Name: Chorros de líquido criogénico para una ciencia de descubrimiento de alta tasa de repetición (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2020-05-09T14:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 34 s
Description: Aprende a operar chorros de líquido criogénico para experimentos de láser-plasma de alta tasa de repetición. Este protocolo demuestra la creación de jets estables de hidrógeno para aceleración de protones y física de laboratorio.

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Este trabajo fue apoyado por el Contrato No. DE- AC02-76SF00515 y por la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de Fusión de los Estados Unidos bajo FWP 100182. Este trabajo también fue parcialmente apoyado por la National Science Foundation bajo la Subvención No. 1632708 y por EC H2020 LASERLAB-EUROPE / LEPP (Contrato No. 654148). C.B.C. agradece el apoyo del Consejo de Investigación de Ciencias Naturales e Ingeniería de Canadá (NSERC). F.T. agradece el apoyo de la Administración Nacional de Seguridad Nuclear (NNSA).

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</ol>

Los autores no tienen nada que revelar.

La operación exitosa del chorro de líquido criogénico requiere una limpieza meticulosa y un monitoreo cuidadoso de la estabilidad de la temperatura. Uno de los fallos más frecuentes y evitables es un bloqueo parcial o total de la apertura del tamaño de micras. El cobre, el acero inoxidable o el indio de la fuente o las partículas en el aire se pueden introducir en cualquier paso del conjunto de la fuente. Todos los componentes deben someterse a un proceso de limpieza robusto mediante sonicación indirecta. El montaje y almacenamiento en una sala limpia de clase 10,000 o superior mejora la tasa de éxito.
Otro paso crítico del procedimiento es estabilizar la temperatura de la fuente criogénica. Los usuarios deben asegurarse de que la temperatura del líquido que sale de la fuente se mida independientemente del calor variable liberado por la licuefacción continua en el depósito. Esto se logra colocando el sensor de temperatura cerca de la abertura (por ejemplo, en la brida de la fuente) o lejos de la fuente de calor. Además, los parámetros P-I-D deben optimizarse manualmente utilizando el método Ziegler-Nichols para cada combinación de temperatura y presión de respaldo. Si las fluctuaciones de temperatura se vuelven demasiado grandes, se pueden observar oscilaciones periódicas en el chorro, lo que a veces conduce a una ruptura periódica. Cabe señalar que las funciones de ajuste automático incorporadas o los filtros de paso bajo no han tenido éxito en estabilizar la temperatura durante la operación del chorro.
El sistema de chorro de líquido criogénico, aunque altamente adaptable, es difícil de implementar en instalaciones a gran escala con protocolos de vacío establecidos. Por ejemplo, se requieren etapas de bombeo diferencial cuando el equipo aguas arriba es sensible al gas residual (por ejemplo, láser de electrones libres FLASH en DESY o instrumento MeV-UED en SLAC). Además, las cámaras de vacío de gran diámetro, como las de los láseres multi-PW, probablemente requieran criostatos flexibles en vacío. En comparación con los criostatos convencionales de longitud fija, se pueden desacoplar fácilmente de las vibraciones de la cámara y tienen un brazo de palanca más corto. Ya se ha implementado un criostato flexible en vacío con el láser Draco Petawatt en Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR). Otra observación es que la apertura puede dañarse cuando el chorro es irradiado por un láser de intensidad ultra alta demasiado cerca de la fuente. Recientemente, se ha implementado una cuchilla picadora mecánica (que funciona a 150 Hz y se sincroniza con el pulso láser) para proteger y aislar la apertura de la interacción láser-plasma.
Este sistema produce chorros de líquido criogénicos laminares y a escala micrométrica, altamente sintonizables, libres de turbulentas. El desarrollo continuo del sistema de chorro de líquido criogénico se centra en materiales y diseño de apertura avanzados, mejoras en el sistema de vacío y captador, y mezcla avanzada de isótopos de hidrógeno. Este sistema permitirá una transición a la ciencia de alta densidad de energía y alta tasa de repetición y allanará el camino para el desarrollo de aceleradores de partículas de próxima generación.

El objetivo de este método es producir un flujo líquido criogénico de alta velocidad que consiste en elementos puros o compuestos químicos. Dado que los líquidos criogénicos se evaporan a temperatura y presión ambiente, las muestras residuales de la operación a altas tasas de repetición (por ejemplo, 1 kHz) pueden evacuarse completamente de la cámara de vacío1. Basado en el trabajo inicial de Grisenti et al.2, este sistema se desarrolló por primera vez utilizando hidrógeno criogénico para la aceleración de protones impulsada por láser de alta intensidad3. Posteriormente se ha extendido a otros gases y se ha utilizado en una serie de experimentos, incluyendo: aceleración de iones4,5, respondiendo a preguntas en física de plasma como inestabilidades de plasma6, cristalización rápida y transiciones de fase en hidrógeno7 y deuterio, y dispersión inelástica de rayos X meV8 para resolver ondas acústicas en argón en el instrumento Matter in Extreme Conditions (MEC) en la Fuente de Luz Coherente Linac (LCLS)9.
Hasta ahora, se han desarrollado otros métodos alternativos para generar muestras de hidrógeno y deuterio criogénico sólido de alta tasa de repetición. García et al. desarrollaron un método en el que el hidrógeno se licua y solidifica en un depósito y se extruye a través de una apertura10. Debido a la alta presión requerida para la extrusión, el espesor mínimo de la muestra demostrado (hasta la fecha) es de 62 μm11. Este sistema también exhibe una gran fluctuación espacial12. Más recientemente, Polz et al. produjeron un chorro de hidrógeno criogénico a través de una boquilla capilar de vidrio utilizando una presión de respaldo de gas de muestra de 435 psig (libras por pulgada cuadrada, calibre). El chorro cilíndrico resultante de 10 μm es continuo pero parece muy ondulado13.
Aquí se presenta un método que produce chorros cilíndricos (diámetro = 5-10 μm) y planos con varias relaciones de aspecto (1-7 μm x 10-40 μm). El jitter de apuntamiento aumenta linealmente en función de la distancia desde la apertura5. Las propiedades del fluido y la ecuación de estado dictan los elementos y compuestos químicos que pueden ser operados en este sistema. Por ejemplo, el metano no puede formar un chorro continuo debido a la ruptura de Rayleigh, pero se puede usar como gotitas14. Además, las condiciones óptimas de presión y temperatura varían significativamente entre las dimensiones de apertura. Los siguientes párrafos proporcionan la teoría necesaria para producir chorros de hidrógeno criogénicos laminares y libres de turbulentas. Esto se puede extender a otros gases.
El sistema de chorro criogénico consta de tres subsistemas principales: (1) suministro de gas de muestra, (2) vacío y (3) criostato y fuente criogénica. El sistema representado en la Figura 1 ha sido diseñado para ser altamente adaptable para su instalación en diferentes cámaras de vacío.
El sistema de suministro de gas se compone de un cilindro de gas comprimido de pureza ultra alta, un regulador de gas y un controlador de flujo másico. La presión de respaldo del gas de muestra es establecida por el regulador de gas, mientras que el controlador de flujo másico se utiliza para medir y restringir el flujo de gas entregado al sistema. El gas de muestra se filtra primero en una trampa fría de nitrógeno líquido para congelar los gases contaminantes y el vapor de agua. Un segundo filtro de partículas en línea evita que los residuos entren en el segmento final de la línea de gas.
Las bombas turbomoleculares respaldadas con bombas scroll de alta velocidad de bombeo mantienen condiciones de alto vacío en la cámara de muestra. Las presiones de vacío de la cámara y de la línea delantera se controlan utilizando medidores de vacío V1 y V2, respectivamente. Cabe señalar que el funcionamiento del chorro criogénico introduce una carga de gas sustancial (proporcional al flujo total de muestra) en el sistema de vacío cuando el líquido se vaporiza.
Un método probado para reducir la carga de gas es capturar el líquido residual antes de que pueda ocurrir la vaporización a granel. El sistema de colector a chorro consiste en una línea de vacío independiente terminada por una abertura de bombeo diferencial de ø800 μm ubicada hasta 20 mm de la tapa de la fuente criogénica. La línea se evacua con una bomba que exhibe una eficiencia óptima en el rango de 1 x 10-2 mBar (es decir, una bomba de vacío sopladora de raíces o una bomba turbomolecular híbrida) y es monitoreada por un medidor de vacío V3. Más recientemente, el receptor ha permitido operar chorros de hidrógeno criogénicos de hasta 7 μm x 13 μm con dos órdenes de magnitud de mejora en la presión de la cámara de vacío.
Se utiliza un criostato de helio líquido de flujo continuo de longitud fija para enfriar la fuente a temperaturas criogénicas. El helio líquido se extrae de una guerra de suministro utilizando una línea de transferencia. El flujo de retorno está conectado a un panel de caudalímetro ajustable para regular la potencia de refrigeración. La temperatura del dedo frío y la fuente criogénica se mide con cuatro sensores de temperatura de diodo de silicio de plomo. Un controlador de temperatura proporcional-integral-derivado (P-I-D) suministra voltaje variable a un calentador instalado cerca del dedo frío para ajustar y estabilizar la temperatura. El gas de muestra entra en la cámara de vacío a través de una alimentación personalizada en la brida de criostato. Dentro de la cámara, la línea de gas se envuelve alrededor del criostato para preenfriar el gas antes de conectarse a una línea de gas fija en el conjunto de la fuente criogénica. Los tornillos de acero inoxidable y una capa de 51 μm de espesor de indio sellan térmicamente la fuente criogénica al dedo frío.
La fuente criogénica (Figura 2) consta de seis componentes principales: una (1) línea de gas de muestra, (2) cuerpo de fuente, (3) brida de fuente con filtro de partículas en línea, (4) apertura, (5) virola y (6) tapa. El cuerpo fuente contiene un vacío, que actúa como depósito de muestra. Un filtro roscado de acero inoxidable sinterizado Swagelok de 0,5 μm evita que cualquier residuo o contaminante solidificado entre en el canal líquido y obstruya la apertura. Se coloca un anillo de indio más grueso de 76 μm de espesor entre la abertura y el canal de líquido para aumentar la longitud de la deformación y sellar de manera confiable la apertura. Cuando la tapa se rosca en la brida de origen, el indio se comprime para formar un sello líquido y térmico. La virola y la tapa de la fuente centran la apertura durante la instalación.
Hay una serie de consideraciones generales en el diseño inicial de un sistema para chorros de líquido criogénicos operados en régimen laminar continuo. Los usuarios deben estimar la potencia de enfriamiento total del criostato, las propiedades térmicas del diseño de la fuente criogénica, el rendimiento del sistema de vacío y la temperatura y presión del líquido. A continuación se proporciona el marco teórico requerido.
Consideraciones sobre la potencia de refrigeración
1) Licuación de hidrógeno15: la potencia mínima de enfriamiento requerida para licuar hidrógeno de 300 K a una temperatura <img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq2v2.jpg" style="font-size: 14px;"> se puede estimar aproximadamente utilizando la siguiente ecuación: <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq1v3.jpg">
Donde: <img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq3v2.jpg"> es el calor específico a presión constante, y <img alt="Equation 5" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq5v2.jpg"> el calor latente de vaporización deH2 a la temperatura <img alt="Equation 6" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq6v2.jpg">de licuefacción dependiente de la presión<img alt="Equation 4" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq4v2.jpg">. Por ejemplo, un chorro de hidrógeno criogénico operado a una presión de gas de 60 psig y enfriado a 17 K requiere un mínimo de 4013 kJ / kg. Con un flujo de gas hidrógeno de 150 sccm (centímetros cúbicos estándar por segundo), esto corresponde a un calor de <img alt="Equation 7" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq7v2.jpg"> 0,9 W.
Cabe señalar que el proceso de licuefacción aporta solo una décima parte de la potencia de enfriamiento total requerida. Para reducir la carga de calor en el criostato, el gas se puede preenfriar a una temperatura intermedia antes de entrar en el cuerpo fuente.
2) Calor radiativo: para mantener la fuente criogénica a una temperatura <img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq2v2.jpg">, el criostato necesita compensar el calentamiento radiativo. Esto se puede estimar equilibrando la diferencia de radiación de cuerpo negro emitida y absorbida usando la siguiente ecuación: <img alt="Equation 8" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq8v2.jpg">
Donde: A es el área del cuerpo fuente, <img alt="Equation 9" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq9v2.jpg"> es la constante de Stefan-Boltzmann y <img alt="Equation 10" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq10v2.jpg"> es la temperatura de la cámara de vacío. Por ejemplo, una fuente de chorro típica de A = 50 cm 2 enfriada a 17 K requiere una potencia de enfriamiento mínima de2.3 W. <img alt="Equation 10" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq10v2.jpg"> Se puede disminuir localmente agregando un escudo de radiación enfriado activamente que cubra una parte sustancial de la fuente criogénica.
3) Conducción de gas residual: aunque la radiación térmica es dominante en condiciones de vacío ultra alto, la contribución debida a la conducción en el gas residual se vuelve no despreciable durante la operación del chorro. El chorro de líquido introduce una carga de gas sustancial en la cámara, lo que resulta en un aumento de la presión de vacío. La pérdida neta de calor de la conducción térmica del gas a una presión p se calcula utilizando la siguiente ecuación: <img alt="Equation 11" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq11v2.jpg">
Donde: <img alt="Equation 12" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq12v2.jpg"> es un coeficiente dependiendo de la especie gaseosa (~3.85 x 10-2 W/cm2/K/mBar paraH2), y es el coeficiente de acomodación que depende de la especie gaseosa, geometría de la fuente y temperatura de la fuente y <img alt="Equation 13" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq13v2.jpg"> del gas16,17. Cuando se opera un chorro de hidrógeno criogénico a 17 K, asumiendo una geometría cilíndrica de la fuente y que el hidrógeno es el gas principal presente en la cámara de vacío, la conducción de gas genera calor que se puede estimar utilizando la siguiente ecuación: <img alt="Equation 14" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq14v2.jpg">
Por ejemplo, la conducción de gas a una presión de vacío de 4,2 x 10-3 mBar genera tanto calor como radiación térmica. Por lo tanto, la presión de vacío generalmente se mantiene por debajo de 1 x 10-3 mBar durante la operación del chorro, agregando una carga de calor de ~ 0.55 W al sistema (A = 50 cm2).
La carga de gas introducida en la cámara durante la operación se obtiene por el flujo del chorro criogénico. La presión de vacío resultante se determina entonces por la velocidad de bombeo efectiva del sistema de vacío y el volumen de la cámara de vacío.
Para operar el chorro criogénico, el criostato tiene que generar suficiente potencia de enfriamiento para compensar las diferentes fuentes de calor anteriores (por ejemplo, 3.75 W), sin incluir las pérdidas de calor del propio sistema de criostato. Tenga en cuenta que la eficiencia del criostato también depende en gran medida de la temperatura del dedo frío deseada.
Estimación de parámetros de chorro
Para establecer un flujo laminar continuo, se deben cumplir varias condiciones. Para abreviar, aquí se muestra el caso de un flujo de líquido cilíndrico. La formación de chorros planos implica fuerzas adicionales, lo que resulta en una derivación más compleja que está más allá del alcance de este documento18.
1) Relación presión-velocidad: para flujos de líquidos incompresibles, la conservación de la energía produce la ecuación de Bernoulli, de la siguiente manera: <img alt="Equation 15" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq15v2.jpg">
Donde: <img alt="Equation 16" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq16v2.jpg"> es la densidad atómica del fluido, es la velocidad del fluido, <img alt="Equation 17" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq17v2.jpg"> <img alt="Equation 18" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq18v2.jpg"> es la energía potencial gravitatoria y p es la presión. Aplicando la ecuación de Bernoulli a través de la apertura, la relación funcional entre la velocidad del chorro y la presión de respaldo de la muestra se puede estimar utilizando la siguiente ecuación: <img alt="Equation 19" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq19v2.jpg">
2) Régimen de operación del chorro: el régimen de un chorro líquido cilíndrico se puede inferir utilizando los números de Reynolds y Ohnesorge. El número de Reynolds, definido como la relación entre las fuerzas inerciales y viscosas dentro del fluido, se calcula utilizando la siguiente ecuación: <img alt="Equation 20" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq20v2.jpg">
Donde: <img alt="Equation 16" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq16v2.jpg">, , , y son la densidad, velocidad, diámetro y <img alt="Equation 22" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq22v2.jpg"> viscosidad dinámica del fluido, <img alt="Equation 17" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq17v2.jpg"><img alt="Equation 21" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq21v2.jpg">respectivamente. El flujo laminar ocurre cuando el número de Reynolds es menor que ~2,000. Del mismo modo, el número de Weber compara la magnitud relativa de la inercia con la tensión superficial y se calcula utilizando la siguiente ecuación: <img alt="Equation 23" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq23v2.jpg">
Donde: σ es la tensión superficial del líquido. El número de Ohnesorge se calcula de la siguiente manera: <img alt="Equation 24" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq24v2.jpg">
Esta cantidad independiente de la velocidad se utiliza en combinación con el número de Reynolds para identificar los cuatro regímenes de chorro líquido: (1) Rayleigh, (2) primer inducido por el viento, (3) segundo inducido por el viento y (4) atomización. Para el flujo líquido criogénico laminar libre de turbulentas, se deben seleccionar parámetros para operar dentro del régimen de Rayleigh19 (es decir, <img alt="Equation 25" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq25v2.jpg">). En este régimen, la columna de fluido permanecerá continua con una superficie lisa hasta la llamada longitud intacta, estimada de la siguiente manera20: <img alt="Equation 26" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq26v2.jpg">
Los diferentes parámetros de fluido para un chorro de hidrógeno criogénico cilíndrico de 5 μm de diámetro operado a 60 psig y 17 K se resumen en la Figura 3. Para mantener un chorro continuo durante distancias más largas, el líquido debe enfriarse lo suficientemente cerca de la transición fase líquido-sólido (Figura 4) para que el enfriamiento evaporativo, que ocurre una vez que el chorro se propaga en el vacío, solidifique el chorro antes del inicio de la ruptura de Rayleigh 3,21.

<table><tbody><tr><td>Delantal criogénico</td><td>Tempshield</td><td>Cryo-apron</td><td>Protección del cuerpo del núcleo contra líquidos criogénicos</td></tr><tr><td>Protector facial criogénico</td><td>3M</td><td>82783-00000</td><td>Clasificación ANSI Z87.1 para la protección facial completa de líquidos criogénicos</td></tr><tr><td>Guantes criogénicos</td><td>Tempshield</td><td>Cryo-gloves MA</td><td>Protección de las manos contra líquidos criogénicos Componentes de</td></tr><tr><td>fuentes criogénicas</td><td>SLAC National Accelerator Los</td> componentes <td>personalizados</td><td>de laboratorio están hechos de cobre libre de oxígeno (OFC) para maximizar la conductividad térmica a temperaturas criogénicas.</td></tr><tr><td>Criostato y línea de transferencia</td><td>Advanced Research Systems</td><td>LT-3B</td><td>Disponible en longitudes personalizadas de hasta 1250 mm para compatibilidad con los recipientes de vacío existentes. La longitud y el estilo de la línea de transferencia se pueden seleccionar en función de las limitaciones de espacio del sistema o del laboratorio.</td></tr><tr><td>Aberturas cilíndricas</td><td>SPI Supplies</td><td>P2005-AB</td><td>Las aberturas cilíndricas comerciales se pueden comprar individualmente</td></tr><tr><td>Isopropanol de grado electrónico</td><td>Sigma Aldrich</td><td>733458-4L</td><td>99.999%, mínimo de partículas/metales traza, se seca sin residuos</td></tr><tr><td>Regulador de gas inflamable</td><td>Matheson</td><td>M3816A-350</td><td>Control de presión de gas de muestra (por ejemplo, hidrógeno, deuterio)</td></tr><tr><td>Indio</td><td>Corporación de indio</td><td>personalizado</td><td>99.99%, 50-75 y micro; m de espesor, para sellos térmicos y líquidos en fuente criogénica</td></tr><tr><td>Sistema de captación de chorro</td><td>SLAC National Accelerator Laboratory</td><td>Personalizado</td><td>Consta de skimmer, hardware de vacío y pasajes, vacuómetro, bomba de vacío roots</td></tr><tr><td>Acetona de laboratorio</td><td>Sigma Aldrich</td><td>179973-4L</td><td>Se utiliza para eliminar la grasa y la fotorresistencia de los componentes. La pureza y el grado no son críticos, ya que la limpieza final utilizará isopropanol de grado electrónico</td></tr><tr><td>Detector de fugas</td><td>Matheson</td><td></td><td>SEQ8067 Para garantizar que las aberturas del chorro se hayan sellado antes de bombear</td></tr><tr><td>helio líquido</td><td>Airgas</td><td>HE 100LT</td><td>Dewar de carga superior, el consumo depende del criostato, las dimensiones de la fuente y el flujo total de gas. Normalmente 3-5 L/h.</td></tr><tr><td>Nitrógeno líquido</td><td>Airgas</td><td>NI 160LT22</td><td>Volumen total de la trampa de frío 4 L, consumo aproximado de 2 L/h durante el funcionamiento a chorro</td></tr><tr><td>Matraz LN dewar (4 L)</td><td>ThermoFisher Scientific</td><td>4150-4000</td><td>Para la trampa de frío de nitrógeno líquido</td></tr><tr><td>Manguera de transferencia LN</td><td>Cryofab</td><td>CFUL series</td><td>Manguera criogénica sin aislamiento con un separador de fase para transferir LN de almacenamiento dewar a LN matraz dewar para la trampa</td></tr> <tr><td>de fríoManipulador manual XY</td><td>Pfeiffer Vacuum</td><td>420MXY100-25</td><td>Ajuste de rumbo (+/- 12,5 mm) de la fuente criogénica.</td></tr><tr><td>Manipulador manual Z</td><td>McAllister Technical Services</td><td>ZA12</td><td>Ajuste de la longitud del criostato para la intercambiabilidad en diferentes recipientes de vacío. Además, retrae la fuente criogénica del punto de interacción.</td></tr><tr><td>Controlador de flujo másico</td><td>MKS Instruments</td><td>P9B, GM50A</td><td>Para controlar y monitorear el flujo de gas</td></tr><tr><td>Aberturas planas</td><td>Norcada</td><td>Custom</td><td>Nanofabricación personalizada de aberturas planas</td></tr><tr><td>Actuadores de posicionamiento</td><td>Newport LTAHLPPV6</td><td>, 8303-V</td><td>Alta precisión (< 2 y micro; m), posicionamiento motorizado del chorro</td></tr><tr><td>Etapa de rotación</td> Servicios <td>técnicos de McAllister</td><td>DPRF600</td><td>Alineación de precisión de la orientación del chorro</td></tr><tr><td>Gafas de seguridad</td><td>3M</td><td>S1101SGAF</td><td>ANSI Z87.1 clasificada para trabajar con gases comprimidos</td></tr></tbody></table>

chorros de líquido criogénico para una ciencia de descubrimiento de alta tasa de repetición

Cryogenic Liquid Jets for High Repetition Rate Discovery Science

Este protocolo presenta un procedimiento detallado para el funcionamiento de chorros líquidos cilíndricos y planos criogénicos continuos de tamaño micrométrico. Cuando se opera como se describe aquí, el chorro exhibe una alta laminaridad y estabilidad por centímetros. La operación exitosa de un chorro de líquido criogénico en el régimen de Rayleigh requiere una comprensión básica de la dinámica de fluidos y la termodinámica a temperaturas criogénicas. Los cálculos teóricos y los valores empíricos típicos se proporcionan como guía para diseñar un sistema comparable. Este informe identifica la importancia tanto de la limpieza durante el ensamblaje de la fuente criogénica como de la estabilidad de la temperatura de la fuente criogénica una vez licuada. El sistema se puede utilizar para la aceleración de protones impulsada por láser de alta tasa de repetición, con una aplicación prevista en la terapia de protones. Otras aplicaciones incluyen astrofísica de laboratorio, ciencia de materiales y aceleradores de partículas de próxima generación.

Después del paso 5.4, se utilizan gráficos de sombra de gran aumento para evaluar la laminaridad, la fluctuación de posicionamiento y la estabilidad a largo plazo durante la operación del chorro. Es fundamental utilizar iluminación pulsada de menos de nanosegundos para registrar una imagen instantánea del chorro, de modo que el movimiento del chorro (~0,1 μm/ns paraH2) no difumine las irregularidades de la superficie o la turbulencia. En la Figura 5 se muestran imágenes de muestra de 2 x 20 μm 2 H 2, 4 x 12 μm 2 H 2 y 4 x 20 μm 2 D 2 jets.
Se utiliza un sistema adicional de imágenes de gran aumento para posicionar con precisión el chorro de líquido criogénico en el espacio. Para simplificar, los sistemas de imágenes están diseñados para proporcionar vistas frontales y laterales del avión. Es particularmente importante evaluar la estabilidad del chorro y determinar la orientación de los chorros planos. En la Figura 6 se muestra un estudio de la fluctuación espacial de 2 x 20 μm2H2 en función de la distancia desde la apertura, realizado durante una sola prueba durante varias horas. La fluctuación de posicionamiento de 1σ para cada punto de datos en la Figura 6A se calculó a partir de 49 imágenes grabadas a 10 Hz. Aquí, la posición del chorro se determinó en relación con una posición de referencia fija. La figura 6B muestra los histogramas normalizados de la posición del chorro a 23 mm como ejemplo. Un estudio más detallado se puede encontrar en Obst et al.5. En promedio, el jitter espacial aumenta linealmente lejos de la boquilla.
En la Figura 7 se muestran los observables típicos del sistema durante la licuefacción y la operación con chorro (según la sección 5) de un chorro criogénico de deuterio de 4 x 20 μm2. El monitoreo cuidadoso de la temperatura, el flujo, la presión de respaldo de la muestra y las presiones de vacío permite al operador identificar rápidamente cualquier irregularidad y reaccionar en consecuencia. Por ejemplo, si el chorro sale del colector, indicado por una caja discontinua, la cámara de vacío y la presión de la línea delantera aumentan significativamente. Luego se necesita potencia de enfriamiento adicional para mantener la temperatura de consigna.
Una vez estabilizados, todos los observables deben ser constantes con oscilaciones mínimas. Cualquier deriva a largo plazo es indicativa de un problema (por ejemplo, fugas, contaminación por gas, disminución en el rendimiento del sistema de vacío, deriva de posicionamiento en el receptor). La elección de la apertura dicta fuertemente los parámetros operativos del jet en el régimen de Rayleigh. Una vez que se identifican los parámetros óptimos para un tipo de gas y apertura determinados, el chorro resultante es altamente reproducible; Sin embargo, cualquier desviación menor en la apertura requiere una reoptimización a partir de los valores identificados anteriormente. Los parámetros de operación típicos se resumen en la Tabla 1.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61130/61130fig1.jpg"> Figura 1: Diagrama P&amp;ID de una plataforma típica de administración de chorro de líquido criogénico. Se representan los subsistemas de gas de muestra, vacío y criogénicos. Las presiones de la cámara de vacío, la línea delantera de la bomba turbomolecular y la línea delantera del colector de chorro se monitorean con medidores de vacío V1, V2 y V3, respectivamente. La temperatura del criostato se regula activamente mediante un controlador de temperatura P-I-D. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61130/61130fig1large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61130/61130fig2.jpg"> Figura 2: Dibujo tridimensional de la vista explotada del conjunto de la fuente criogénica. Los sellos de indio se instalan entre el dedo frío y el cuerpo de la fuente, el cuerpo y la brida de la fuente, y la brida y la apertura de la fuente. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61130/61130fig2large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61130/61130fig3.jpg"> Figura 3: Resumen de parámetros de dinámica de fluidos. Se proporcionan parámetros, suponiendo un chorro de hidrógeno criogénico cilíndrico de ø5 μm operado a 60 psig y 17 K. Los valores de densidad, viscosidad y tensión superficial son del NIST. 15. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61130/61130fig3large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61130/61130fig4.jpg"> Figura 4: Ecuación de estado del hidrógeno a temperaturas criogénicas15. Los puntos críticos y triples están indicados por círculos llenos de azul y naranja, respectivamente. La operación de chorro sigue una isobara a través de la transición de fase gas-líquido. El chorro se solidifica a través del enfriamiento evaporativo en la cámara de vacío. El recuadro gris indica el rango de presiones de respaldo (40-90 psia) y temperaturas (17-20 K) que se escanean para optimizar la estabilidad de un chorro de hidrógeno criogénico cilíndrico de ø5 μm. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61130/61130fig4large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a>
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61130/61130fig5.jpg"> Figura 5: Gráficos de sombras representativas de 20x aumentos de chorros de líquido criogénico laminar sin turbulentasutilizando un láser de longitud de onda de 10 ps/1057 nm. (A) Apertura = 2 x 20 μm 2, gas = H2, T = 15.8 K, P = 188 psig. (B) Apertura = 4 x 12 μm 2, gas = H 2, T = 17.2 K, P = 80 psig. (C) Apertura = 4 x 20 μm 2, gas: D2, T = 20 K, P = 141 psig. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61130/61130fig5large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a> 
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61130/61130fig6.jpg"> Figura 6: Estabilidad de la posición del chorro para 2 x 20 μm2 chorro de hidrógeno criogénico.Los parámetros son 18 K, 60 psig y Re <img alt="Equation 27" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq27v2.jpg" style="font-size: 14px;"> 1887. (A) Posicionamiento del jitter en función de la distancia desde la apertura. El jitter longitudinal (lateral) corresponde al movimiento paralelo al eje corto (largo) de la hoja rectangular. (B) Histograma normalizado de la posición del chorro para determinar el jitter lateral (σ = 5,5 μm) y el jitter longitudinal (σ = 8,5 μm) a 23 mm de la boquilla. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61130/61130fig6large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a>
<img alt="Figure 7" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61130/61130fig7.jpg"> Figura 7: Flujo y presiones representativos durante la operación de chorro criogénico. (A) Izquierda: flujo de gas de muestra, derecha: presión de respaldo de gas de muestra en función del tiempo. Diagrama semilogarítmico de la presión de la cámara de vacío (V1; B), presión de la línea delantera de la bomba turbomolecular (V2; C) y la presión del colector a chorro (V3; D) como funciones del tiempo. Los números marcados en un círculo identifican los cambios en el sistema observados durante la sección 5 del protocolo. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61130/61130fig7large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a> 
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always"><tbody><tr><td>Gas de muestra</td>
			<td>Abertura</td>
			<td>Temperatura (K)</td>
			<td>Presión (psig)</td>
			<td>Flujo (sccm)</td>
		</tr><tr><td>Hidrógeno</td>
			<td>Ø5 μm cilíndrico</td>
			<td>17</td>
			<td>60</td>
			<td>150</td>
		</tr><tr><td>50% hidrógeno, 50% deuterio</td>
			<td>Ø5 μm cilíndrico</td>
			<td>20</td>
			<td>30, 30</td>
			<td>130</td>
		</tr><tr><td>Deuterio</td>
			<td>Ø5 μm cilíndrico</td>
			<td>22</td>
			<td>75</td>
			<td>80</td>
		</tr><tr><td>Hidrógeno</td>
			<td>1 μm x 20 μm planar</td>
			<td>18</td>
			<td>182</td>
			<td>150</td>
		</tr><tr><td>Hidrógeno</td>
			<td>2 μm x 20 μm planar</td>
			<td>18</td>
			<td>218</td>
			<td>236</td>
		</tr><tr><td>Hidrógeno</td>
			<td>4 μm x 20 μm plano</td>
			<td>17.5</td>
			<td>140</td>
			<td>414</td>
		</tr><tr><td>Deuterio</td>
			<td>4 μm x 20 μm plano</td>
			<td>20.5</td>
			<td>117</td>
			<td>267</td>
		</tr><tr><td>Argón</td>
			<td>Ø5 μm cilíndrico</td>
			<td>90</td>
			<td>50</td>
			<td>18.5</td>
		</tr><tr><td>Metano</td>
			<td>Ø5 μm cilíndrico</td>
			<td>100</td>
			<td>75</td>
			<td>46</td>
		</tr></tbody></table>Tabla 1: Ejemplo de condiciones de operación del chorro.

Este protocolo presenta el funcionamiento y los principios de los chorros de líquido criogénicos cilíndricos y planos a escala micrométrica. Hasta ahora, este sistema se ha utilizado como un objetivo de alta tasa de repetición en experimentos de plasma láser. Las aplicaciones interdisciplinarias anticipadas van desde la astrofísica de laboratorio hasta la ciencia de materiales y, finalmente, los aceleradores de partículas de próxima generación.

Chorros de líquido criogénico para una ciencia de descubrimiento de alta tasa de repetición

This protocol presents a detailed procedure for the operation of continuous, micron-sized cryogenic cylindrical and planar liquid jets. When operated as ...

El sistema descrito en este protocolo ha dado lugar a resultados de alto impacto en la aceleración de haces de protones e iones. Las aplicaciones futuras de este sistema explorarán la astrofísica de laboratorio, la ciencia de los materiales y la próxima generación de aceleradores de partículas, lo que conducirá a potencias máximas del orden de gigavatios. El objetivo de hidrógeno, en particular, tiene propiedades atractivas para la aceleración de iones láser, lo que conduce a haces de protones puros y energéticos.Christopher Schoenwaelder, un estudiante de doctorado de mi laboratorio, demostrará en el procedimiento Toda la preparación y el montaje de los componentes de la fuente criogénica deben realizarse en un entorno limpio, con la ropa adecuada para la sala limpia. Comience utilizando la limpieza ultrasónica indirecta para eliminar los contaminantes de los componentes de la fuente criogénica. Llene un sonicador con agua destilada y añada un tensioactivo para reducir la tensión superficial.Coloque las piezas de la fuente criogénica en vasos de precipitados de vidrio individuales, sumérjalas completamente en isopropanol de grado electrónico y cubra sin apretar los vasos de precipitados con papel de aluminio para reducir la evaporación y evitar la contaminación. Coloque los vasos de precipitados en la cesta de limpieza o en un soporte para vasos de precipitados en el sonicador, asegurándose de que no toquen la parte inferior del sonicador. Active el sonicador durante 60 minutos y, a continuación, inspeccione el isopropanol con una luz blanca brillante en busca de partículas o residuos en suspensión.Si hay partículas visibles, enjuague las piezas con isopropanol limpio y reemplace el baño de isopropanol. Sonicar en ciclos de 60 minutos hasta que no queden partículas o residuos visibles. Cuando termine, coloque las piezas sobre una superficie cubierta y limpia para desecarlas durante un mínimo de 30 minutos antes del montaje.Repita el proceso de limpieza para el filtro de acero inoxidable, la tapa de la fuente, la férula y los tornillos de montaje. Corte un trozo de indio para cubrir al máximo la unión entre el cuerpo de la fuente criogénica y el dedo frío del criostato. Luego, colóquelo en la fuente criogénica y manténgalo al ras con el dedo frío del criostato.Apriete los tornillos de retención, asegurándose de que el indio permanezca plano para establecer un sello térmico entre los componentes. No apriete demasiado, ya que las roscas de cobre se dañan fácilmente. Atornille el filtro roscado de acero inoxidable en la brida de la fuente criogénica.Coloque una junta de indio en la brida de la fuente y fije la brida de la fuente al cuerpo de la fuente criogénica con los tornillos de la brida. Luego, apriete los tornillos en diagonal en lugar de secuencialmente alrededor de la circunferencia. Coloque la férula dentro de la tapa.Luego, use pinzas limpias para colocar la apertura dentro de la férula. Toque la tapa para centrar la apertura en la férula. Deja caer un anillo de indio en la parte superior de la abertura.A continuación, vuelve a tocar el borde de la tapa para centrar el anillo de indio en la abertura. Apriete a mano la tapa en la brida de la fuente hasta que se detecte una resistencia mínima. Derestrinja el caudal en el controlador de flujo másico aumentando el punto de ajuste a 500 centímetros cúbicos estándar por minuto y ajustando la presión del gas a aproximadamente 50 PSI en el regulador de presión.Use una llave para apretar la apertura unos pocos grados a la vez hasta que el caudal comience a disminuir. Verifique la tasa de fuga en la parte superior de la tapa con el detector de fugas de alta sensibilidad y deje de apretar cuando la tasa de fuga medida deje de disminuir. Desactive la rampa de temperatura y cambie la temperatura del punto de ajuste muy por debajo de la temperatura teórica de transición de fase líquida de vapor.Al inicio de la licuefacción, aumente el flujo de helio para que la potencia de enfriamiento adicional pase rápidamente a través de la transición de fase. A medida que el depósito se licúa por completo, una mezcla de gas y líquido se rociará inicialmente desde la abertura y se convertirá secuencialmente en un chorro continuo. Utilice la fotografía de sombras de gran aumento con deluminación pulsada de menos de nanosegundos para visualizar la estabilidad y la laminaridad del chorro.Si el experimento tiene una ubicación predeterminada para la muestra, traslade la fuente criogénica utilizando un manipulador multieje en la brida del criostato o actuadores de pasador de empuje motorizados en la cámara de vacío. Optimice los parámetros PID y el flujo de helio para garantizar que la estabilidad de la temperatura sea mejor que más o menos 0,02 Kelvin. Tenga en cuenta que la estabilidad general del chorro depende en gran medida de la presión de la cámara de vacío, la presión de respaldo de gas y la temperatura.Los gráficos de sombra de gran aumento se utilizan para evaluar la laminaridad, la fluctuación de posicionamiento y la estabilidad a largo plazo durante el funcionamiento del chorro. Es fundamental utilizar iluminación pulsada de subnanosegundos para registrar una imagen instantánea del chorro, de modo que el movimiento del chorro no desdibuje las irregularidades o turbulencias de la superficie. Se realizó un estudio de la fluctuación espacial de un chorro de hidrógeno de 2 por 20 micrómetros en función de la distancia desde la apertura durante una sola prueba durante varias horas.La fluctuación de fase de posicionamiento para cada punto de datos se calculó a partir de 49 imágenes grabadas a 10 hercios. La posición del chorro se determinó en relación con una posición de referencia fija. A modo de ejemplo, se muestran los histogramas normalizados de la posición del chorro a 23 milímetros.Aquí se muestran los observables típicos del sistema durante la licuefacción y el funcionamiento de un chorro de deuterio criogénico de 4 por 20 micrómetros. El control cuidadoso de la temperatura, el flujo, la presión de respaldo de la muestra y las presiones de vacío permite al operador identificar rápidamente cualquier irregularidad y reaccionar en consecuencia. Aquí se resumen los parámetros de funcionamiento típicos.Una vez que se identifican los parámetros óptimos para un gas y un tipo de apertura determinados, el chorro resultante es altamente reproducible. Cualquier desviación en la apertura requiere una reoptimización a partir de los valores identificados anteriormente. Al seguir este protocolo, es importante tener en cuenta que los cambios bruscos de presión o temperatura pueden vaporizar rápidamente el hidrógeno líquido en el depósito.Para evitar fallas en el sistema de vacío, el operador debe restringir el flujo de gas y aislar el hardware sensible. El sistema también puede ampliarse a otras geometrías de apertura y gases de muestra. Entre otras cosas, los elementos más pesados se pueden utilizar para estudiar procesos fundamentales del plasma, como las ondas acústicas iónicas o la transición a una fase de la materia, un estado que se espera que exista en el interior de los gigantes gaseosos y los exoplanetas.Los haces de iones de alto brillo de este sistema objetivo se utilizan para generar un haz de neutrones direccional de alto flujo. Esta técnica ha allanado el camino para la inspección no destructiva de materiales y puede contribuir a los estudios de nucleosíntesis en el laboratorio.

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Investigación

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