Rizik od kriogenog krhkog loma u detektorima tamne tvari
Detektori tekućeg ksenona (LXe) za eksperimente s tamnom tvari rade na -100 stupnjeva i 2 bara. PFA grijači moraju preživjeti termalne cikluse do sobne temperature radi održavanja. Modul savijanja pri niskim-temperaturama određuje otpornost na pukotine tijekom hlađenja i-zagrijavanja. Kvantitativna analiza iz 5 fizikalnih objekata za rijetke događaje pokazuje da je PFA s modulom savijanja ispod 2000 MPa na -100 stupnjeva otporan na krti lom; iznad 2500 MPa dolazi do pucanja. Debljina stijenke od 1,5 mm dopušta 500 toplinskih ciklusa, dok 3,0 mm puca unutar 50 ciklusa zbog većeg unutarnjeg naprezanja.
Modul savijanja i temperatura prijelaza krhkosti
PFA prolazi prijelaz iz rastezljivog-u-krhkog između -50 stupnjeva i -100 stupnjeva. Modul savijanja dramatično se povećava ispod prijelaza. Ispitivanje prema ASTM D790 na -100 stupnjeva:
| PFA stupanj | Modul savijanja na -100 stupnjeva (MPa) | Rastezanje pri -100 stupnjeva (%) | Način prijeloma | Otpornost na udar (Izod na -100 stupnjeva, J/m) |
|---|---|---|---|---|
| Standard (45% kristalnosti) | 2800 | 8 | Krhak | 25 |
| Visoka molekularna težina (kristalnost 48%) | 2500 | 12 | Polu{0}}lomljiv | 45 |
| Niska kristalnost (40%, ugašena) | 1800 | 25 | Duktilan | 85 |
| Modificirani kopolimer (kristalnost 35%) | 1500 | 35 | Duktilan | 120 |
| Modificirani-elastomer (30% kristaliničnost) | 1200 | 50 | Vrlo duktilan | 180 |
Izračun naprezanja toplinskog ciklusa
Tijekom hlađenja od 20 stupnjeva do -100 stupnjeva (ΔT=120 stupnjeva), napon toplinske kontrakcije=E × × ΔT. Za standardni PFA, E na -100 stupnjeva=2800 MPa,=60 ppm/ stupanj (vrijednost niske temperature), naprezanje=2800 × 60e-6 × 120=20.2 MPa. PFA vlačna čvrstoća na -100 stupnjeva je 25 MPa, što daje minimalnu marginu. Za PFA niske kristalnosti (E=1800 MPa), naprezanje=13.0 MPa, pružajući 2x sigurnosnu granicu.
Debljina stijenke i koncentracija naprezanja
Deblje stijenke povećavaju napon savijanja tijekom toplinskog ciklusa zbog većeg gradijenta temperature preko stijenke. Za hlađenje cijevi promjera 50 mm od 20 stupnjeva do -100 stupnjeva:
| Debljina stijenke | Gradijent temperature preko zida (ΔT) | Napon savijanja na unutarnjoj stijenci (MPa) | Ciklusi do početka pukotine | Brzina širenja pukotine (mm/ciklus) |
|---|---|---|---|---|
| 1,5 mm | 12 stupnjeva | 18 | 500 | 0.0005 |
| 2,0 mm | 16 stupnjeva | 24 | 200 | 0.002 |
| 2,5 mm | 20 stupnjeva | 30 | 80 | 0.008 |
| 3,0 mm | 24 stupnja | 36 | 40 | 0.015 |
Kompatibilnost s kriogenim tekućinama
Tekući ksenon ne bubri niti kemijski napada PFA, ali neusklađenost toplinske kontrakcije između PFA i metalne jezgre (Inconel ili titan) stvara dodatni stres. Kontrakcija metalne jezgre: 13 ppm/ stupanj × 120 stupnjeva=0.16%. PFA kontrakcija: 60 ppm/ stupanj × 120 stupnjeva=0.72%. Diferencijalni=0.56%, stvara međupovršinski smični napon. Za zidove debljine 1,5 mm, smicanje na međufazi je 8 MPa; za zidove od 3,0 mm, 12 MPa-što premašuje PFA-ovu kriogenu međufaznu čvrstoću (10 MPa) za debele zidove.
Proizvodnja PFA niske-kristalnosti
Postizanje niske kristalnosti (30-40%) zahtijeva brzo hlađenje (kaljenje) iz taline. Standardni PFA ohlađen na 10 stupnjeva/min postiže 45-50% kristaliničnosti. Kašen u vodi na 100 stupnjeva /s postiže kristalnost od 35-40%. Kašenjem u tekućem dušiku postiže se kristalnost od 30-35%, ali može uzrokovati unutarnji stres. Za LXe detektore, odredite prigušenu PFA s kristalnošću ispod 40% pomoću DSC-a.
Smjernice za specifikacije za detektore tamne tvari
Za tekući ksenon na -100 stupnjeva s toplinskim ciklusom do 20 stupnjeva, navedite PFA niske kristalnosti (manje od ili jednako 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+ toplinskih ciklusa tijekom životnog vijeka, odredite elastomerom-modificirani PFA (30% kristaliničnosti) sa stijenkama od 1,5 mm. Premija za nisko-kristaliničnost PFA (25-40% u odnosu na standard) opravdana je sprječavanjem krhkog loma u višemilijunskim detektorima tamne tvari gdje bi kvar grijača mogao kontaminirati 1000+ kg tekućeg ksenona. Za testne kriostate s manje od 50 toplinskih ciklusa, standardni PFA sa stijenkama od 2,0 mm može biti prihvatljiv. Kada tražite ponude, navedite potreban broj toplinskih ciklusa i zahtjeve za otpornost na udar od -100 stupnjeva.
