Kriogēno trauslo lūzumu risks tumšās vielas detektoros
Šķidrā ksenona (LXe) detektori tumšās vielas eksperimentiem darbojas pie -100 grādiem un 2 bāriem. Lai veiktu apkopi, PFA sildītājiem ir jāiztur termiskā cikliskums līdz istabas temperatūrai. Zemās -temperatūras lieces modulis nosaka izturību pret plaisām atdzišanas un sasilšanas laikā. Kvantitatīvā analīze no 5 retu notikumu fizikas iekārtām rāda, ka PFA ar lieces moduli zem 2000 MPa pie -100 grādiem ir izturīgs pret trausliem lūzumiem; virs 2500 MPa, rodas plaisāšana. Sienas biezums 1,5 mm ļauj veikt 500 termiskos ciklus, savukārt 3,0 mm plaisas 50 ciklos lielāka iekšējā sprieguma dēļ.
Elastības modulis un trauslā pārejas temperatūra
PFA tiek pakļauts elastīgai{0}}uz-trauslajai pārejai no -50 grādiem līdz -100 grādiem. Lieces modulis dramatiski palielinās zem pārejas. Testēšana pēc ASTM D790 pie -100 grādiem:
| PFA pakāpe | Flexural modulus pie -100 grādiem (MPa) | Stiepes pagarinājums pie -100 grādiem (%) | Lūzuma režīms | Izod Trieciens pie -100 grādiem (J/m) |
|---|---|---|---|---|
| Standarta (45% kristāliskums) | 2800 | 8 | Trausls | 25 |
| Augsta molekulmasa (48%) | 2500 | 12 | Daļēji{0}}trausls | 45 |
| Zema kristāliskums (40%, rūdīts) | 1800 | 25 | Kaļamas | 85 |
| Modificēts kopolimērs (35% kristāliskums) | 1500 | 35 | Kaļamas | 120 |
Termiskā cikla sprieguma aprēķins
Dzesēšanas laikā no 20 grādiem līdz -100 grādiem (ΔT=120 grādi), termiskās kontrakcijas spriegums=E × × ΔT. Standarta PFA, E=2800 MPa,=60 ppm/grāds, spriegums=2800 × 60e-6 × 120=20.2 MPa. PFA stiepes izturība pie -100 grādiem ir 25 MPa, nodrošinot minimālu rezervi. Zema kristāliskuma PFA (E=1800 MPa) spriegums=13.0 MPa, nodrošinot 2x drošības rezervi.
Sienas biezums un stresa koncentrācija
Biezākas sienas palielina lieces spriegumu termiskā cikla laikā lielāka temperatūras gradienta dēļ:
| Sienas biezums | Temperatūras gradients pāri sienai | Liekšanas spriegums (MPa) | Velosi uz kreka | Plaisu izplatīšanās ātrums |
|---|---|---|---|---|
| 1,5 mm | 12 grādi | 18 | 500 | 0,0005 mm/ciklā |
| 2,0 mm | 16 grādi | 24 | 200 | 0.002 |
| 2,5 mm | 20 grādi | 30 | 80 | 0.008 |
| 3,0 mm | 24 grādi | 36 | 40 | 0.015 |
Kriogēno šķidrumu saderība
Šķidrais ksenons ķīmiski neuzbrūk PFA, bet termiskās kontrakcijas neatbilstība starp PFA (60 ppm/grādi) un metāla serdi (13 ppm/grādi) rada saskarnes spriegumu. 1,5 mm sienām saskarnes bīde ir 8 MPa; 3,0 mm sienām, 12 MPa-pārsniedzot PFA kriogēno saskarnes izturību (10 MPa) biezām sienām.
Zema-kristāliskuma PFA ražošana
Lai sasniegtu zemu kristāliskumu, nepieciešama ātra dzēšana no kausējuma. Standarta PFA, kas atdzesēts pie 10 grādiem / min, sasniedz 45-50% kristāliskumu. Ūdens dzēšana sasniedz 35-40%. LXe detektoriem norādiet dzēstu PFA ar kristāliskumu zem 40%, izmantojot DSC.
Specifikācijas norādījumi
Šķidrajam ksenonam pie -100 grādiem ar termisko ciklu, norādiet zema kristāliskuma PFA ( mazāka vai vienāda ar 40% kristāliskuma, lieces modulis<2000 MPa) with wall thickness ≤1.5mm. Require ASTM D790 certification at -100°C and Izod impact >80 J/m. Detektoriem, kuriem nepieciešami 1000+ cikli, norādiet elastomēru-modificētu PFA (30% kristāliskums) ar 1,5 mm sieniņām. Piemaksa par zemu-kristāliskuma PFA (par 25-40% virs standarta) ir pamatota, novēršot trauslumu vairāku miljonu dolāru detektoros.
