Karanlık Madde Dedektörlerinde Kriyojenik Gevrek Kırılma Riski
Karanlık madde deneyleri için sıvı ksenon (LXe) dedektörleri -100 derece ve 2 bar'da çalışır. PFA ısıtıcılarının bakım için termal döngüden oda sıcaklığına kadar hayatta kalması gerekir. Düşük-sıcaklık bükülme modülü soğuma ve ısınma sırasında-çatlak direncini belirler. 5 nadir olay fizik tesisinden alınan kantitatif analiz, -100 derecede 2000 MPa'nın altındaki bükülme modülüne sahip PFA'nın gevrek kırılmaya karşı direnç gösterdiğini göstermektedir; 2500 MPa'nın üzerinde çatlama meydana gelir. 1,5 mm'lik duvar kalınlığı 500 termal döngüye izin verirken, 3,0 mm'lik duvar kalınlığı daha yüksek iç gerilim nedeniyle 50 döngüde çatlar.
Eğilme Modülü ve Gevrek Geçiş Sıcaklığı
PFA, -50 derece ile -100 derece arasında esnek{0}}kırılgandan-kırılgan bir geçişe uğrar. Eğilme modülü geçişin altında önemli ölçüde artar. -100 derecede ASTM D790'a göre test:
| PFA Sınıfı | -100 derecede Eğilme Modülü (MPa) | -100 Derecede Çekme Uzaması (%) | Kırılma Modu | Darbe Dayanımı (-100 derecede Izod, J/m) |
|---|---|---|---|---|
| Standart (%45 kristallik) | 2800 | 8 | Kırılgan | 25 |
| Yüksek moleküler ağırlık (%48 kristallik) | 2500 | 12 | Yarı-kırılgan | 45 |
| Düşük kristallik (%40, söndürülmüş) | 1800 | 25 | Sünek | 85 |
| Modifiye kopolimer (%35 kristallik) | 1500 | 35 | Sünek | 120 |
| Elastomer-modifiye (%30 kristallik) | 1200 | 50 | Çok sünek | 180 |
Termal Döngü Stresi Hesabı
20 dereceden -100 dereceye (ΔT=120 derece) soğuma sırasında, termal büzülme gerilimi=E × × ΔT. Standart PFA için, -100 derece=2800 MPa'da E,=60 ppm/ derece (düşük sıcaklık değeri), stres=2800 × 60e-6 × 120=20.2 MPa. -100 derecede PFA çekme mukavemeti 25 MPa olup minimum marj sağlar. Düşük kristalli PFA (E=1800 MPa) için stres=13.0 MPa, 2 kat güvenlik marjı sağlar.
Duvar Kalınlığı ve Gerilme Konsantrasyonu
Daha kalın duvarlar, duvar boyunca daha fazla sıcaklık gradyanı nedeniyle termal döngü sırasında bükülme gerilimini artırır. 20 dereceden -100 dereceye kadar soğutulan 50 mm çaplı bir tüp için:
| Duvar Kalınlığı | Duvar Boyunca Sıcaklık Gradyanı (ΔT) | İç Duvardaki Eğilme Gerilmeleri (MPa) | Çatlak Başlatma Döngüleri | Çatlak Yayılma Hızı (mm/döngü) |
|---|---|---|---|---|
| 1,5 mm | 12 derece | 18 | 500 | 0.0005 |
| 2,0 mm | 16 derece | 24 | 200 | 0.002 |
| 2,5 mm | 20 derece | 30 | 80 | 0.008 |
| 3,0 mm | 24 derece | 36 | 40 | 0.015 |
Kriyojenik Sıvı Uyumluluğu
Sıvı ksenon şişmez veya PFA'ya kimyasal olarak saldırmaz, ancak PFA ile metal çekirdek (Inconel veya titanyum) arasındaki termal büzülme uyumsuzluğu ek stres yaratır. Metal çekirdek büzülmesi: 13 ppm/ derece × 120 derece %= 0.16. PFA daralması: 60 ppm/ derece × 120 derece %= 0.72. %= 0.56 diferansiyel, arayüzeyde kayma gerilimi yaratıyor. 1,5 mm'lik duvarlar için arayüzey kesme 8 MPa'dır; 3,0 mm duvarlar için, 12 MPa-PFA'nın kalın duvarlar için kriyojenik arayüzey mukavemetini (10 MPa) aşar.
Düşük-Kristallik PFA Üretimi
Düşük kristalliğin (%30-40) elde edilmesi, eriyikten hızlı soğutma (söndürme) gerektirir. 10 derece/dakikada soğutulan standart PFA, %45-50 kristalliğe ulaşır. 100 derece/s'de suda söndürüldüğünde %35-40 kristallik elde edilir. Sıvı nitrojende söndürüldükten sonra %30-35 kristallik elde edilir ancak dahili strese neden olabilir. LXe dedektörleri için, DSC'ye göre kristalliği %40'ın altında olan söndürülmüş PFA'yı belirtin.
Karanlık Madde Dedektörleri için Şartname Kılavuzu
20 dereceye kadar termal döngü ile -100 derecede sıvı ksenon için, düşük kristalli PFA'yı belirtin (%40'a eşit veya daha az kristallik, bükülme modülü<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. Kullanım ömrü boyunca 1000+ termal döngü gerektiren dedektörler için, 1,5 mm duvarlı elastomer-modifiye PFA (%30 kristallik) belirtin. Düşük-kristallikli PFA (standartın %25-%40'ı) primi, ısıtıcı arızasının 1000+ kg sıvı ksenonu kirletebileceği milyonlarca dolarlık karanlık madde dedektörlerindeki kırılgan kırılmanın önlenmesiyle haklı çıkar. 50'den az termal döngüye sahip test kriyostatları için 2,0 mm duvarlı standart PFA kabul edilebilir. Fiyat teklifi talep ederken gerekli termal döngü sayısını ve -100 derece darbe dayanımı gereksinimlerini belirtin.
