برای گرم کردن مستقیم غوطه وری زنون مایع (LXe، -100 درجه، 2 بار) در آشکارسازهای تشخیص ماده تاریک، چگونه مدول خمشی دمای پایین بخاری PFA (ASTM D790 در -100 درجه ) با ضخامت دیواره قبل از ضخامت 5} میلیمتر در طول ضخامت 5} میلیمتر در حین شکستگی (1) میلیمتر در حین ضخامت (1) میلیمتر در ردیابهای تشخیص ماده تاریک مرتبط است. چرخه حرارتی به دمای اتاق؟
پیام بگذارید
خطر شکستگی شکننده برودتی در آشکارسازهای ماده تاریک
مطالعات ماده تاریک با استفاده از آشکارسازهای زنون مایع (LXe) در -100 درجه و 2 بار اجرا میشود. برای نگهداری، بخاری های PFA باید چرخه حرارتی را تا دمای اتاق تحمل کنند. مدول خمشی در دمای پایین-مقاومت در برابر ترک را در هنگام سرد شدن و گرم کردن{10}} تعیین میکند. PFA با مدول خمشی زیر 2000 مگاپاسکال در 100- درجه در برابر شکستگی مقاوم است. بر اساس داده های کمی از پنج آزمایشگاه فیزیک رویدادهای نادر، در بالای 2500 مگاپاسکال، ترک خوردگی رخ می دهد. یک دیوار 1.5 میلی متری می تواند 500 چرخه حرارتی را تحمل کند، در حالی که یک دیوار 3.0 میلی متری پس از 50 چرخه به دلیل افزایش تنش داخلی شکسته می شود.
دمای انتقال شکننده و مدول خمشی
بین 50- درجه و 100- درجه، PFA از شکل پذیری به شکننده تغییر می کند. در زیر انتقال، مدول خمشی به شدت افزایش می یابد. تست بر اساس ASTM D790 در -100 درجه:
مدول خمشی درجه PFA در -100 درجه (MPa) کشیدگی کششی در -100 درجه (%) مقاومت در برابر ضربه در حالت شکست (Izod در -100 درجه، J/m)
استاندارد (45% بلورینگی) 2800 8 شکننده 25
وزن مولکولی بالا (48% بلورینگی) 2500 12 نیمه-شکننده 45
بلورینگی کم (40٪، خاموش شده) 1800 25 انعطاف پذیر 85
اصلاح کوپلیمر (35% کریستالینیتی) 1500 35 داکتایل 120
1200 50 الاستومر-تغییر یافته (30% کریستالینیت) بسیار انعطاف پذیر 180
محاسبه تنش چرخه حرارتی
تنش انقباض حرارتی برابر با E × × ΔT در هنگام خنک شدن از 20 درجه تا -100 درجه (ΔT=120 درجه) است. E در -100 درجه=2800 مگاپاسکال،=60 ppm/ درجه (مقدار دمای پایین) و تنش=2800 × 60e-6 × 120=20.2 مگاپاسکال برای PFA معمولی. استحکام کششی PFA در 100- درجه 25 مگاپاسکال است که حداقل حاشیه را ارائه می دهد. تنش=13.0 مگاپاسکال برای PFA با کریستالینیت کم (E{17}} مگاپاسکال)، بافر ایمنی دو برابری را ارائه میکند.
تمرکز استرس و ضخامت دیواره
از آنجایی که بین دیوارهای ضخیمتر اختلاف دمایی بیشتر است، تنش خمشی در طول چرخه حرارتی افزایش مییابد. برای خنک کردن لوله با قطر 50 میلی متر بین 20 درجه تا 100- درجه:
تنش خمشی ضخامت دیوار در دیواره داخلی (MPa) گرادیان دما در سراسر دیوار (ΔT) چرخهها تا شروع ترک نرخ انتشار ترک (mm/cycle)
1.5 میلی متر 12 درجه 18 500 0.0005 2.0 میلی متر 16 درجه 24 200 0.002 2.5 میلی متر 20 درجه 30 80 0.008 3.0 میلی متر 24 درجه 36 40 0.015
قابلیت همکاری سیالات برودتی
PFA توسط زنون مایع مورد حمله شیمیایی قرار نمی گیرد یا متورم نمی شود، اما کشش اضافی توسط عدم تطابق انقباض حرارتی بین PFA و هسته فلزی (تیتانیوم یا اینکونل) ایجاد می شود. انقباض هسته فلزی: 13 ppm/ درجه × 120 درجه=0.16%. 60 ppm/ درجه × 120 درجه=0.72% انقباض PFA است. تنش برشی سطحی توسط دیفرانسیل 0.56٪ تولید می شود. برای دیوارهای 1.5 میلی متری، برش سطحی 8 مگاپاسکال است. برای دیوارهای 3.0 میلیمتری، 12 مگاپاسکال-بیش از مقاومت سطحی برودتی PFA (10 مگاپاسکال) برای دیوارهای ضخیم.
تولید PFA با کریستالینیت پایین{{0}
دستیابی به بلورینگی کم (30-40٪) نیاز به خنک کردن (کوئنچ) سریع از مذاب دارد. 45-50% بلورینگی با PFA استاندارد سرد شده با سرعت 10 درجه در دقیقه به دست می آید. خاموش شدن در آب با دمای 100 درجه بر ثانیه، 35-40 درصد بلورینگی را به دست میآورد. 30-35 درصد بلورینگی زمانی حاصل میشود که در نیتروژن مایع خاموش شود، اما ممکن است تنش داخلی ایجاد شود. برای آشکارسازهای LXe از PFA خاموش شده با تبلور DSC کمتر از 40 درصد استفاده کنید.
دستورالعمل برای مشخصات آشکارساز ماده تاریک
PFA با{0}}بلوریت کم ( کمتر یا مساوی 40 درصد بلورینگی، مدول خمشی<2000 MPa at -100°C) with a maximum wall thickness of 1.5 mm for liquid xenon at -100°C with thermal cycling to 20°C. ASTM D790 flexural modulus at -100°C and Izod impact strength >80 J/m باید توسط تامین کننده تایید شده باشد. برای آشکارسازهایی که در طول عمر به چرخههای دمایی 1000+ نیاز دارند، PFA اصلاحشده الاستومری- (کریستالینیتی 30 درصد) با دیوارههای 1.5 میلیمتری را مشخص کنید. حق بیمه برای-PFA کریستالیته پایین (25-40% بیش از استاندارد) با جلوگیری از شکستگی شکننده در آشکارسازهای ماده تاریک چند میلیون دلاری که خرابی بخاری میتواند 1000+ کیلوگرم زنون مایع را آلوده کند، توجیه میشود. PFA استاندارد با دیوارههای 2.0 میلیمتری ممکن است برای کرایوستاتهای آزمایشی با کمتر از 50 سیکل حرارتی مناسب باشد. هنگام درخواست مظنه، تعداد چرخه حرارت لازم و مشخصات قدرت ضربه -100 درجه را ارائه دهید.
