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 počas 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 | Odolnosť proti nárazu (Izod pri -100 stupňoch, J/m) |
|---|---|---|---|---|
| Štandardné (45% kryštalinita) | 2800 | 8 | Krehký | 25 |
| Vysoká molekulová hmotnosť (48% kryštalinita) | 2500 | 12 | Polokrehké- | 45 |
| Nízka kryštalinita (40 %, ochladená) | 1800 | 25 | Tvárna | 85 |
| Modifikovaný kopolymér (35% kryštalinita) | 1500 | 35 | Tvárna | 120 |
| Modifikovaný elastomér- (30 % kryštalinita) | 1200 | 50 | Veľmi ťažná | 180 |
Výpočet napätia tepelného cyklu
Počas ochladzovania z 20 stupňov na -100 stupňov (ΔT=120 stupňov ), napätie tepelnej kontrakcie=E × × ΔT. Pre štandardné PFA, E pri -100 stupňoch=2800 MPa,=60 ppm/ stupeň (hodnota nízkej teploty), 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 cez stenu. Pre chladenie rúrok s priemerom 50 mm od 20 stupňov do -100 stupňov:
| Hrúbka steny | Teplotný gradient naprieč stenou (ΔT) | Ohybové napätie na vnútornej stene (MPa) | Cykly k iniciácii cracku | Rýchlosť šírenia trhliny (mm/cyklus) |
|---|---|---|---|---|
| 1,5 mm | 12 stupňov | 18 | 500 | 0.0005 |
| 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 nenapučiava ani chemicky nenapáda PFA, ale nesúlad tepelnej kontrakcie medzi PFA a kovovým jadrom (Inconel alebo titán) vytvára dodatočné napätie. Kontrakcia kovového jadra: 13 ppm/stupeň × 120 stupňov=0.16%. PFA kontrakcia: 60 ppm/stupeň × 120 stupňov=0.72%. Rozdiel=0.56 %, vytvárajúci medzifázové šmykové napätie. Pre steny s hrúbkou 1,5 mm je medzifázový šmyk 8 MPa; pre steny s hrúbkou 3,0 mm, 12 MPa{15}}presahujúce kryogénnu medzipovrchovú pevnosť PFA (10 MPa) pre hrubé steny.
Výroba PFA s nízkou{0}}kryštalinitou
Dosiahnutie nízkej kryštalinity (30-40%) vyžaduje rýchle ochladenie (kalenie) z taveniny. Štandardná PFA chladená pri 10 stupňoch/min dosahuje 45-50% kryštalinitu. Po ochladení vo vode pri 100 stupňoch/s sa dosiahne 35-40% kryštalinita. Uhasený v kvapalnom dusíku dosahuje 30-35% kryštalinitu, ale môže spôsobiť vnútorné napätie. Pre detektory LXe špecifikujte ochladené PFA s kryštalinitou pod 40 % pomocou DSC.
Návod na špecifikáciu pre detektory tmavej hmoty
Pre kvapalný xenón pri -100 stupňoch s tepelným cyklovaním na 20 stupňov , špecifikujte PFA s nízkou kryštalinitou ( kryštalinita menšia alebo rovná 40 %, modul v ohybe<2000 MPa at -100°C) with wall thickness of 1.5mm maximum. Require supplier certification of ASTM D790 flexural modulus at -100°C and Izod impact strength >80 J/m. Pre detektory vyžadujúce 1000+ tepelné cykly počas životnosti 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 krehkým zlomeninám v detektoroch tmavej hmoty za niekoľko miliónov dolárov, kde by zlyhanie ohrievača mohlo kontaminovať 1000+ kg tekutého xenónu. Pre testovacie kryostaty s menej ako 50 tepelnými cyklami môžu byť prijateľné štandardné PFA s 2,0 mm stenami. Pri vyžiadaní cenovej ponuky uveďte požadovaný počet tepelných cyklov a požiadavky na rázovú húževnatosť -100 stupňov.
