ความเสี่ยงต่อการแตกหักแบบเปราะด้วยไครโอเจนิกในเครื่องตรวจจับสสารมืด
เครื่องตรวจจับซีนอนเหลว (LXe) สำหรับการทดลองสสารมืดทำงานที่ -100 องศา และ 2 บาร์ เครื่องทำความร้อน PFA จะต้องผ่านวงจรความร้อนจนถึงอุณหภูมิห้องเพื่อการบำรุงรักษา โมดูลัสดัดงออุณหภูมิต่ำ-จะกำหนดความต้านทานการแตกร้าวระหว่างคูลดาวน์และอุ่นเครื่อง- การวิเคราะห์เชิงปริมาณจากศูนย์ฟิสิกส์เหตุการณ์หายาก 5 แห่งแสดงให้เห็นว่า PFA ที่มีโมดูลัสดัดงอต่ำกว่า 2000 MPa ที่ -100 องศา ต้านทานการแตกหักแบบเปราะได้ สูงกว่า 2,500 MPa เกิดการแตกร้าว ความหนาของผนัง 1.5 มม. ช่วยให้ระบายความร้อนได้ 500 รอบ ในขณะที่รอยแตก 3.0 มม. ภายใน 50 รอบเนื่องจากความเครียดภายในสูงขึ้น
โมดูลัสแรงดัดงอและอุณหภูมิการเปลี่ยนผ่านแบบเปราะ
PFA ผ่านการเปลี่ยนแปลงแบบยืดหยุ่น-ถึง-แบบเปราะระหว่าง -50 องศาถึง -100 องศา โมดูลัสแรงดัดงอจะเพิ่มขึ้นอย่างมากภายใต้การเปลี่ยนแปลง การทดสอบตามมาตรฐาน ASTM D790 ที่ -100 องศา:
| เกรดพีเอฟเอ | โมดูลัสแรงดัดงอที่ -100 องศา (MPa) | การยืดตัวของแรงดึงที่ -100 องศา (%) | โหมดการแตกหัก | การกระแทกไอโซดที่ -100 องศา (J/m) |
|---|---|---|---|---|
| มาตรฐาน (ความเป็นผลึก 45%) | 2800 | 8 | เปราะ | 25 |
| น้ำหนักโมเลกุลสูง (48%) | 2500 | 12 | กึ่ง-เปราะ | 45 |
| ความตกผลึกต่ำ (40% ดับแล้ว) | 1800 | 25 | เหนียว | 85 |
| โคพอลิเมอร์ดัดแปลง (ความเป็นผลึก 35%) | 1500 | 35 | เหนียว | 120 |
การคำนวณความเค้นรอบความร้อน
ในช่วงคูลดาวน์จาก 20 องศาถึง -100 องศา (ΔT=120 องศา ) ความเครียดจากการหดตัวเนื่องจากความร้อน=E × × ΔT สำหรับ PFA มาตรฐาน, E=2800 MPa,=60 ppm/ องศา , ความเครียด=2800 × 60e-6 × 120=20.2 MPa ความต้านทานแรงดึง PFA ที่ -100 องศาคือ 25 MPa ซึ่งให้อัตรากำไรขั้นต่ำ สำหรับ PFA ที่มีผลึกต่ำ (E=1800 MPa) ให้ความเครียด=13.0 MPa ซึ่งให้ค่าเผื่อด้านความปลอดภัย 2 เท่า
ความหนาของผนังและความเข้มข้นของความเค้น
ผนังที่หนาขึ้นจะเพิ่มความเครียดในการดัดงอในระหว่างการหมุนเวียนด้วยความร้อนเนื่องจากการไล่ระดับของอุณหภูมิที่มากขึ้น:
| ความหนาของผนัง | การไล่ระดับอุณหภูมิข้ามผนัง | ความเค้นดัด (MPa) | วงจรการแคร็ก | อัตราการแพร่กระจายของรอยแตก |
|---|---|---|---|---|
| 1.5มม | 12 องศา | 18 | 500 | 0.0005 มม./รอบ |
| 2.0มม | 16 องศา | 24 | 200 | 0.002 |
| 2.5มม | 20 องศา | 30 | 80 | 0.008 |
| 3.0มม | 24 องศา | 36 | 40 | 0.015 |
ความเข้ากันได้ของของไหลไครโอเจนิกส์
ซีนอนเหลวไม่ได้โจมตี PFA ทางเคมี แต่การหดตัวเนื่องจากความร้อนไม่ตรงกันระหว่าง PFA (60 ppm/ องศา ) และแกนโลหะ (13 ppm/ องศา ) ทำให้เกิดความเครียดที่ผิวหน้า สำหรับผนัง 1.5 มม. แรงเฉือนระหว่างพื้นผิวคือ 8 MPa สำหรับผนัง 3.0 มม., 12 MPa- เกินความแข็งแรงของการแช่แข็งผิวหน้าของ PFA (10 MPa) สำหรับผนังหนา
การผลิต PFA ที่มีผลึกต่ำ-
การได้ผลึกต่ำต้องทำให้แข็งตัวอย่างรวดเร็วจากการหลอม PFA มาตรฐานระบายความร้อนที่ 10 องศา/นาที ทำให้เกิดความเป็นผลึก 45-50% การดับน้ำทำได้ 35-40% สำหรับเครื่องตรวจจับ LXe ให้ระบุ PFA ดับแล้วที่มีความเป็นผลึกต่ำกว่า 40% โดย DSC
คำแนะนำข้อมูลจำเพาะ
สำหรับซีนอนเหลวที่ -100 องศา โดยมีวงจรความร้อน ให้ระบุ PFA ที่มีผลึกต่ำ ( น้อยกว่าหรือเท่ากับ 40% ความเป็นผลึก, โมดูลัสดัดงอ<2000 MPa) with wall thickness ≤1.5mm. Require ASTM D790 certification at -100°C and Izod impact >80 จูล/ม. สำหรับเครื่องตรวจจับที่ต้องการ 1000+ รอบ ให้ระบุ PFA ที่ดัดแปลงด้วยอีลาสโตเมอร์- (ความเป็นผลึก 30%) ที่มีผนัง 1.5 มม. ค่าพรีเมียมสำหรับ PFA ที่มีความเป็นผลึกต่ำ- (สูงกว่ามาตรฐานถึง 25-40%) ได้รับการพิสูจน์โดยการป้องกันการแตกหักเปราะในเครื่องตรวจจับที่มีมูลค่าหลายล้านดอลลาร์
