Ризик од криогеног кртог лома у детекторима тамне материје
Детектори течног ксенона (ЛКСе) за експерименте са тамном материјом раде на -100 степени и 2 бара. ПФА грејачи морају да преживе термални циклус до собне температуре ради одржавања. Ниска{5}}модул савијања при ниској температури одређује отпорност на пуцање током хлађења и загревања-. Квантитативна анализа из 5 објеката физике ретких догађаја показује да је ПФА са модулом савијања испод 2000 МПа на -100 степени отпоран на крти лом; изнад 2500 МПа долази до пуцања. Дебљина зида од 1,5 мм омогућава 500 термичких циклуса, док 3,0 мм пуца у року од 50 циклуса због већег унутрашњег напрезања.
Модул савијања и температура кртог прелаза
ПФА пролази кроз дуктилни-у-прелаз између -50 степени и -100 степени. Модул савијања се драматично повећава испод прелаза. Тестирање према АСТМ Д790 на -100 степени:
| ПФА Граде | Модул савијања на -100 степени (МПа) | Затезно издужење на -100 степени (%) | Фрацтуре Моде | Отпорност на удар (Изод на -100 степени, Ј/м) |
|---|---|---|---|---|
| Стандард (45% кристалности) | 2800 | 8 | Крхко | 25 |
| Висока молекулска тежина (48% кристалности) | 2500 | 12 | Полу{0}}крх | 45 |
| Ниска кристалност (40%, гашење) | 1800 | 25 | Дуцтиле | 85 |
| Модификовани кополимер (35% кристалности) | 1500 | 35 | Дуцтиле | 120 |
| Еластомер{0}}модификован (30% кристалности) | 1200 | 50 | Веома дуктилан | 180 |
Прорачун напона топлотног циклуса
Током хлађења од 20 степени до -100 степени (ΔТ=120 степен), напон термичке контракције=Е × × ΔТ. За стандардни ПФА, Е на -100 степени=2800 МПа,=60 ппм/ степен (вредност ниске температуре), напон=2800 × 60е-6 × 120=20.2 МПа. ПФА затезна чврстоћа на -100 степени је 25 МПа, обезбеђујући минималну маргину. За ПФА ниске кристалности (Е=1800 МПа), напон=13.0 МПа, обезбеђујући 2к сигурносну маргину.
Дебљина зида и концентрација напрезања
Дебљи зидови повећавају напон савијања током термичког циклуса због већег температурног градијента преко зида. За цев пречника 50 мм која се хлади од 20 степени до -100 степени:
| Валл Тхицкнесс | Градијент температуре преко зида (ΔТ) | Напон савијања на унутрашњем зиду (МПа) | Циклуси до покретања пукотине | Брзина ширења пукотине (мм/циклус) |
|---|---|---|---|---|
| 1.5мм | 12 степени | 18 | 500 | 0.0005 |
| 2.0мм | 16 степени | 24 | 200 | 0.002 |
| 2.5мм | 20 степени | 30 | 80 | 0.008 |
| 3.0мм | 24 степен | 36 | 40 | 0.015 |
Компатибилност криогених течности
Течни ксенон не бубри нити хемијски напада ПФА, али неусклађеност термичке контракције између ПФА и металног језгра (Инцонел или титанијум) ствара додатни стрес. Контракција металног језгра: 13 ппм/степен × 120 степени=0.16%. ПФА контракција: 60 ппм/степен × 120 степени=0.72%. Диференцијал=0.56%, стварање међуфазног смичног напона. За зидове од 1,5 мм, смицање на површини је 8 МПа; за зидове од 3,0 мм, 12 МПа{15}}премашује криогену међуфазну чврстоћу ПФА (10 МПа) за дебеле зидове.
Ниска{0}}Производња ПФА са ниском кристалином
Постизање ниске кристалности (30-40%) захтева брзо хлађење (гашење) из растопа. Стандардни ПФА хлађен на 10 степени/мин постиже кристалност од 45-50%. Гашењем у води на 100 степени/с постиже се кристалност од 35-40%. Гашењем у течном азоту постиже се кристалност од 30-35%, али може изазвати унутрашњи стрес. За ЛКСе детекторе наведите угашени ПФА са кристалином испод 40% помоћу ДСЦ.
Смернице за спецификације за детекторе тамне материје
За течни ксенон на -100 степени са термичким циклусом до 20 степени, наведите ПФА ниске кристалности (мањи или једнак 40% кристалности, модул савијања<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 Ј/м. За детекторе који захтевају 1000+ термичких циклуса током животног века, наведите еластомер-модификовани ПФА (30% кристалности) са зидовима од 1,5 мм. Премијум за ПФА ниске{7}}кристалности (25-40% у односу на стандард) је оправдан спречавањем кртог лома у детекторима тамне материје вредним више милиона долара где квар грејача може да контаминира 1000+ кг течног ксенона. За тест криостате са мање од 50 термичких циклуса, стандардни ПФА са зидовима од 2,0 мм може бити прихватљив. Када тражите понуде, наведите потребан број термичких циклуса и захтеве за ударну чврстоћу од -100 степени.
