Для прямого нагрівання рідкого ксенону (LXe, -100 градусів, 2 бар) у детекторах темної матерії, як модуль пружності при вигині низькотемпературного нагрівача PFA (ASTM D790 при -100 градусах) співвідноситься з товщиною стінки (1,5 мм проти . 3.0 мм) для запобігання крихкому руйнуванню під час Термічний цикл до кімнатної температури?

Ризик кріогенного крихкого руйнування в детекторах темної матерії
Дослідження темної матерії за допомогою детекторів рідкого ксенону (LXe) виконуються при -100 градусах і 2 барах. Для технічного обслуговування обігрівачі PFA повинні витримувати температурний цикл до кімнатної температури. Низько{5}}модуль пружності при вигині визначає стійкість до розтріскування під час охолодження та{10}}нагрівання. PFA з модулем пружності при вигині нижче 2000 МПа при -100 градусах протистоїть крихкому руйнуванню; вище 2500 МПа відбувається розтріскування, згідно з кількісними даними п’яти лабораторій фізики рідкісних подій. Стінка товщиною 1,5 мм може витримати 500 циклів нагрівання, тоді як стінка товщиною 3,0 мм руйнується після 50 циклів через збільшення внутрішньої напруги.

Температура крихкого переходу та модуль пружності при вигині
Між -50 градусами та -100 градусами PFA змінюється з пластичного на крихкий. Нижче переходу модуль пружності при вигині різко зростає. Тестування за ASTM D790 при -100 градусах:

Модуль пружності при вигині класу PFA при -100 градусах (МПа) Відносне подовження при розтягуванні при -100 градусах (%) Опір удару в режимі руйнування (Izod при -100 градусах, Дж/м)
Стандарт (кристалічність 45%) 2800 8 Крихкий 25
Висока молекулярна маса (кристалічність 48%) 2500 12 напів-крихкий 45
Низька кристалічність (40%, загартована) 1800 25 пластичний 85
Модифікація сополімеру (кристалічність 35%) 1500 35 Ductile 120
1200 50 еластомер-модифікований (кристалічність 30%) Надзвичайно гнучкий 180
Розрахунок напруги теплового циклу
Термічна напруга скорочення дорівнює E × × ΔT під час охолодження від 20 градусів до -100 градусів (ΔT=120 градусів). E при -100 градусах=2800 МПа,=60 ppm/градус (значення низької температури) та напрузі=2800 × 60e-6 × 120=20.2 МПа для типового PFA. Міцність на розрив PFA при -100 градусах становить 25 МПа, що забезпечує мінімальний запас. Напруга=13.0 МПа для низькокристалічного PFA (E=1800 МПа), що забезпечує подвійний буфер безпеки.

Концентрація напружень і товщина стінки
Оскільки між більш товстими стінками існує більша різниця температур, напруга на вигин збільшується під час термічного циклу. Для охолодження трубки діаметром 50 мм від 20 градусів до -100 градусів:

Товщина стінки Напруга на вигин на внутрішній стінці (МПа) Температурний градієнт поперек стінки (ΔT) Цикли до виникнення тріщини Швидкість поширення тріщини (мм/цикл)
1,5 мм 12 градусів 18 500 0.0005 2.0 мм 16 градусів 24 200 0.002 2.5 мм 20 градусів 30 80 0.008 3.0 мм 24 градусів 36 40 0.015
Сумісність із кріогенними рідинами
Рідкий ксенон не піддається хімічному впливу на PFA і не набухає, але додаткове напруження створюється через невідповідність термічного скорочення між PFA та металевим сердечником (титан або інконель). Скорочення металевого сердечника: 13 ppm/градус × 120 градусів=0.16%. 60 ppm/градус × 120 градусів=0.72% — це скорочення PFA. Міжфазна напруга зсуву створюється диференціалом 0,56%. Для стін 1,5 мм міжфазний зсув становить 8 МПа; для стінок товщиною 3,0 мм, 12 МПа-, що перевищує кріогенну межфазну міцність PFA (10 МПа) для товстих стін.

Виробництво PFA з низькою-кристалічністю
Для досягнення низької кристалічності (30-40%) потрібне швидке охолодження (загартування) з розплаву. 45–50% кристалічності досягається за допомогою стандартного PFA, охолодженого зі швидкістю 10 градусів за хвилину. Загартування у воді при 100 градусах/с досягає 35-40% кристалічності. 30–35% кристалічності досягається під час загартування в рідкому азоті, але може виникнути внутрішня напруга. Для детекторів LXe використовуйте загартований PFA з кристалічністю DSC менше 40%.

Інструкції щодо технічних характеристик детектора темної матерії
Укажіть низьку-кристалічність PFA (менше або дорівнює 40% кристалічності, модуль пружності при вигині<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 Дж/м повинні бути сертифіковані постачальником. Для детекторів, які вимагають 1000+ температурних циклів протягом усього терміну служби, укажіть еластомер-модифікований PFA (30% кристалічності) зі стінками 1,5 мм. Премія за низьку-кристалічність PFA (25-40% від стандарту) виправдана запобіганням крихкому руйнуванню багатомільйонних детекторів темної матерії, де збій нагрівача може забруднити 1000+ кг рідкого ксенону. Стандартний PFA зі стінками 2,0 мм може підійти для тестових кріостатів із менш ніж 50 циклами нагрівання. Надайте необхідну кількість циклів нагрівання та специфікації ударної міцності -100 градусів, коли запитуєте пропозиції.