Ryzyko pękania kriogenicznego w detektorach ciemnej materii
Detektory ciekłego ksenonu (LXe) do eksperymentów z ciemną materią działają przy -100 stopniach i 2 barach. W celu konserwacji grzejniki PFA muszą przetrwać cykle termiczne do temperatury pokojowej. Moduł zginania w niskiej-temperaturze określa odporność na pękanie podczas schładzania i nagrzewania-. Analiza ilościowa z 5 ośrodków zajmujących się fizyką rzadkich zdarzeń pokazuje, że PFA o module sprężystości poniżej 2000 MPa w temperaturze -100 stopni jest odporny na kruche pękanie; powyżej 2500 MPa następuje pękanie. Grubość ścianki 1,5 mm pozwala na 500 cykli termicznych, natomiast 3,0 mm pęka w ciągu 50 cykli ze względu na większe naprężenia wewnętrzne.
Moduł sprężystości i temperatura przejścia kruchego
PFA ulega przemianie-w-kruchość w zakresie od -50 do -100 stopni. Moduł sprężystości wzrasta dramatycznie poniżej przejścia. Testowanie zgodnie z ASTM D790 w temperaturze -100 stopni:
| Stopień PFA | Moduł zginania przy -100 stopniach (MPa) | Wydłużenie przy rozciąganiu przy -100 stopniach (%) | Tryb złamania | Odporność na uderzenia (Izod przy -100 stopniach, J/m) |
|---|---|---|---|---|
| Standard (krystaliczność 45%) | 2800 | 8 | Kruchy | 25 |
| Wysoka masa cząsteczkowa (48% krystaliczności) | 2500 | 12 | Pół-kruche | 45 |
| Niska krystaliczność (40%, hartowana) | 1800 | 25 | Plastyczny | 85 |
| Zmodyfikowany kopolimer (krystaliczność 35%) | 1500 | 35 | Plastyczny | 120 |
| Elastomer-modyfikowany (krystaliczność 30%) | 1200 | 50 | Bardzo plastyczny | 180 |
Obliczanie naprężeń w cyklu termicznym
Podczas schładzania od 20 stopni do -100 stopni (ΔT=120 stopni), naprężenie termiczne=E × × ΔT. Dla standardowego PFA, E przy -100 stopniach=2800 MPa,=60 ppm/stopień (niska wartość temperatury), naprężenie=2800 × 60e-6 × 120=20.2 MPa. Wytrzymałość na rozciąganie PFA w temperaturze -100 stopni wynosi 25 MPa, co zapewnia minimalny margines. W przypadku PFA o niskiej krystaliczności (E=1800 MPa) naprężenie=13.0 MPa, zapewniające 2x margines bezpieczeństwa.
Grubość ścianki i koncentracja naprężeń
Grubsze ściany zwiększają naprężenia zginające podczas cykli termicznych ze względu na większy gradient temperatury w poprzek ściany. Dla chłodzenia rury o średnicy 50 mm od 20 stopni do -100 stopni:
| Grubość ścianki | Gradient temperatury w poprzek ściany (ΔT) | Naprężenie zginające w ścianie wewnętrznej (MPa) | Cykle do inicjacji pęknięcia | Szybkość propagacji pęknięć (mm/cykl) |
|---|---|---|---|---|
| 1,5 mm | 12 stopni | 18 | 500 | 0.0005 |
| 2,0 mm | 16 stopni | 24 | 200 | 0.002 |
| 2,5 mm | 20 stopni | 30 | 80 | 0.008 |
| 3,0 mm | 24 stopnie | 36 | 40 | 0.015 |
Kompatybilność z płynami kriogenicznymi
Ciekły ksenon nie pęcznieje ani nie atakuje chemicznie PFA, ale niedopasowanie skurczu termicznego pomiędzy PFA a metalowym rdzeniem (Inconel lub tytan) powoduje dodatkowe naprężenia. Skurcz rdzenia metalowego: 13 ppm/stopień × 120 stopni=0.16%. Skurcz PFA: 60 ppm/stopień × 120 stopni=0.72%. Różnicowe=0.56%, tworzące międzyfazowe naprężenie ścinające. Dla ścian o grubości 1,5 mm ścinanie międzyfazowe wynosi 8 MPa; dla ścian o grubości 3,0 mm, 12 MPa-przekraczające kriogeniczną wytrzymałość międzyfazową PFA (10 MPa) dla grubych ścian.
Produkcja PFA o niskiej-krystaliczności
Osiągnięcie niskiej krystaliczności (30-40%) wymaga szybkiego ochłodzenia (hartowania) ze stopu. Standardowy PFA chłodzony z szybkością 10 stopni/min osiąga krystaliczność 45-50%. Hartowany w wodzie przy 100 stopniach/s osiąga krystaliczność 35-40%. Hartowany w ciekłym azocie osiąga 30-35% krystaliczności, ale może powodować naprężenia wewnętrzne. W przypadku detektorów LXe należy określić wygaszony PFA o krystaliczności poniżej 40% według DSC.
Wytyczne dotyczące specyfikacji detektorów ciemnej materii
W przypadku ciekłego ksenonu o temperaturze -100 stopni z cyklami termicznymi do 20 stopni należy określić PFA o niskiej krystaliczności (krystaliczność mniejsza lub równa 40%, moduł sprężystości<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. W przypadku detektorów wymagających 1000+ cykli termicznych w całym okresie użytkowania należy wybrać PFA modyfikowany elastomerem- (30% krystaliczności) ze ściankami o grubości 1,5 mm. Premia za PFA o niskiej-krystaliczności (25-40% powyżej normy) jest uzasadniona zapobieganiem kruchemu pękaniu w wielomilionowych detektorach ciemnej materii, w których awaria grzejnika mogłaby skazić 1000+ kg ciekłego ksenonu. W przypadku kriostatów testowych z mniej niż 50 cyklami termicznymi akceptowalny może być standardowy PFA ze ściankami 2,0 mm. Zadając zapytanie ofertowe, należy określić wymaganą liczbę cykli termicznych i wymagania dotyczące udarności w temperaturze -100 stopni.
