El risc de fractura fràgil criogènica en detectors de matèria fosca
Els detectors de xenó líquid (LXe) per a experiments de matèria fosca funcionen a -100 graus i 2 bar. Els escalfadors de PFA han de sobreviure al cicle tèrmic a temperatura ambient per al manteniment. El mòdul de flexió a baixa -temperatura determina la resistència a les esquerdes durant el refredament i l'escalfament-. L'anàlisi quantitativa de 5 instal·lacions de física d'esdeveniments rars mostra que el PFA amb mòdul de flexió per sota de 2000 MPa a -100 graus resisteix la fractura fràgil; per sobre de 2500 MPa, es produeix un trencament. El gruix de la paret d'1,5 mm permet 500 cicles tèrmics, mentre que 3,0 mm s'esquerden en 50 cicles a causa d'una major tensió interna.
Mòdul de flexió i temperatura de transició fràgil
El PFA experimenta una transició de-a-fràgil entre -50 graus i -100 graus . El mòdul de flexió augmenta dràsticament per sota de la transició. Prova segons ASTM D790 a -100 graus:
| Grau PFA | Mòdul de flexió a -100 graus (MPa) | Elongació de tracció a -100 graus (%) | Mode de fractura | Resistència a l'impacte (Izod a -100 graus, J/m) |
|---|---|---|---|---|
| Estàndard (45% de cristalinitat) | 2800 | 8 | Fràgil | 25 |
| Alt pes molecular (48% de cristalinitat) | 2500 | 12 | Semi-fràgil | 45 |
| Baixa cristalinitat (40%, apagat) | 1800 | 25 | Dúctil | 85 |
| Copolímer modificat (35% de cristalinitat) | 1500 | 35 | Dúctil | 120 |
| Elastòmer-modificat (30% de cristalinitat) | 1200 | 50 | Molt dúctil | 180 |
Càlcul de l'esforç del cicle tèrmic
Durant el refredament de 20 graus a -100 graus (ΔT=120 grau ), esforç de contracció tèrmica=E × × ΔT. Per a PFA estàndard, E a -100 graus=2800 MPa,=60 ppm/grau (valor de temperatura baixa), tensió=2800 × 60e-6 × 120=20.2 MPa. La resistència a la tracció de PFA a -100 graus és de 25 MPa, proporcionant un marge mínim. Per a PFA de baixa cristalinitat (E=1800 MPa), tensió=13.0 MPa, proporcionant un marge de seguretat 2x.
Gruix de paret i concentració de tensió
Les parets més gruixudes augmenten l'estrès de flexió durant el cicle tèrmic a causa del major gradient de temperatura a través de la paret. Per a un tub de 50 mm de diàmetre que es refreda de 20 graus a -100 graus:
| Gruix de paret | Gradient de temperatura a través de la paret (ΔT) | Tensió de flexió a la paret interior (MPa) | Cicles fins a la iniciació del crack | Taxa de propagació d'esquerdes (mm/cicle) |
|---|---|---|---|---|
| 1,5 mm | 12 graus | 18 | 500 | 0.0005 |
| 2,0 mm | 16 graus | 24 | 200 | 0.002 |
| 2,5 mm | 20 graus | 30 | 80 | 0.008 |
| 3,0 mm | 24 graus | 36 | 40 | 0.015 |
Compatibilitat amb fluids criogènics
El xenó líquid no s'infla ni ataca químicament el PFA, però el desajustament de la contracció tèrmica entre el PFA i el nucli metàl·lic (Inconel o titani) crea una tensió addicional. Contracció del nucli metàl·lic: 13 ppm/grau × 120 graus=0.16%. Contracció de PFA: 60 ppm/grau × 120 graus=0.72%.=0.56% diferencial, creant esforç de cisalla interfacial. Per a parets d'1,5 mm, la cisalla interfacial és de 8 MPa; per a parets de 3,0 mm, 12 MPa-superant la resistència interfacial criogènica de PFA (10 MPa) per a parets gruixudes.
Fabricació de PFA de baixa-cristallinitat
Aconseguir una cristalinitat baixa (30-40%) requereix un ràpid refredament (extinció) de la fusió. El PFA estàndard refredat a 10 graus/min aconsegueix un 45-50% de cristal·linitat. Apagat en aigua a 100 graus / s aconsegueix un 35-40% de cristalinitat. Apagat en nitrogen líquid aconsegueix un 30-35% de cristal·linitat, però pot causar estrès intern. Per als detectors LXe, especifiqueu PFA apagat amb una cristalinitat inferior al 40% per DSC.
Guia d'especificacions per als detectors de matèria fosca
Per a xenó líquid a -100 graus amb un cicle tèrmic a 20 graus , especifiqueu PFA de baixa cristalinitat (menys o igual al 40% de cristalinitat, mòdul de flexió).<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 J/m. Per als detectors que requereixen 1000+ cicles tèrmics al llarg de la seva vida útil, especifiqueu un elastòmer-PFA modificat (30% de cristalinitat) amb parets d'1,5 mm. La prima per a PFA de baixa -cristalinitat (25-40% respecte a l'estàndard) es justifica per la prevenció de fractures fràgils en detectors de matèria fosca de diversos milions de dòlars on la fallada de l'escalfador podria contaminar 1000+ kg de xenó líquid. Per a criostats de prova amb menys de 50 cicles tèrmics, pot ser acceptable PFA estàndard amb parets de 2,0 mm. Quan sol·liciteu pressupostos, especifiqueu el recompte de cicles tèrmics requerits i els requisits de resistència a l'impacte de -100 graus.
