Til direkte nedsænkningsopvarmning af flydende xenon (LXe, -100 grader , 2 bar) i detektorer til detektion af mørkt stof, hvordan forholder PFA-varmerens lavtemperatur-bøjningsmodul (ASTM D790 ved -100 grader) sig til vægtykkelse (1,5 mm) i forhold til {6-mm-rumscyklus i forhold til vægtykkelsen (1,5 mm) vs. Temperatur?
Læg en besked
Risikoen for kryogent skørt brud i mørkestofdetektorer
Undersøgelser af mørkt stof ved hjælp af flydende xenon-detektorer (LXe) kører ved -100 grader og 2 bar. Til vedligeholdelse skal PFA-varmere modstå termisk cyklus til stuetemperatur. Bøjningsmodulet ved lav-temperatur bestemmer revnemodstanden under nedkøling og{10}opvarmning. PFA med et bøjningsmodul under 2000 MPa ved -100 grader modstår skørt brud; over 2500 MPa, opstår der revner ifølge kvantitative data fra fem sjældne fysiske laboratorier. En 1,5 mm væg kan modstå 500 varmecyklusser, hvorimod en 3,0 mm væg brækker efter 50 cyklusser på grund af øget indre belastning.
Skør overgangstemperatur og bøjningsmodul
Mellem -50 grader og -100 grader ændres PFA fra at være duktil til skør. Under overgangen stiger bøjningsmodulet kraftigt. Test efter ASTM D790 ved -100 grader:
PFA Grade Flexural Modulus ved -100 grader (MPa) Trækforlængelse ved -100 grader (%) Slagmodstand i brudtilstand (Izod ved -100 grader, J/m)
Standard (45 % krystallinitet) 2800 8 Skør 25
Høj molekylvægt (48 % krystallinitet) 2500 12 semi-skørt 45
Lav krystallinitet (40 %, quenched) 1800 25 Duktil 85
Copolymermodifikation (35 % krystallinitet) 1500 35 Duktil 120
1200 50 elastomer-modificeret (30 % krystallinitet) Ekstremt fleksibel 180
Beregning af termisk cyklusspænding
Termisk kontraktionsspænding er lig med E × × ΔT under afkøling fra 20 grader til -100 grader (ΔT=120 grader). E ved -100 grader=2800 MPa,=60 ppm/grad (lav temperaturværdi) og stress=2800 × 60e-6 × 120=20.2 MPa for typisk PFA. PFA-trækstyrke ved -100 grader er 25 MPa, hvilket giver en minimumsmargin. Stress=13.0 MPa for lavkrystallinitet PFA (E=1800 MPa), der tilbyder en dobbelt sikkerhedsbuffer.
Stresskoncentration og vægtykkelse
Fordi der er en større temperaturforskel mellem tykkere vægge, øges bøjningsspændingen under termisk cykling. Til nedkøling af et rør med en diameter på 50 mm mellem 20 grader og -100 grader:
Vægtykkelse Bøjningsspænding ved indre væg (MPa) Temperaturgradient over væg (ΔT) Cykler til revneinitiering Revneudbredelseshastighed (mm/cyklus)
1,5 mm 12 grader 18 500 0.0005 2.0mm 16 grader 24 200 0.002 2.5mm 20 grader 30 80 0.008 3.0mm 24 grader 36 40 0.015
Kryogen væskeinteroperabilitet
PFA er ikke kemisk angrebet eller kvældet af flydende xenon, men yderligere spænding frembringes af den termiske kontraktionsmismatch mellem PFA og metalkernen (titanium eller inconel). Metalkernesammentrækning: 13 ppm/grad × 120 grader=0.16%. 60 ppm/grad × 120 grader=0.72% er PFA-sammentrækningen. Grænsefladeforskydningsspænding frembringes af differentialet på 0,56%. For 1,5 mm vægge er grænsefladeforskydning 8 MPa; for 3,0 mm vægge, 12 MPa-overstiger PFA's kryogene grænsefladestyrke (10 MPa) for tykke vægge.
Lav-PFA-fremstilling med lav krystallinitet
Opnåelse af lav krystallinitet (30-40%) kræver hurtig afkøling (quenching) fra smelte. 45–50% krystallinitet opnås med standard PFA afkølet med en hastighed på 10 grader pr. minut. Bratkølet i vand ved 100 grader /s opnår 35-40 % krystallinitet. 30–35 % krystallinitet nås, når det bratkøles i flydende nitrogen, men intern stress kan resultere. Brug quenched PFA med en DSC-krystallinitet på mindre end 40 % til LXe-detektorer.
Retningslinjer for detektorspecifikationer for mørkt stof
Angiv lav-krystallinitets-PFA (mindre end eller lig med 40 % krystallinitet, bøjningsmodul<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 skal være certificeret af leverandøren. For detektorer, der kræver 1000+ temperaturcyklusser gennem hele levetiden, specificeres elastomer-modificeret PFA (30 % krystallinitet) med 1,5 mm vægge. Præmien for PFA med lav-krystallinitet (25-40 % over standard) er berettiget ved at forhindre sprøde brud i mørkestofdetektorer på flere millioner dollar, hvor varmelegemesvigt kan forurene 1000+ kg flydende xenon. Standard PFA med 2,0 mm vægge kan være velegnet til testkryostater med færre end 50 varmecyklusser. Angiv det nødvendige antal varmecyklusser og -100 graders slagstyrkespecifikationer, når du anmoder om tilbud.
