Ризик кріогенного крихкого руйнування в детекторах темної матерії
Детектори рідкого ксенону (LXe) для експериментів з темною матерією працюють при -100 градусах і 2 барах. Для технічного обслуговування обігрівачі PFA повинні витримати температурний цикл до кімнатної температури. Низько{5}}модуль пружності при вигині визначає стійкість до розтріскування під час охолодження та-нагрівання. Кількісний аналіз 5 установок фізики рідкісних подій показує, що PFA з модулем пружності при вигині нижче 2000 МПа при -100 градусах стійкий до крихкого руйнування; вище 2500 МПа відбувається розтріскування. Товщина стінки 1,5 мм допускає 500 термічних циклів, тоді як 3,0 мм тріскається протягом 50 циклів через високу внутрішню напругу.
Модуль пружності при вигині та температура крихкого переходу
PFA піддається переходу від пластичної-до-крихкої між -50 градусами та -100 градусами. Модуль пружності при вигині різко зростає нижче переходу. Тестування за ASTM D790 при -100 градусах:
| Клас PFA | Модуль пружності при -100 градусах (МПа) | Подовження при розтягуванні при -100 градусах (%) | Режим перелому | Удар за Ізодом при -100 градусах (Дж/м) |
|---|---|---|---|---|
| Стандарт (кристалічність 45%) | 2800 | 8 | Крихкий | 25 |
| Висока молекулярна маса (48%) | 2500 | 12 | Напів-крихкий | 45 |
| Низька кристалічність (40%, загартована) | 1800 | 25 | пластичний | 85 |
| Модифікований сополімер (кристалічність 35%) | 1500 | 35 | пластичний | 120 |
Розрахунок напруги термічного циклу
Під час охолодження від 20 градусів до -100 градусів (ΔT=120 градусів), напруга термічного скорочення=E × × ΔT. Для стандартного PFA, E=2800 МПа,=60 ppm/градус, напруга=2800 × 60e-6 × 120=20.2 МПа. Міцність на розрив PFA при -100 градусах становить 25 МПа, що забезпечує мінімальний запас. Для низькокристалічного PFA (E=1800 МПа), напруга=13.0 МПа, що забезпечує 2-кратний запас міцності.
Товщина стінки та концентрація напружень
Більш товсті стінки збільшують напругу вигину під час термоциклування через більший температурний градієнт:
| Товщина стінки | Градієнт температури через стіну | Напруга на вигин (МПа) | Цикли до злому | Швидкість поширення тріщин |
|---|---|---|---|---|
| 1,5 мм | 12 градус | 18 | 500 | 0,0005 мм/цикл |
| 2,0 мм | 16 градусів | 24 | 200 | 0.002 |
| 2,5 мм | 20 градусів | 30 | 80 | 0.008 |
| 3,0 мм | 24 градуси | 36 | 40 | 0.015 |
Сумісність з кріогенними рідинами
Рідкий ксенон не хімічно атакує PFA, але невідповідність термічного скорочення між PFA (60 ppm/градус) і металевим ядром (13 ppm/градус) створює напругу на поверхні. Для стін 1,5 мм міжфазний зсув становить 8 МПа; для стін 3,0 мм, 12 МПа-, що перевищує кріогенну межфазну міцність PFA (10 МПа) для товстих стін.
Виробництво PFA з низькою-кристалічністю
Досягнення низької кристалічності вимагає швидкого загартування з розплаву. Стандартний PFA, охолоджений до 10 градусів / хв, досягає 45-50% кристалічності. Гасіння у воді досягає 35-40%. Для детекторів LXe вкажіть загартований PFA з кристалічністю нижче 40% за DSC.
Керівництво специфікації
Для рідкого ксенону при -100 градусах із термічним циклом укажіть низькокристалічний PFA (менше або дорівнює 40% кристалічності, модуль пружності при вигині<2000 MPa) with wall thickness ≤1.5mm. Require ASTM D790 certification at -100°C and Izod impact >80 Дж/м. Для детекторів, які вимагають 1000+ циклів, укажіть еластомер-модифікований PFA (30% кристалічності) зі стінками 1,5 мм. Премія за низьку-кристалічність PFA (25-40% від стандарту) виправдана запобіганням крихкому руйнуванню в багатомільйонних детекторах.
