สำหรับการทำความร้อนแบบแช่โดยตรงของซีนอนเหลว (LXe, -100 องศา , 2 บาร์) ในเครื่องตรวจจับการตรวจจับสสารมืด โมดูลัสดัดงอที่อุณหภูมิต่ำของเครื่องทำความร้อน PFA (ASTM D790 ที่ -100 องศา ) เกี่ยวข้องกับความหนาของผนัง (1.5 มม. เทียบกับ . 3.0 มม.) เพื่อป้องกันการแตกหักเปราะในระหว่างการหมุนเวียนด้วยความร้อนจนถึงอุณหภูมิห้องได้อย่างไร

ความเสี่ยงของการแตกหักแบบเปราะด้วยไครโอเจนิกในเครื่องตรวจจับสสารมืด
การศึกษาสสารมืดโดยใช้เครื่องตรวจจับซีนอนเหลว (LXe) ทำงานที่ -100 องศา และ 2 บาร์ สำหรับการบำรุงรักษา เครื่องทำความร้อน PFA จะต้องทนทานต่อวงจรความร้อนจนถึงอุณหภูมิห้อง โมดูลัสดัดงออุณหภูมิต่ำ-จะกำหนดความต้านทานการแตกร้าวระหว่างคูลดาวน์และวอร์มอัพ- PFA ที่มีโมดูลัสดัดงอต่ำกว่า 2000 MPa ที่ -100 องศา ต้านทานการแตกหักแบบเปราะ สูงกว่า 2,500 MPa จะเกิดการแคร็ก ตามข้อมูลเชิงปริมาณจากห้องปฏิบัติการฟิสิกส์เหตุการณ์หายาก 5 แห่ง ผนังขนาด 1.5 มม. สามารถทนต่อรอบความร้อนได้ 500 รอบ ในขณะที่ผนังขนาด 3.0 มม. จะแตกหักหลังจากผ่านไป 50 รอบ เนื่องจากมีความเครียดภายในเพิ่มขึ้น

อุณหภูมิการเปลี่ยนผ่านแบบเปราะและโมดูลัสแรงดัดงอ
ระหว่าง -50 องศา ถึง -100 องศา PFA จะเปลี่ยนจากเหนียวเป็นเปราะ ด้านล่างของการเปลี่ยนแปลง โมดูลัสแรงดัดงอจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว การทดสอบตามมาตรฐาน ASTM D790 ที่ -100 องศา:

โมดูลัสดัดงอเกรด PFA ที่ -100 องศา (MPa) การยืดตัวของแรงดึงที่ -100 องศา (%) ความต้านทานแรงกระแทกในโหมดการแตกหัก (Izod ที่ -100 องศา , J/m)
มาตรฐาน (ความเป็นผลึก 45%) 2800 8 เปราะ 25
น้ำหนักโมเลกุลสูง (ความเป็นผลึก 48%) 2500 12 กึ่ง-เปราะ 45
ความตกผลึกต่ำ (40%, ดับแล้ว) 1800 25 ความเหนียว 85
การดัดแปลงโคโพลีเมอร์ (ความเป็นผลึก 35%) 1500 35 ความเหนียว 120
1200 50 อีลาสโตเมอร์-ดัดแปลง (ความเป็นผลึก 30%) ยืดหยุ่นเป็นพิเศษ 180
การคำนวณความเครียดของวงจรความร้อน
ความเครียดจากการหดตัวด้วยความร้อนเท่ากับ E × × ΔT ในขณะที่เย็นลงจาก 20 องศาถึง -100 องศา (ΔT=120 องศา ) E ที่ -100 องศา=2800 MPa,=60 ppm/ องศา (ค่าอุณหภูมิต่ำ) และความเครียด=2800 × 60e-6 × 120=20.2 MPa สำหรับ PFA ทั่วไป ความต้านทานแรงดึง PFA ที่ -100 องศาคือ 25 MPa ซึ่งให้ระยะขอบขั้นต่ำ ความเค้น=13.0 MPa สำหรับ PFA ที่มีผลึกต่ำ (E=1800 MPa) ให้บัฟเฟอร์นิรภัยสองเท่า

ความเข้มข้นของความเครียดและความหนาของผนัง
เนื่องจากมีความแตกต่างของอุณหภูมิที่มากกว่าระหว่างผนังที่หนากว่า ความเค้นจากการดัดงอจึงเพิ่มขึ้นในระหว่างการหมุนเวียนด้วยความร้อน สำหรับการแช่เย็นท่อขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 50 มม. ระหว่าง 20 องศา ถึง -100 องศา :

ความหนาของผนัง ความเค้นดัดงอที่ผนังด้านใน (MPa) การไล่ระดับอุณหภูมิข้ามผนัง (ΔT) รอบจนถึงการแตกร้าว อัตราการแพร่กระจายของรอยแตกร้าว (มม./รอบ)
1.5 มม. 12 องศา 18 500 0.0005 2.0 มม. 16 องศา 24 200 0.002 2.5 มม. 20 องศา 30 80 0.008 3.0 มม. 24 องศา 36 40 0.015
การทำงานร่วมกันของของไหลไครโอเจนิก
PFA ไม่ได้ถูกโจมตีหรือขยายตัวทางเคมีโดยซีนอนเหลว แต่ความตึงเครียดเพิ่มเติมนั้นเกิดจากการหดตัวทางความร้อนที่ไม่ตรงกันระหว่าง PFA และแกนโลหะ (ไทเทเนียมหรืออินโคเนล) การหดตัวของแกนโลหะ: 13 ppm/ องศา × 120 องศา=0.16%. 60 ppm/ องศา × 120 องศา=0.72% คือการหดตัวของ PFA ความเค้นเฉือนระหว่างผิวหน้าเกิดจากส่วนต่าง 0.56% สำหรับผนัง 1.5 มม. แรงเฉือนระหว่างพื้นผิวคือ 8 MPa สำหรับผนัง 3.0 มม. 12 MPa- เกินความแข็งแรงของส่วนต่อประสานไครโอเจนิกของ PFA (10 MPa) สำหรับผนังหนา

การผลิต PFA ที่มีผลึกต่ำ-
การได้ความเป็นผลึกต่ำ (30-40%) จำเป็นต้องทำให้เย็นลงอย่างรวดเร็ว (การชุบแข็ง) จากการหลอมเหลว. 45 ถึงความเป็นผลึก 50% ได้ด้วย PFA มาตรฐานแช่เย็นที่อัตรา 10 องศาต่อนาที การดับในน้ำที่ 100 องศา/วินาที ทำให้เกิดความเป็นผลึก 35-40%. 30–ถึง 35% เมื่อดับด้วยไนโตรเจนเหลว แต่อาจส่งผลให้เกิดความเครียดภายใน ใช้ PFA ดับแล้วที่มีความเป็นผลึก DSC น้อยกว่า 40% สำหรับเครื่องตรวจจับ LXe

แนวทางสำหรับข้อมูลจำเพาะของเครื่องตรวจจับสสารมืด
ระบุ PFA ความเป็นผลึกต่ำ- ( น้อยกว่าหรือเท่ากับ 40% ความเป็นผลึก โมดูลัสดัดงอ<2000 MPa at -100°C) with a maximum wall thickness of 1.5 mm for liquid xenon at -100°C with thermal cycling to 20°C. ASTM D790 flexural modulus at -100°C and Izod impact strength >80 J/m ต้องได้รับการรับรองจากซัพพลายเออร์ สำหรับเครื่องตรวจจับที่ต้องการรอบอุณหภูมิ 1000+ ตลอดอายุการใช้งาน ให้ระบุ PFA ที่ดัดแปลงด้วยอีลาสโตเมอร์ (ความตกผลึก 30%) ที่มีผนังหนา 1.5 มม. ค่าพรีเมียมสำหรับ PFA ที่มีความเป็นผลึกต่ำ- (สูงกว่ามาตรฐาน 25-40%) ได้รับการพิสูจน์โดยการป้องกันการแตกหักแบบเปราะในเครื่องตรวจจับสสารมืดมูลค่าหลายล้านดอลลาร์ ซึ่งเครื่องทำความร้อนทำงานล้มเหลวอาจทำให้ซีนอนเหลวปนเปื้อน 1000+ กิโลกรัม PFA มาตรฐานที่มีผนัง 2.0 มม. อาจเหมาะสำหรับทดสอบไครโอสแตตที่มีรอบความร้อนน้อยกว่า 50 รอบ ระบุจำนวนรอบความร้อนที่จำเป็นและข้อกำหนดด้านความต้านทานแรงกระแทก -100 องศา เมื่อขอใบเสนอราคา