Tveganje kriogenega krhkega zloma v detektorjih temne snovi
Detektorji tekočega ksenona (LXe) za eksperimente s temno snovjo delujejo pri -100 stopinjah in 2 barih. Grelniki PFA morajo zaradi vzdrževanja preživeti termični cikel na sobno temperaturo. Nizko{5}}temperaturni upogibni modul določa odpornost proti razpokam med ohlajanjem in-segrevanjem. Kvantitativna analiza iz 5 objektov za fiziko redkih dogodkov kaže, da je PFA z upogibnim modulom pod 2000 MPa pri -100 stopinjah odporen proti krhkemu lomu; nad 2500 MPa pride do razpokanja. Debelina stene 1,5 mm omogoča 500 termičnih ciklov, medtem ko 3,0 mm zaradi večje notranje napetosti poči v 50 ciklih.
Upogibni modul in temperatura krhkega prehoda
PFA prehaja iz duktilnega-v-krhkega med -50 stopinjami in -100 stopinjami. Upogibni modul se močno poveča pod prehodom. Testiranje po ASTM D790 pri -100 stopinjah:
| Stopnja PFA | Upogibni modul pri -100 stopinjah (MPa) | Natezni raztezek pri -100 stopinjah (%) | Način zloma | Odpornost na udarce (Izod pri -100 stopinjah, J/m) |
|---|---|---|---|---|
| Standard (45 % kristaliničnost) | 2800 | 8 | Krhka | 25 |
| Visoka molekulska masa (48% kristaliničnost) | 2500 | 12 | Pol{0}}krhek | 45 |
| Nizka kristaliničnost (40 %, kaljeno) | 1800 | 25 | Duktilen | 85 |
| Modificiran kopolimer (35% kristaliničnost) | 1500 | 35 | Duktilen | 120 |
| Modificiran-elastomer (30 % kristaliničnost) | 1200 | 50 | Zelo duktilen | 180 |
Izračun napetosti toplotnega cikla
Med ohlajanjem od 20 stopinj do -100 stopinj (ΔT=120 stopinj), toplotna kontrakcijska napetost=E × × ΔT. Za standardni PFA, E pri -100 stopinjah=2800 MPa,=60 ppm/stopinja (vrednost nizke temperature), napetost=2800 × 60e-6 × 120=20.2 MPa. Natezna trdnost PFA pri -100 stopinjah je 25 MPa, kar zagotavlja minimalno rezervo. Za PFA z nizko kristaliničnostjo (E=1800 MPa), napetost =13.0 MPa, ki zagotavlja 2-kratno varnostno mejo.
Debelina stene in koncentracija napetosti
Debelejše stene povečajo upogibno napetost med toplotnim ciklom zaradi večjega temperaturnega gradienta čez steno. Za hlajenje cevi s premerom 50 mm od 20 stopinj do -100 stopinj:
| Debelina stene | Temperaturni gradient čez steno (ΔT) | Upogibna napetost na notranji steni (MPa) | Cikli do začetka razpoke | Hitrost širjenja razpoke (mm/cikel) |
|---|---|---|---|---|
| 1,5 mm | 12 stopinj | 18 | 500 | 0.0005 |
| 2,0 mm | 16 stopinj | 24 | 200 | 0.002 |
| 2,5 mm | 20 stopinj | 30 | 80 | 0.008 |
| 3,0 mm | 24 stopinj | 36 | 40 | 0.015 |
Združljivost s kriogenimi tekočinami
Tekoči ksenon ne nabrekne ali kemično napada PFA, vendar neskladje toplotne kontrakcije med PFA in kovinskim jedrom (inconel ali titan) ustvarja dodatno obremenitev. Krčenje kovinskega jedra: 13 ppm/stopinjo × 120 stopinj=0.16%. Kontrakcija PFA: 60 ppm/ stopinja × 120 stopinj=0.72%. Diferencialna=0.56%, ki ustvarja medfazno strižno napetost. Za stene debeline 1,5 mm je mejni strig 8 MPa; za 3,0 mm stene, 12 MPa-ki presega kriogeno medfazno trdnost PFA (10 MPa) za debele stene.
Proizvodnja PFA z nizko{0}}kristalnostjo
Doseganje nizke kristaliničnosti (30-40 %) zahteva hitro ohlajanje (gašenje) iz taline. Standardni PFA, ohlajen pri 10 stopinj / min, doseže 45-50 % kristaliničnost. Gašeno v vodi pri 100 stopinjah /s doseže 35-40% kristaliničnost. Gašenje v tekočem dušiku doseže 30-35 % kristaliničnost, vendar lahko povzroči notranji stres. Za detektorje LXe določite kaljen PFA s kristaliničnostjo pod 40 % z DSC.
Navodila za specifikacije za detektorje temne snovi
Za tekoči ksenon pri -100 stopinjah s toplotnim kroženjem do 20 stopinj navedite PFA z nizko kristaliničnostjo (manj kot ali enako 40 % kristaliničnosti, upogibni modul<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. Za detektorje, ki zahtevajo 1000+ termičnih ciklov v življenjski dobi, določite elastomer-modificiran PFA (30-odstotna kristaliničnost) s stenami 1,5 mm. Premija za PFA z nizko-kristalnostjo (25-40 % nad standardom) je upravičena s preprečevanjem krhkega loma v večmilijonskih detektorjih temne snovi, kjer bi okvara grelnika lahko onesnažila 1000+ kg tekočega ksenona. Za preskusne kriostate z manj kot 50 toplotnimi cikli je lahko sprejemljiv standardni PFA s stenami 2,0 mm. Ko zahtevate ponudbe, navedite potrebno število toplotnih ciklov in zahteve glede udarne trdnosti -100 stopinj.
