Ο κίνδυνος κρυογονικού εύθραυστου κατάγματος στους ανιχνευτές σκοτεινής ύλης
Οι ανιχνευτές υγρού xenon (LXe) για πειράματα σκοτεινής ύλης λειτουργούν σε -100 μοίρες και 2 bar. Οι θερμαντήρες PFA πρέπει να επιβιώνουν από τη θερμική ανακύκλωση σε θερμοκρασία δωματίου για συντήρηση. Ο συντελεστής κάμψης χαμηλής- θερμοκρασίας καθορίζει την αντίσταση στις ρωγμές κατά τη διάρκεια της ψύξης και της προθέρμανσης-. Η ποσοτική ανάλυση από 5 εγκαταστάσεις φυσικής σπάνιων γεγονότων δείχνει ότι το PFA με μέτρο κάμψης κάτω από 2000 MPa στους -100 βαθμούς αντιστέκεται σε εύθραυστο κάταγμα. πάνω από 2500 MPa, εμφανίζεται ρωγμή. Το πάχος τοιχώματος 1,5 mm επιτρέπει 500 θερμικούς κύκλους, ενώ 3,0 mm ρωγμές εντός 50 κύκλων λόγω υψηλότερης εσωτερικής καταπόνησης.
Μέτρο κάμψης και εύθραυστη θερμοκρασία μετάβασης
Το PFA υφίσταται μια όλκιμο-σε-εύθραυστη μετάβαση μεταξύ -50 μοιρών και -100 μοιρών . Ο συντελεστής κάμψης αυξάνεται δραματικά κάτω από τη μετάβαση. Δοκιμή ανά ASTM D790 στους -100 βαθμούς:
| Βαθμός PFA | Μέτρο κάμψης στους -100 βαθμούς (MPa) | Επιμήκυνση εφελκυσμού στους -100 βαθμούς (%) | Λειτουργία κατάγματος | Κρούση Izod στους -100 βαθμούς (J/m) |
|---|---|---|---|---|
| Τυπικό (45% κρυσταλλικότητα) | 2800 | 8 | Εύθραυστος | 25 |
| Υψηλό μοριακό βάρος (48%) | 2500 | 12 | Ημι-ευθραυστή | 45 |
| Χαμηλή κρυσταλλικότητα (40%, σβησμένη) | 1800 | 25 | Ελατός | 85 |
| Τροποποιημένο συμπολυμερές (35% κρυσταλλικότητα) | 1500 | 35 | Ελατός | 120 |
Υπολογισμός Τάσεων Θερμικού Κύκλου
Κατά την ψύξη από 20 μοίρες έως -100 μοίρες (ΔT=120 μοίρες ), τάση θερμικής συστολής=E × × ΔT. Για τυπικό PFA, E=2800 MPa,=60 ppm/ βαθμός, τάση=2800 × 60e-6 × 120=20.2 MPa. Η αντοχή εφελκυσμού PFA στους -100 βαθμούς είναι 25 MPa, παρέχοντας ελάχιστο περιθώριο. Για PFA χαμηλής κρυσταλλικότητας (E=1800 MPa), καταπόνηση=13.0 MPa, παρέχοντας 2x περιθώριο ασφαλείας.
Πάχος τοιχώματος και συγκέντρωση στρες
Τα παχύτερα τοιχώματα αυξάνουν την τάση κάμψης κατά τη διάρκεια του θερμικού κύκλου λόγω μεγαλύτερης διαβάθμισης θερμοκρασίας:
| Πάχος Τοίχου | Διαβάθμιση θερμοκρασίας σε όλο τον τοίχο | Καταπόνηση κάμψης (MPa) | Cycles to Crack | Ρυθμός διάδοσης ρωγμών |
|---|---|---|---|---|
| 1,5 χλστ | 12 μοίρες | 18 | 500 | 0,0005 mm/κύκλο |
| 2,0 χλστ | 16 βαθμοί | 24 | 200 | 0.002 |
| 2,5 χλστ | 20 μοίρες | 30 | 80 | 0.008 |
| 3,0 χλστ | 24 μοίρες | 36 | 40 | 0.015 |
Κρυογονική συμβατότητα υγρών
Το υγρό ξένο δεν προσβάλλει χημικά το PFA, αλλά η αναντιστοιχία θερμικής συστολής μεταξύ PFA (60 ppm/βαθμός) και μεταλλικού πυρήνα (13 ppm/βαθμός) δημιουργεί διεπιφανειακή πίεση. Για τοίχους 1,5 mm, η διεπιφανειακή διάτμηση είναι 8 MPa. για τοίχους 3,0 mm, 12 MPa-που υπερβαίνει την κρυογονική διεπιφανειακή αντοχή του PFA (10 MPa) για χοντρούς τοίχους.
Κατασκευή PFA χαμηλής-κρυσταλλικότητας
Η επίτευξη χαμηλής κρυσταλλικότητας απαιτεί ταχεία απόσβεση από το τήγμα. Το τυπικό PFA που ψύχεται στους 10 βαθμούς/λεπτό επιτυγχάνει κρυσταλλικότητα 45-50%. Η απόσβεση με νερό επιτυγχάνει 35-40%. Για ανιχνευτές LXe, καθορίστε σβησμένο PFA με κρυσταλλικότητα κάτω από 40% κατά DSC.
Οδηγίες προδιαγραφών
Για υγρό ξένο σε -100 μοίρες με θερμικό κύκλωμα, καθορίστε PFA χαμηλής κρυσταλλικότητας ( Λιγότερο ή ίσο με 40% κρυσταλλικότητα, μέτρο κάμψης<2000 MPa) with wall thickness ≤1.5mm. Require ASTM D790 certification at -100°C and Izod impact >80 J/m. Για ανιχνευτές που απαιτούν 1000+ κύκλους, καθορίστε το τροποποιημένο ελαστομερές-PFA (30% κρυσταλλικότητα) με τοιχώματα 1,5 mm. Το ασφάλιστρο για PFA χαμηλής-κρυσταλλικότητας (25-40% πάνω από το τυπικό) δικαιολογείται με την αποτροπή εύθραυστου σπασίματος σε ανιχνευτές πολλών εκατομμυρίων δολαρίων.
