Design of a drift chamber with radiation-hard composite materials for high energy physics and aerospace applications

Future high-luminosity lepton colliders, such as the FCC-ee and CEPC, require tracking detectors that combine excellent pulse resolution, low material consumption, mechanical stability, and particle identification capabilities. This thesis investigates the design of ultralight drift chambers for future high-energy physics experiments, with a focus on the IDEA/INTREPID concept and related CEPC studies. The mechanical design of the INTREPID chamber is studied through CAD modeling and finite element analysis of the endplate region, where the cumulative tension of over 3 × 10⁵ wires generates loads of several tons. A refined single-beam model shows that a tension-recovery system based on tie rods can reduce the maximum axial deformation to approximately 0.19 mm, supporting the feasibility of the proposed low-mass load transfer concept. Complementary studies on the CEPC address the optimization of the aluminum endplate, identifying a reasonable stiffness-mass tradeoff, and exploring an alternative concave geometry. The thesis also includes tensile characterization of ultrathin W-Au, Mo-Au, and carbon wires, providing mechanical parameters relevant to wire tension and long-term reliability. Nondestructive acoustic methods are applied to UV-aged carbon/benzoxazine composites, providing a diagnostic approach for radiation-hardened candidate materials, relevant for detector and aerospace applications. Finally, cluster-counting beam test results support dN/dx as a promising observable for particle identification, in addition to the conventional dE/dx. The work highlights the link between structural choices, material durability, and physical performance.

I futuri collisori di leptoni ad alta luminosità, come FCC-ee e CEPC, richiedono rivelatori di tracciamento che combinino un'eccellente risoluzione degli impulsi, un basso consumo di materiale, stabilità meccanica e capacità di identificazione delle particelle. Questa tesi indaga la progettazione di camere a deriva ultraleggere per futuri esperimenti di fisica delle alte energie, con particolare attenzione al concetto IDEA/INTREPID e ai relativi studi sul CEPC. La progettazione meccanica della camera INTREPID viene studiata attraverso la modellazione CAD e l'analisi agli elementi finiti della regione della piastra terminale, dove la tensione cumulativa di oltre 3 × 10⁵ fili genera carichi di diverse tonnellate. Un modello a trave singola raffinato mostra che un sistema di recupero della tensione basato su tiranti può ridurre la deformazione assiale massima a circa 0,19 mm, supportando la fattibilità del concetto di trasferimento del carico a bassa massa proposto. Studi complementari sul CEPC affrontano l'ottimizzazione della piastra terminale in alluminio, identificando un ragionevole compromesso tra rigidità e massa ed esplorando una geometria concava alternativa. La tesi comprende anche la caratterizzazione a trazione di fili ultrasottili di W-Au, Mo-Au e carbonio, fornendo parametri meccanici rilevanti per la tensione del filo e l'affidabilità a lungo termine. Metodi acustici non distruttivi vengono applicati a compositi di carbonio/benzossazina invecchiati con raggi UV, fornendo un approccio diagnostico per materiali candidati resistenti alle radiazioni, rilevanti per applicazioni nei rivelatori e nel settore aerospaziale. Infine, i risultati dei test con fascio di conteggio di cluster supportano dN/dx come osservabile promettente per l'identificazione delle particelle, oltre al convenzionale dE/dx. Il lavoro evidenzia il legame tra scelte strutturali, durabilità dei materiali e prestazioni fisiche.