Riziko kryogenní křehké zlomeniny v detektorech temné hmoty
Detektory kapalného xenonu (LXe) pro experimenty s temnou hmotou pracují při -100 stupních a 2 barech. Ohřívače PFA musí kvůli údržbě vydržet tepelné cykly na pokojovou teplotu. Nízkoteplotní modul v ohybu určuje odolnost proti praskání během ochlazování a zahřívání-. Kvantitativní analýza z 5 zařízení pro fyziku vzácných událostí ukazuje, že PFA s modulem v ohybu pod 2000 MPa při -100 stupních odolává křehkému lomu; nad 2500 MPa dochází k praskání. Tloušťka stěny 1,5 mm umožňuje 500 tepelných cyklů, zatímco 3,0 mm praskne během 50 cyklů kvůli vyššímu vnitřnímu pnutí.
Modul pružnosti v ohybu a teplota křehkého přechodu
PFA prochází tvárným-až{1}}křehkým přechodem mezi -50 stupni a -100 stupni. Modul pružnosti se pod přechodem dramaticky zvyšuje. Testování podle ASTM D790 při -100 stupních:
| Stupeň PFA | Ohybový modul při -100 stupních (MPa) | Prodloužení v tahu při -100 stupních (%) | Režim zlomeniny | Izod Impact při -100 stupních (J/m) |
|---|---|---|---|---|
| Standardní (45% krystalinita) | 2800 | 8 | Křehký | 25 |
| Vysoká molekulová hmotnost (48 %) | 2500 | 12 | Polokřehké- | 45 |
| Nízká krystalinita (40 %, zhášená) | 1800 | 25 | Tvárný | 85 |
| Modifikovaný kopolymer (35% krystalinita) | 1500 | 35 | Tvárný | 120 |
Výpočet napětí tepelného cyklu
Během ochlazování z 20 stupňů na -100 stupňů (ΔT=120 stupňů ), napětí tepelné kontrakce=E × × ΔT. Pro standardní PFA, E=2800 MPa,=60 ppm/ stupeň, napětí=2800 × 60e-6 × 120=20.2 MPa. Pevnost v tahu PFA při -100 stupních je 25 MPa, což poskytuje minimální rezervu. U PFA s nízkou krystalinitou (E=1800 MPa) zatěžujte=13.0 MPa, čímž získáte 2x bezpečnostní rezervu.
Tloušťka stěny a koncentrace napětí
Silnější stěny zvyšují ohybové napětí během tepelného cyklování v důsledku většího teplotního gradientu:
| Tloušťka stěny | Temp Gradient Přes Stěnu | Napětí v ohybu (MPa) | Cykly do Crack | Míra šíření trhliny |
|---|---|---|---|---|
| 1,5 mm | 12 stupňů | 18 | 500 | 0,0005 mm/cyklus |
| 2,0 mm | 16 stupňů | 24 | 200 | 0.002 |
| 2,5 mm | 20 stupňů | 30 | 80 | 0.008 |
| 3,0 mm | 24 stupňů | 36 | 40 | 0.015 |
Kompatibilita s kryogenními kapalinami
Kapalný xenon chemicky nenapadá PFA, ale nesoulad tepelné kontrakce mezi PFA (60 ppm/stupeň) a kovovým jádrem (13 ppm/stupeň) vytváří mezifázové napětí. Pro stěny 1,5 mm je mezifázový smyk 8 MPa; pro stěny o tloušťce 3,0 mm, 12 MPa-přesahující kryogenní pevnost na rozhraní PFA (10 MPa) pro silné stěny.
Nízká{0}}krystalická výroba PFA
Dosažení nízké krystalinity vyžaduje rychlé kalení z taveniny. Standardní PFA chlazený rychlostí 10 stupňů/min dosahuje 45-50% krystalinity. Kalení vodou dosahuje 35-40%. Pro detektory LXe specifikujte zhášené PFA s krystalinitou pod 40 % pomocí DSC.
Návod ke specifikaci
Pro kapalný xenon při -100 stupních s tepelným cyklováním specifikujte PFA s nízkou krystalinitou (méně než nebo rovno 40 % krystalinity, modul pružnosti v ohybu<2000 MPa) with wall thickness ≤1.5mm. Require ASTM D790 certification at -100°C and Izod impact >80 J/m. Pro detektory vyžadující 1000+ cykly specifikujte elastomerem -modifikované PFA (30% krystalinita) se stěnami 1,5 mm. Příplatek za nízkou-krystalinitu PFA (25-40 % oproti standardu) je odůvodněn prevencí křehkého lomu u detektorů za mnoho milionů dolarů.
