fuerzas sobre cada unión. Por otro lado debe tenerse en cuenta que las costuras soldadas son ahora polietileno-polietileno y no tyvek-tyvek, lo que da una mayor rigidez a la soldadura. Así se soluciona el inconveniente que se tenía con los primeros liners. A continuación se describen los pasos a seguir para el armado de las bolsas, desde el momento en que se reciben las partes constituyentes desde Colorado, USA hasta su embalaje para su posterior envío a Malargüe, donde se les realiza un nuevo test para comprobar el estado en que se encuentra cada liner luego del transporte. Una vez testeados y reparados si fuese necesario, están disponibles para su posterior instalación dentro del detector. Desembalaje del material El material se transporta desde su país de origen hasta la Argentina en cajas de madera correctamente cerradas, atornilladas sus tapas y con una flecha que indica cuál es la posición en la que debe ser mantenida la misma. Para sacar el material se retiran los tornillos de la tapa superior, se retira la misma y, entre dos o tres personas se van extrayendo las piezas, las que a su vez deberán estar envueltas en cobertor plástico (bolsas de polietileno). Si por alguna razón algún envoltorio estuviese roto y el material

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estuviese expuesto al exterior deberá tenerse especial cuidado y revisar a conciencia si no existen daños sobre algún paño. Todo el material se almacena debidamente hasta que es soldado. Si se sabe que el material no va a ser utilizado a la brevedad, conviene mantenerlo en sus cajas de origen. Por lo tanto sólo se abrirán las cajas realmente necesarias. Identificación de cada una de las parte Este proceso es simple y se trata solamente de separar e identificar cada una de las partes que vienen embaladas por separado (en distintos envoltorios) y que, como se vio, se trata de la tapa superior, base y pared lateral. La pared lateral puede enrollarse para su posterior uso. Cada una de las tapas (base y superior) del liner tienen dos costuras (soldaduras). Sobre éstas se realizan los pliegues cuando hay que hacer un traslado de las partes. Esto significa que las tapas (y el liner) sólo se doblan en 3 partes.

Figura 9

Ubicación de las partes sobre la mesa de trabajo Este paso supone el preparado para agilizar la tarea de la persona que hace el trabajo de soldadura. Es conveniente que se cuente con dos personas para facilitar las tareas y para evitar movimientos incorrectos del material. El problema es que cada vez que un paño es retorcido, doblado o plegado, se debilita la zona y se abre una nueva posibilidad de falla en ese lugar. Punteado de las partes Para evitar errores en las medidas, se hace un punteado de las partes. Para ello se utiliza una selladora que sella un punto fijo. Los parámetros que deben configurarse en la máquina soldadora son: - Cooling Temperature (temperatura de enfriado): 60 ºC - Sealing Temperature (tempratura de sellado): 105 ºC - Sealing Time(tiempo de soldado): 3 segundos Es decir, se estira la tapa inferior sobre la mesa y con una tira de material de longitud igual a la circunferencia de la tapa se va rotando y punteando cada aproximadamente 10 cm. Se hacen 60 punteados en total.

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Sellado de las partes Una vez finalizado el punteado de esta parte se procede al soldado cambiando la selladora por una que realiza una costura de 15 cm de largo.

- Cooling Temperature: 60 ºC

- Sealing Temperature: 110 ºC

- Sealing Time: 10 segundos

Figura 10

Se procede de la misma manera con el resto del liner, punteando y soldando la pared lateral del liner y por último se repite para la tapa superior. Testeo de los liners Una vez que se han ensamblado las partes componentes de cada liner, se lo almacena para su posterior testeo. Sin embargo, es conveniente, siempre que sea posible, realizar los tests inmediatamente después de finalizar la confección de cada liner. Reparación de las fugas Si se detecta una fuga de aire o luz en un liner, éste deberá ser reparado correctamente y nuevamente testeado sobre la zona afectada. Para emparchar un liner existen dos métodos: a)Parche de RTV: Se utilizaba en el caso en que se trate solamente de una fuga de luz. Anteriormente se reparaba simulando un parche con RTV color negro para evitar la posible entrada de luz. Primero se activaba la zona en que se iba a colocar el sellador con una corona de alta tensión y luego se colocaba una pequeña parte de RTV negro y se esparcía en forma pareja. Se lo dejaba reposar durante al menos 2 horas para que curara el pegamento y luego se lo volvía a testear. b)Parche de laminado: Para reparar los liners que presentan fallas por pérdida de aire o por detección de “light leaks” se emplea un parche de laminado de pequeñas dimensiones (aprox. 5 cm x 5 cm) y se lo sella con la selladora de pinza en el sitio especificado Para reparar se debe emplear también el mismo controlador que se utiliza para las otras selladora, sólo se modifican las variables temperatura de sellado, tiempo de sellado, etc. Una vez que se reparó adecuadamente el liner, se lo testea nuevamente para asegurarse que está en óptimas condiciones para ser instalado en el detector posteriormente.

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Los parámetros que se deben definir son los siguientes: - Cooling Temperature: 45% - Sealing Temperature: 130 ºC - Sealing Time: 4.5 segundos Descripción de la soldadora Marca: Packworld Procedencia: Colorado State University - U.S.A. Modelo: Control Module S/N 01432 Publicación 905 Revisión C Si se observa la máquina con la que se va a soldar puede notarse una total similitud con las máquinas que se utilizan para soldar las bolsas de polietileno común en las que se cuenta con un pedal que hace que dos matrices “mandíbulas” se junten ejerciendo presión sobre ambas partes del material y que, por acción del calor producido por una resistencia eléctrica se logra el soldado de ambas partes. La selladora tiene dos pedales con un mecanismo neumático que controla la presión de dos pistones de manera tal que al presionar uno de los pedales, se hace presión sobre la “mandíbula” superior (la inferior es fija) de forma suficiente para mantener al material sujeto pero permitiendo que se pueda acomodar manualmente y posicionar de forma correcta. Con el otro pedal se inicia el proceso del soldado. Al presionarlo, la mandíbula ejerce presión sobre el material y se calientan las matrices (a través de una resistencia interna) durante un cierto tiempo y a una cierta temperatura que depende de la unión que se desee y que estarán previamente configurados en el controlador que especifica cada parámetro de trabajo. La selladora para realizar liners se diferencia fundamentalmente de una selladora de polietileno común, en que el sellado está totalmente controlado en tiempo, presión de las matrices y temperaturas del proceso. Esta máquina soldadora posee un mayor control sobre el sellado y es totalmente automática. Una vez terminado este proceso (soldados los materiales) la máquina automáticamente libera la presión de soldado para que finalmente pisando el primer pedal la mandíbula superior suba y permita retirar o mover el material.

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Figura 11

Descripción de los tests para certificar la calidad de las bolsas terminadas Para poder certificar la calidad de cada liner antes de ser entregado a Auger en Malargüe, como así también, una vez en planta, antes de ser instalado en el tanque y llenado con agua, se realiza una serie de tests. Los mismos se describen a continuación. Ensayo de luz Se describe a continuación la realización práctica de los pasos para realizar las pruebas de luz del testeo de liners efectuado en la empresa CAC SA y en el observatorio Pierre Auger. Las fotografías fueron tomadas en la empresa CAC SA.

Previamente al inicio de las pruebas debe prepararse el sitio donde se va a apoyar el liner, por ejemplo colocando una alfombra plástica, o simplemente contar con una cualquier superficie lisa y suave fácilmente lavable. (Ver Figura 12) Se desempaca cuidadosamente el liner de las cajas de transporte. No debe rozar contra ninguna superficie cortante. El liner plegado debe alzarse con tres personas, dos en los extremos y uno al medio a fin de que el mismo no se doble. Siempre se desea evitar manipular mucho el tyvek y doblarlo a fin de minimizar los riesgos de rotura del mismo. Luego se apoya el liner en el piso y se abre desplegándolo hasta quedar en forma circular como se muestra en la Figura12. Posteriormente se tapan los orificios de entrada de agua, y se cierra el de salida de aire. En la Figura 13 se indica las ubicaciones de los elementos, en una vista superior del liner.

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Figura 13 – Vista superior del liner Luego se tapan las ventanas de los PMTs con los Fez. El Fez es un cobertor que lleva la ventana del PMT donde en su interior aloja una lámpara fluorescente de 10W de luz blanca para realizar el testeo de luz. Se usa este tipo de lámpara para evitar el calentamiento del liner y la consiguiente rotura del mismo. El Fez está totalmente sellado para evitar fugas de luz. (Ver Figura 14) En el orificio de salida de aire se coloca un manómetro para medir la presión de inflado del mismo. Luego por el orificio de entrada de agua se inyecta aire con un soplador que está provisto de un filtro para evitar el ingreso de impurezas con el aire (puede ser una aspiradora funcionando en reversa). Cuidadosamente se infla el liner , tratando que no se deslice contra superficies cortantes. Cuando llega el nivel de presión del aire a 20 mbar se detiene el soplador. (Ver Figuras 15 y 16) Luego se retira rápidamente el manómetro y se tapa el orificio con la tapa. (Ver Figura 17) Se procede a encender la luces de los Fez que van conectadas a 220 V. Se apagan las luces del recinto de manera tal que no entre ningún haz de luz y en completa oscuridad se revisan todos los lados del liner, Si se encuentra un pequeño punto de luz significa que hay una rotura en el tyvek, entonces se procede a encender una linterna apuntando la luz al piso de forma tal de tener luz indirecta sobre el orificio. Luego con cinta blanca (si es de tela mejor) se indica el desperfecto pegando la cinta en forma tangencial al mismo (sin taparlo) e indicando con una flecha dibujada sobre la cinta la ubicación exacta de la falla.

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La observación debe realizase en todo el liner y cada lugar debe ser revisado por una persona distinta a fin de evitar dejar zonas sin chequear. Una vez terminada la prueba de luz, se encienden las luces del recinto y se apagan las luces de los PMTs. Por último, se retira (previamente desenchufar las lámparas) el fez junto con las lámparas. Ya finalizado el ensayo de luz, se pasa a la prueba de las burbujas.

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Figura 12 (Oros – Melocchi, CAC SA 2002)

Figura 14 (Oros – Melocchi, CAC SA 2002)

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Figura 15 (Oros – Melocchi, CAC SA 2002)

Figura 16 (Oros – Melocchi, CAC SA 2002)

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Figura 17 (Oros – Melocchi, CAC SA 2002) Ensayo de burbujas Se describe a continuación la realización práctica de los pasos para realizar las pruebas de burbujas del testeo de liners efectuado en la empresa CAC SA y en el observatorio Pierre Auger. Las fotografías fueron tomadas en la empresa CAC SA. Al igual que en el caso anterior, en este ensayo es fundamental el cuidado del liner mediante una superficie de apoyo adecuadamente lisa y suave. Si el liner se encuentra próximo a paredes se lo debe alejar de la misma a fin de evitar roces perjudiciales. El piso deberá ser resbaladizo con el fin de poder mover fácilmente el liner. Luego se procede con un cepillo de cerdas fuertes, a cepillar las uniones de soldaduras del liner y los posibles puntos de luz encontrados en el ensayo anterior. El cepillo debe contener detergente y agua en una proporción de 1/10 (litros de detergente/litros de agua). Se puede reemplazar el cepillo por un rociador. En todas las soldaduras el cepillo debe pasarse de manera que la pestaña de la soldadura se abra y entre bien el jabón. En la Figura 18 se muestra el detalle de la costura. El liner debe irse rotando y cepillando en las partes superior e inferior, a la vez se observar si se produce un burbujeo. En caso que esto ocurriera, aquí habrá una pérdida y se deberá secar bien

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la superficie externa del liner y dejar una marca de la posición exacta de la pérdida como se explicó anteriormente en el ensayo de luz.

Fig. 18 (Detalle de costura)

Luego de terminado el ensayo, se debe lavar muy bien el liner con abundante agua limpia. Posteriormente se deja secar y se pliega cuidadosamente de la manera en que estaba plegado y se empaca en nylon transparente. Por último, se lo introduce cuidadosamente en la caja de empaque o en la repisa de almacenaje. Nota 1: Se debe registrar en una planilla especialmente diseñada, cada paso realizado. Nota 2: En todo momento durante la confección y testeo de cada liner el personal designado a dicha tarea, como así también cualquier persona ajena a la misma, deberá vestir la indumentaria requerida para segurar la limpieza del sitio. (guardapolvo, cofia, guantes y protector de calzado) Fe de erratas: Cambiar poliestireno por polietileno en las figuras 2, 4 y 5 Ing. Bárbara Civit, becarios Hugo Oros, Mauricio Melocchi, 2002.