Za izravno zagrijavanje tekućeg ksenona uranjanjem (LXe, -100 stupnjeva, 2 bara) u detektorima za otkrivanje tamne tvari, kako se modul savijanja pri niskoj temperaturi PFA grijača (ASTM D790 na -100 stupnjeva) odnosi na debljinu stijenke (1,5 mm naspram . 3.0 mm) kako bi se spriječio krti lom tijekom Toplinski ciklus na sobnu temperaturu?
Ostavite poruku
Rizik od kriogenog krhkog loma u detektorima tamne tvari
Studije tamne tvari pomoću detektora tekućeg ksenona (LXe) rade na -100 stupnjeva i 2 bara. Za održavanje, PFA grijači moraju izdržati temperaturne cikluse do sobne temperature. Modul savijanja pri niskim-temperaturama određuje otpornost na pukotine tijekom hlađenja i zagrijavanja-. PFA s modulom savijanja ispod 2000 MPa na -100 stupnjeva otporan je na krti lom; iznad 2500 MPa, dolazi do pucanja, prema kvantitativnim podacima iz pet laboratorija za fiziku rijetkih događaja. Stjenka od 1,5 mm može izdržati 500 toplinskih ciklusa, dok stjenka od 3,0 mm puca nakon 50 ciklusa zbog povećanog unutarnjeg naprezanja.
Temperatura krhkog prijelaza i modul savijanja
Između -50 stupnjeva i -100 stupnjeva, PFA se mijenja iz duktilnog u lomljiv. Ispod prijelaza, modul savijanja naglo raste. Ispitivanje prema ASTM D790 na -100 stupnjeva:
Modul savijanja PFA stupnja na -100 stupnjeva (MPa) Vlačno istezanje na -100 stupnjeva (%) Otpornost na udar u načinu loma (Izod na -100 stupnjeva, J/m)
Standard (45% kristaliničnost) 2800 8 lomljivo 25
Visoka molekularna težina (48% kristaliničnost) 2500 12 polu-krti 45
Niska kristalnost (40%, kaljena) 1800 25 Duktilnost 85
Modifikacija kopolimera (35% kristaliničnost) 1500 35 Duktil 120
1200 50 elastomer-modificiran (30% kristaliničnost) Izuzetno fleksibilan 180
Izračunavanje naprezanja toplinskog ciklusa
Napon toplinske kontrakcije jednak je E × × ΔT dok se hladi od 20 stupnjeva do -100 stupnjeva (ΔT=120 stupanj ). E na -100 stupnjeva=2800 MPa,=60 ppm/ stupanj (vrijednost niske temperature) i naprezanje=2800 × 60e-6 × 120=20.2 MPa za tipični PFA. PFA vlačna čvrstoća na -100 stupnjeva je 25 MPa, što nudi minimalnu marginu. Naprezanje=13.0 MPa za PFA niske kristalnosti (E=1800 MPa), nudi dvostruki sigurnosni pufer.
Koncentracija napona i debljina stijenke
Budući da postoji veća temperaturna razlika između debljih stijenki, naprezanje na savijanje se povećava tijekom toplinskog ciklusa. Za hlađenje cijevi promjera 50 mm između 20 stupnjeva i -100 stupnjeva:
Debljina stijenke Naprezanje na savijanje unutarnje stijenke (MPa) Gradijent temperature preko stijenke (ΔT) Ciklusi do inicijacije pukotine Brzina širenja pukotine (mm/ciklus)
1,5 mm 12 stupnjeva 18 500 0.0005 2.0 mm 16 stupnjeva 24 200 0.002 2.5 mm 20 stupnjeva 30 80 0.008 3.0 mm 24 stupnjeva 36 40 0.015
Interoperabilnost kriogenih tekućina
PFA nije kemijski napadnut ili nabubren tekućim ksenonom, ali dodatnu napetost stvara neusklađenost toplinske kontrakcije između PFA i metalne jezgre (titan ili inconel). Kontrakcija metalne jezgre: 13 ppm/stupanj × 120 stupnjeva=0.16%. 60 ppm/stupanj × 120 stupnjeva=0.72% je PFA kontrakcija. Međupovršinski smični napon stvara razlika od 0,56%. Za zidove debljine 1,5 mm, smicanje na međufazi je 8 MPa; za zidove od 3,0 mm, 12 MPa-što premašuje PFA-ovu kriogenu međufaznu čvrstoću (10 MPa) za debele zidove.
Proizvodnja PFA niske-kristalnosti
Postizanje niske kristalnosti (30-40%) zahtijeva brzo hlađenje (gašenje) od taline. 45–50% kristalnosti postiže se standardnim PFA ohlađenim brzinom od 10 stupnjeva u minuti. Kašenjem u vodi na 100 stupnjeva /s postiže se kristalnost od 35-40%. 30– kristalnost od 35% postiže se gašenjem u tekućem dušiku, ali može doći do unutarnjeg naprezanja. Za LXe detektore koristite ugašeni PFA s DSC kristalnošću manjom od 40%.
Smjernice za specifikacije detektora tamne tvari
Navedite nisko{0}}kristalnost PFA (manje od ili jednako 40% kristalnosti, modul savijanja<2000 MPa at -100°C) with a maximum wall thickness of 1.5 mm for liquid xenon at -100°C with thermal cycling to 20°C. ASTM D790 flexural modulus at -100°C and Izod impact strength >80 J/m mora biti certificiran od strane dobavljača. Za detektore koji zahtijevaju 1000+ temperaturne cikluse tijekom životnog vijeka, odredite elastomerom-modificirani PFA (30% kristalnosti) sa stijenkama od 1,5 mm. Premija za PFA niske-kristalnosti (25-40% u odnosu na standard) opravdana je sprječavanjem krhkog loma u multimilijunskim detektorima tamne tvari gdje bi kvar grijača mogao kontaminirati 1000+ kg tekućeg ksenona. Standardni PFA sa stijenkama od 2,0 mm mogao bi biti prikladan za testne kriostate s manje od 50 ciklusa zagrijavanja. Navedite potreban broj ciklusa zagrijavanja i specifikacije za snagu udarca od -100 stupnjeva kada tražite ponude.
