Rizik kriogenog krtog loma u detektorima tamne materije
Detektori tekućeg ksenona (LXe) za eksperimente tamne materije rade na -100 stepeni i 2 bara. PFA grijači moraju preživjeti termički ciklus do sobne temperature radi održavanja. Niska{5}}modul savijanja pri niskoj temperaturi određuje otpornost na pucanje tokom hlađenja i zagrijavanja-. Kvantitativna analiza iz 5 objekata fizike retkih događaja pokazuje da je PFA sa modulom savijanja ispod 2000 MPa na -100 stepeni otporan na krti lom; iznad 2500 MPa dolazi do pucanja. Debljina zida od 1,5 mm omogućava 500 termičkih ciklusa, dok 3,0 mm pukne unutar 50 ciklusa zbog većeg unutrašnjeg naprezanja.
Modul savijanja i temperatura krtog prijelaza
PFA prolazi kroz duktilni-u-prijelaz između -50 stepeni i -100 stepeni. Modul savijanja se dramatično povećava ispod prijelaza. Testiranje prema ASTM D790 na -100 stepeni:
| PFA Grade | Modul savijanja na -100 stepeni (MPa) | Zatezno izduženje na -100 stepeni (%) | Fracture Mode | Otpornost na udar (Izod na -100 stepeni, J/m) |
|---|---|---|---|---|
| Standard (45% kristalnosti) | 2800 | 8 | Krhko | 25 |
| Visoka molekularna težina (48% kristalnosti) | 2500 | 12 | Polu{0}}krh | 45 |
| Niska kristalnost (40%, gašenje) | 1800 | 25 | Ductile | 85 |
| Modificirani kopolimer (35% kristalnosti) | 1500 | 35 | Ductile | 120 |
| Elastomer{0}}modificiran (30% kristalnosti) | 1200 | 50 | Vrlo duktilno | 180 |
Proračun naprezanja u termičkom ciklusu
Tokom hlađenja od 20 stepeni do -100 stepeni (ΔT=120 stepen ), napon termičke kontrakcije=E × × ΔT. Za standardni PFA, E na -100 stepeni=2800 MPa,=60 ppm/ stepen (vrijednost niske temperature), napon=2800 × 60e-6 × 120=20.2 MPa. PFA vlačna čvrstoća na -100 stepeni je 25 MPa, pružajući minimalnu marginu. Za PFA niske kristalnosti (E=1800 MPa), naprezanje=13.0 MPa, pružajući 2x sigurnosnu granicu.
Debljina zida i koncentracija naprezanja
Deblji zidovi povećavaju naprezanje savijanja tokom termičkog ciklusa zbog većeg temperaturnog gradijenta preko zida. Za cijev prečnika 50 mm koja se hladi od 20 stepeni do -100 stepeni:
| Wall Thickness | Gradijent temperature preko zida (ΔT) | Napon savijanja na unutrašnjem zidu (MPa) | Ciklusi do iniciranja pukotine | Brzina širenja pukotine (mm/ciklus) |
|---|---|---|---|---|
| 1.5mm | 12 stepeni | 18 | 500 | 0.0005 |
| 2.0mm | 16 stepeni | 24 | 200 | 0.002 |
| 2.5mm | 20 stepeni | 30 | 80 | 0.008 |
| 3.0mm | 24 stepen | 36 | 40 | 0.015 |
Kompatibilnost kriogenih fluida
Tečni ksenon ne bubri niti hemijski napada PFA, ali neusklađenost termičke kontrakcije između PFA i metalnog jezgra (Inconel ili titanijum) stvara dodatno opterećenje. Kontrakcija metalnog jezgra: 13 ppm/stepen × 120 stepeni=0.16%. PFA kontrakcija: 60 ppm/stepen × 120 stepeni=0.72%. Diferencijal=0.56%, stvaranje međufaznog smičnog naprezanja. Za zidove od 1,5 mm, smicanje međufaza je 8 MPa; za zidove od 3,0 mm, 12 MPa{15}}premašuje kriogenu međufaznu čvrstoću PFA (10 MPa) za debele zidove.
Niska-Proizvodnja PFA sa niskom kristalinom
Postizanje niske kristalnosti (30-40%) zahtijeva brzo hlađenje (gašenje) iz taline. Standardni PFA hlađen na 10 stepeni/min postiže 45-50% kristalnosti. Gašenjem u vodi na 100 stepeni/s postiže se kristalnost od 35-40%. Gašenjem u tečnom azotu postiže se kristalnost od 30-35%, ali može izazvati unutrašnji stres. Za LXe detektore navedite ugašeni PFA sa kristalinom ispod 40% pomoću DSC.
Smjernice za specifikacije za detektore tamne materije
Za tečni ksenon na -100 stepeni sa termičkim ciklusom do 20 stepeni, navedite PFA niske kristalnosti (manji ili jednak 40% kristalnosti, modul savijanja<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 detektore koji zahtijevaju 1000+ termičkih ciklusa tokom životnog vijeka, navedite elastomer-modificirani PFA (30% kristalnosti) sa stijenkama od 1,5 mm. Premija za PFA niske{7}}kristalnosti (25-40% u odnosu na standard) opravdava se sprečavanjem krtog loma u višemilionskim detektorima tamne materije gdje kvar grijača može kontaminirati 1000+ kg tečnog ksenona. Za testne kriostate sa manje od 50 termičkih ciklusa, standardni PFA sa zidovima od 2,0 mm može biti prihvatljiv. Kada tražite ponude, navedite potreban broj termičkih ciklusa i zahtjeve za udarnu čvrstoću -100 stepeni.
