Riziko kryogénnej krehkej zlomeniny v detektoroch tmavej hmoty
Detektory kvapalného xenónu (LXe) pre experimenty s temnou hmotou pracujú pri -100 stupňoch a 2 baroch. Ohrievače PFA musia kvôli údržbe prežiť tepelné cykly na izbovú teplotu. Nízko{5}}teplotný modul ohybu určuje odolnosť proti praskaniu počas ochladzovania a zahrievania-. Kvantitatívna analýza z 5 zariadení pre fyziku zriedkavých udalostí ukazuje, že PFA s modulom v ohybe pod 2000 MPa pri -100 stupňoch odoláva krehkému lomu; nad 2500 MPa dochádza k praskaniu. Hrúbka steny 1,5 mm umožňuje 500 tepelných cyklov, zatiaľ čo 3,0 mm praskne do 50 cyklov v dôsledku vyššieho vnútorného napätia.
Modul pružnosti v ohybe a teplota krehkého prechodu
PFA prechádza tvárnym -až{1}}krehkým prechodom medzi -50 stupňami a -100 stupňami . Ohybový modul sa pod prechodom dramaticky zvyšuje. Testovanie podľa ASTM D790 pri -100 stupňoch:
| Stupeň PFA | Ohybový modul pri -100 stupňoch (MPa) | Predĺženie v ťahu pri -100 stupňoch (%) | Režim zlomeniny | Náraz Izod pri -100 stupňoch (J/m) |
|---|---|---|---|---|
| Štandardné (45% kryštalinita) | 2800 | 8 | Krehký | 25 |
| Vysoká molekulová hmotnosť (48 %) | 2500 | 12 | Polokrehké- | 45 |
| Nízka kryštalinita (40 %, ochladená) | 1800 | 25 | Tvárna | 85 |
| Modifikovaný kopolymér (35% kryštalinita) | 1500 | 35 | Tvárna | 120 |
Výpočet napätia tepelného cyklu
Počas ochladzovania z 20 stupňov na -100 stupňov (ΔT=120 stupňov ), napätie tepelnej kontrakcie=E × × ΔT. Pre štandardné PFA, E=2800 MPa,=60 ppm/stupeň, napätie=2800 × 60e-6 × 120=20.2 MPa. Pevnosť v ťahu PFA pri -100 stupňoch je 25 MPa, čo poskytuje minimálnu rezervu. Pre PFA s nízkou kryštalinitou (E=1800 MPa) namáhajte=13.0 MPa, čím získate dvojnásobnú bezpečnostnú rezervu.
Hrúbka steny a koncentrácia napätia
Hrubšie steny zvyšujú ohybové napätie počas tepelných cyklov v dôsledku väčšieho teplotného gradientu:
| Hrúbka steny | Teplotný gradient cez stenu | Napätie v ohybe (MPa) | Cykly do Crack | Miera šírenia trhliny |
|---|---|---|---|---|
| 1,5 mm | 12 stupňov | 18 | 500 | 0,0005 mm/cyklus |
| 2,0 mm | 16 stupňov | 24 | 200 | 0.002 |
| 2,5 mm | 20 stupňov | 30 | 80 | 0.008 |
| 3,0 mm | 24 stupňov | 36 | 40 | 0.015 |
Kompatibilita s kryogénnymi kvapalinami
Kvapalný xenón chemicky nenapáda PFA, ale nesúlad tepelnej kontrakcie medzi PFA (60 ppm/stupeň) a kovovým jadrom (13 ppm/stupeň) vytvára medzifázové napätie. Pre steny s hrúbkou 1,5 mm je medzifázový šmyk 8 MPa; pre steny s hrúbkou 3,0 mm, 12 MPa{7}}presahujúce kryogénnu medzipovrchovú pevnosť PFA (10 MPa) pre hrubé steny.
Výroba PFA s nízkou{0}}kryštalinitou
Dosiahnutie nízkej kryštalinity vyžaduje rýchle ochladzovanie z taveniny. Štandardná PFA chladená pri 10 stupňoch/min dosahuje 45-50% kryštalinitu. Kalenie vodou dosahuje 35-40%. Pre detektory LXe špecifikujte ochladené PFA s kryštalinitou pod 40 % pomocou DSC.
Usmernenie k špecifikácii
Pre kvapalný xenón pri -100 stupňoch s tepelným cyklovaním špecifikujte PFA s nízkou kryštalinitou ( kryštalinita menšia alebo rovná 40 %, modul v ohybe<2000 MPa) with wall thickness ≤1.5mm. Require ASTM D790 certification at -100°C and Izod impact >80 J/m. Pre detektory vyžadujúce 1000+ cykly špecifikujte elastomérom -modifikované PFA (30 % kryštalinita) s 1,5 mm stenami. Príplatok za nízku-kryštalinitu PFA (25-40 % oproti štandardu) je opodstatnený tým, že zabraňuje krehkému lomu v detektoroch za niekoľko miliónov dolárov.
