Name: סילונים נוזליים קריוגניים לגילוי קצב חזרות גבוה (וידאו) | JoVE Journal
Uploaded: 2020-05-09T14:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 34 s
Description: למדו את הרכבת ותפעול סילוני נוזלים קריוגניים לניסויים לייזר-פלזמה בתדר גבוה. שיטה זו מאפשרת יצירת סילונים רציפים של מימן לאצת פרוטונים ויונים לאנרגיות גבוהות.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

עבודה זו נתמכה על ידי חוזה SLAC מס' של משרד האנרגיה האמריקאי. DE- AC02-76SF00515 ועל ידי משרד המדע של ארה"ב, מדעי אנרגיית היתוך תחת FWP 100182. עבודה זו נתמכה חלקית גם על ידי הקרן הלאומית למדע תחת מענק מס '1632708 ועל ידי EC H2020 LASERLAB-EUROPE/LEPP (חוזה מס '654148). C.B.C. מכיר בתמיכת מועצת המחקר למדעי הטבע וההנדסה של קנדה (NSERC). F.T. מכיר בתמיכת המינהל הלאומי לביטחון גרעיני (NNSA).

<ol><li>Gauthier, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((High+repetition+rate%2C+multi-MeV+proton+source+from+cryogenic+hydrogen+jets%5BTitle%5D)+AND+%22Applied+Physics+Letters%22%5BJournal%5D)">High repetition rate, multi-MeV proton source from cryogenic hydrogen jets.</a> Applied Physics Letters. 111, 114102(2017).</li>
<li>Grisenti, R. E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Cryogenic+microjet+for+exploration+of+superfluidity+in+highly+supercooled+molecular+hydrogen%5BTitle%5D)+AND+%22Europhysics+Letters%22%5BJournal%5D)">Cryogenic microjet for exploration of superfluidity in highly supercooled molecular hydrogen.</a> Europhysics Letters. 73, 540-546 (2006).</li>
<li>Kim, J. B., Göde, S., Glenzer, S. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Development+of+a+cryogenic+hydrogen+microjet+for+high-intensity%2C+high+repetition+rate+experiments%5BTitle%5D)+AND+%22Review+of+Scientific+Instruments%22%5BJournal%5D)">Development of a cryogenic hydrogen microjet for high-intensity, high repetition rate experiments.</a> Review of Scientific Instruments. 87, 328(2016).</li>
<li>Gauthier, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((High-intensity+laser-accelerated+ion+beam+produced+from+cryogenic+micro-jet+target%5BTitle%5D)+AND+%22Review+of+Scientific+Instruments%22%5BJournal%5D)">High-intensity laser-accelerated ion beam produced from cryogenic micro-jet target.</a> Review of Scientific Instruments. 87, 827(2016).</li>
<li>Obst, L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Efficient+laser-driven+proton+acceleration+from+cylindrical+and+planar+cryogenic+hydrogen+jets%5BTitle%5D)+AND+%22Scientific+Reports%22%5BJournal%5D)">Efficient laser-driven proton acceleration from cylindrical and planar cryogenic hydrogen jets.</a> Scientific Reports. 7, 10248(2017).</li>
<li>Goede, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Relativistic+Electron+Streaming+Instabilities+Modulate+Proton+Beams+Accelerated+in+Laser-Plasma+Interactions%5BTitle%5D)+AND+%22Physical+Review+Letters%22%5BJournal%5D)">Relativistic Electron Streaming Instabilities Modulate Proton Beams Accelerated in Laser-Plasma Interactions.</a> Physical Review Letters. 118, 194801(2017).</li>
<li>Kühnel, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Time-Resolved+Study+of+Crystallization+in+Deeply+Cooled+Liquid+Parahydrogen%5BTitle%5D)+AND+%22Physical+Review+Letters%22%5BJournal%5D)">Time-Resolved Study of Crystallization in Deeply Cooled Liquid Parahydrogen.</a> Physical Review Letters. 106, 245301(2011).</li>
<li>McBride, E. E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Setup+for+meV-resolution+inelastic+X-ray+scattering+measurements+and+X-ray+diffraction+at+the+Matter+in+Extreme+Conditions+endstation+at+the+Linac+Coherent+Light+Source%5BTitle%5D)+AND+%22Review+of+Scientific+Instruments%22%5BJournal%5D)">Setup for meV-resolution inelastic X-ray scattering measurements and X-ray diffraction at the Matter in Extreme Conditions endstation at the Linac Coherent Light Source.</a> Review of Scientific Instruments. 2018, 104(2018).</li>
<li>Glenzer, S. H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Matter+under+extreme+conditions+experiments+at+the+Linac+Coherent+Light+Source%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Physics+B%3A+Atomic%2C+Molecular+and+Optical+Physics%22%5BJournal%5D)">Matter under extreme conditions experiments at the Linac Coherent Light Source.</a> Journal of Physics B: Atomic, Molecular and Optical Physics. 49, 9(2016).</li>
<li>Garcia, S., Chatain, D., Perin, J. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Continuous+production+of+a+thin+ribbon+of+solid+hydrogen%5BTitle%5D)+AND+%22Laser+and+Particle+Beams%22%5BJournal%5D)">Continuous production of a thin ribbon of solid hydrogen.</a> Laser and Particle Beams. 32, 569-575 (2014).</li>
<li>Margarone, D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Proton+Acceleration+Driven+by+a+Nanosecond+Laser+from+a+Cryogenic+Thin+Solid-Hydrogen+Ribbon%5BTitle%5D)+AND+%22Physical+Review+X%22%5BJournal%5D)">Proton Acceleration Driven by a Nanosecond Laser from a Cryogenic Thin Solid-Hydrogen Ribbon.</a> Physical Review X. 6, 041030(2016).</li>
<li>Kraft, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((First+demonstration+of+multi-MeV+proton+acceleration+from+a+cryogenic+hydrogen+ribbon+target%5BTitle%5D)+AND+%22Plasma+Physics+and+Controlled+Fusion%22%5BJournal%5D)">First demonstration of multi-MeV proton acceleration from a cryogenic hydrogen ribbon target.</a> Plasma Physics and Controlled Fusion. 60, 044010(2018).</li>
<li>Polz, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Efficient+Laser-Driven+Proton+Acceleration+from+a+Cryogenic+Solid+Hydrogen+Target%5BTitle%5D)+AND+%22Scientific+Reports%22%5BJournal%5D)">Efficient Laser-Driven Proton Acceleration from a Cryogenic Solid Hydrogen Target.</a> Scientific Reports. 9, 16534(2019).</li>
<li>Kim, J. B., Schoenwaelder, C., Glenzer, S. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Development+and+characterization+of+liquid+argon+and+methane+microjets+for+high-rep-rate+laser-plasma+experiments%5BTitle%5D)+AND+%22Review+of+Scientific+Instruments%22%5BJournal%5D)">Development and characterization of liquid argon and methane microjets for high-rep-rate laser-plasma experiments.</a> Review of Scientific Instruments. 89, 105(2018).</li>
<li>NIST Standard Reference Database. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=%22NIST+Standard+Reference+Database+Number+69%22">NIST Standard Reference Database Number 69</a>. , https://doi.org/10.18434/T4D303 (2018).</li>
<li>Corruccini, R. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Gaseous+heat+conduction+at+low+pressures+and+temperatures%5BTitle%5D)+AND+%22Vacuum%22%5BJournal%5D)">Gaseous heat conduction at low pressures and temperatures.</a> Vacuum. 7-8, 19-29 (1959).</li>
<li>Scott, R. B., Denton, W. H., Nicholls, C. M. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aScott%2C+RB+%22Technology+and+Uses+of+Liquid+Hydrogen%22">Technology and Uses of Liquid Hydrogen</a>. , Pergamon Press LTd. (1964).</li>
<li>Ha, B., DePonte, D., Santiago, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Device+design+and+flow+scaling+for+liquid+sheet+jets%5BTitle%5D)+AND+%22Physical+Review+Fluids%22%5BJournal%5D)">Device design and flow scaling for liquid sheet jets.</a> Physical Review Fluids. 3, 114202(2018).</li>
<li>Eggers, J., Villermaux, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Physics+of+liquid+jets%5BTitle%5D)+AND+%22Rep.+Prog.+Phys%22%5BJournal%5D)">Physics of liquid jets.</a> Rep. Prog. Phys. 71, 036601(2008).</li>
<li>McCarthy, M. J., Molloy, N. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Review+of+Stability+of+Liquid+Jets+and+the+Influence+of+Nozzle+Design%5BTitle%5D)+AND+%22Chemical+Engineering+Journal%22%5BJournal%5D)">Review of Stability of Liquid Jets and the Influence of Nozzle Design.</a> Chemical Engineering Journal. 7, 1-20 (1974).</li>
<li>Neumayer, P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Evidence+for+ultra-fast+heating+in+intense+laser+irradiated+reduced-mass+targets%5BTitle%5D)+AND+%22Physics+of+Plasmas%22%5BJournal%5D)">Evidence for ultra-fast heating in intense laser irradiated reduced-mass targets.</a> Physics of Plasmas. 19, 122708(2012).</li>
<li>Ziegler, J. G., Nichols, N. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Optimum+Settings+for+Automatic+Controllers%5BTitle%5D)+AND+%22Transactions+of+the+American+Society+of+Mechanical+Engineers%22%5BJournal%5D)">Optimum Settings for Automatic Controllers.</a> Transactions of the American Society of Mechanical Engineers. 64, 759-768 (1942).</li>
<li>Ziegler, T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Optical+probing+of+high+intensity+laser+interaction+with+micron-sized+cryogenic+hydrogen+jets%5BTitle%5D)+AND+%22Plasma+Physics+and+Controlled+Fusion%22%5BJournal%5D)">Optical probing of high intensity laser interaction with micron-sized cryogenic hydrogen jets.</a> Plasma Physics and Controlled Fusion. 60, 074003(2018).</li>
</ol>

למחברים אין מה לחשוף.

הפעלה מוצלחת של הסילון הנוזלי הקריוגני דורשת ניקיון קפדני ומעקב קפדני אחר יציבות הטמפרטורה. אחד הכשלים השכיחים והנמנעים ביותר הוא חסימה חלקית או מלאה של הצמצם בגודל מיקרון. נחושת, נירוסטה או אינדיום מהמקור או חלקיקים באוויר יכולים להיות מוצגים בכל שלב של מכלול המקור. כל הרכיבים חייבים לעבור תהליך ניקוי חזק באמצעות סוניקציה עקיפה. הרכבה ואחסון בחדר נקי Class 10,000 או יותר משפר את אחוזי ההצלחה.
שלב קריטי נוסף של ההליך הוא לייצב את טמפרטורת המקור הקריוגני. על המשתמשים לוודא כי טמפרטורת הנוזל היוצא מהמקור נמדדת באופן עצמאי מהחום המשתנה המשתחרר על ידי הנזלה רציפה במאגר. זה מושג על ידי הצבת חיישן הטמפרטורה ליד הצמצם (למשל, על אוגן המקור) או רחוק ממקור החום. יתר על כן, יש לבצע אופטימיזציה ידנית של פרמטרי P-I-D בשיטת זיגלר-ניקולס עבור כל שילוב של טמפרטורה ולחץ גב. אם תנודות הטמפרטורה הופכות גדולות מדי, ניתן לראות תנודות תקופתיות על הסילון שלעיתים מובילות להתפרקות תקופתית. יש לציין כי פונקציות כוונון אוטומטי מובנות או מסננים נמוכים לא הצליחו לייצב את הטמפרטורה במהלך פעולת הסילון.
מערכת הסילון הנוזלי הקריוגנית, למרות שהיא ניתנת להתאמה גבוהה, מאתגרת ליישום במתקנים בקנה מידה גדול עם פרוטוקולי ואקום מבוססים. לדוגמה, שלבי שאיבה דיפרנציאליים נדרשים כאשר ציוד במעלה הזרם רגיש לגז השיורי (למשל, לייזר אלקטרונים חופשיים FLASH ב- DESY או מכשיר MeV-UED ב- SLAC). בנוסף, תאי ואקום בקוטר גדול, כגון אלה עבור לייזרים מרובי PW, דורשים ככל הנראה קריוסטטים גמישים בתוך ואקום. בהשוואה לקריסטטים רגילים באורך קבוע, ניתן להפריד אותם בקלות מתנודות התא ויש להם זרוע מנוף קצרה יותר. קריוסטט גמיש בוואקום כבר יושם עם לייזר דראקו פטוואט בהלמהולץ-צנטרום דרזדן-רוזנדורף (HZDR). תצפית נוספת היא שהצמצם עלול להיפגע כאשר הסילון מוקרן על ידי לייזר בעוצמה גבוהה מדי קרוב מדי למקור. לאחרונה יושם להב מסוק מכני (הפועל ב-150 הרץ ומסונכרן עם פולס הלייזר) כדי להגן ולבודד את הצמצם מאינטראקציית הלייזר-פלזמה.
מערכת זו מייצרת סילונים נוזליים קריוגניים קריוגניים בקנה מידה מיקרוני, ניתנים לכוונון גבוה, נטולי טורבולנטים, גליליים למינריים ומישוריים. הפיתוח המתמשך של מערכת הסילון הנוזלי הקריוגני מתמקד בחומרים ועיצוב מתקדמים של צמצם, שיפורים במערכת ואקום ולוכד, וערבוב איזוטופים מתקדמים של מימן. מערכת זו תאפשר מעבר למדע של צפיפות אנרגיה גבוהה, קצב חזרות גבוה, ותסלול את הדרך לפיתוח מאיצי חלקיקים מהדור הבא.

מטרת שיטה זו היא לייצר זרימת נוזל קריוגנית במהירות גבוהה המורכבת מיסודות טהורים או תרכובות כימיות. מכיוון שנוזלים קריוגניים מתאדים בטמפרטורת הסביבה ובלחץ, דגימות שיוריות מפעולה בקצבי חזרה גבוהים (למשל, 1 קילוהרץ) יכולות להתפנות לחלוטין מתא הוואקום1. מבוסס על העבודה הראשונית של Grisenti et al.2, מערכת זו פותחה לראשונה באמצעות מימן קריוגני להאצת פרוטונים מונעת לייזרבעוצמה גבוהה 3. לאחר מכן הוא הורחב לגזים אחרים ושימש במספר ניסויים, כולל: תאוצת יונים4,5, מענה על שאלות בפיזיקת פלזמה כגון אי יציבות פלזמה6, התגבשות מהירה ומעברי פאזה במימן7 ודאוטריום, ופיזור קרני רנטגן קשיח meV8 לפתרון גלים אקוסטיים בארגון במכשיר חומר בתנאים קיצוניים (MEC) במקור האור הקוהרנטי Linac (LCLS)9.
עד כה פותחו שיטות חלופיות אחרות ליצירת דגימות מימן קריוגני מוצק ודאוטריום בקצב חזרות גבוה. גרסיה ועמיתיו פיתחו שיטה שבה מימן נוזלי ומתמצק במאגר ומובל דרך צמצם10. בשל הלחץ הגבוה הנדרש לאקסטרוזיה, עובי הדגימה המינימלי שהוכח (עד כה) הוא 62 מיקרומטר11. מערכת זו מציגה גם ריצוד מרחבי גדול12. לאחרונה, Polz et al. הפיקו סילון מימן קריוגני דרך פיית נימי זכוכית באמצעות לחץ גיבוי גז לדוגמה של 435 psig (פאונד לאינץ' מרובע, מד). הסילון הגלילי המתקבל 10 מיקרומטר הוא רציף אך נראה משוסע מאוד13.
מוצגת כאן שיטה המייצרת סילונים גליליים (קוטר = 5-10 מיקרומטר) ומישוריים עם יחסי גובה-רוחב שונים (1-7 מיקרומטר x 10-40 מיקרומטר). ריצוד ההצבעה גדל באופן ליניארי כפונקציה של המרחק מהצמצם5. תכונות הנוזל ומשוואת המצב מכתיבות את היסודות והתרכובות הכימיות שניתן להפעיל במערכת זו. לדוגמה, מתאן אינו יכול ליצור סילון רציף עקב התפרקות ריילי, אך הוא יכול לשמש כטיפות14. יתר על כן, תנאי הלחץ והטמפרטורה האופטימליים משתנים באופן משמעותי בין ממדי הצמצם. הפסקאות הבאות מספקות את התיאוריה הדרושה לייצור סילוני מימן קריוגניים למינריים, נטולי טורבולנטים. זה יכול להיות מורחב גזים אחרים.
מערכת הסילון הקריוגנית מורכבת משלוש תת-מערכות עיקריות: (1) אספקת גז דגימה, (2) ואקום, ו-(3) קריוסטט ומקור קריוגני. המערכת המתוארת באיור 1 תוכננה להיות בעלת יכולת התאמה גבוהה להתקנה בתאי ואקום שונים.
מערכת הולכת הגז מורכבת מבלון גז דחוס בעל טוהר גבוה במיוחד, וסת גז ובקר זרימת מסה. לחץ הגיבוי של גז הדגימה נקבע על ידי וסת הגז, בעוד בקר זרימת המסה משמש למדידה והגבלה של זרימת הגז המועברת למערכת. גז הדגימה מסונן תחילה במלכודת חנקן נוזלי כדי להקפיא גזים מזהמים ואדי מים. מסנן חלקיקים שני בשורה מונע מפסולת להיכנס לקטע הסופי של צינור הגז.
משאבות טורבו-מולקולריות המגובות במשאבות גלילה במהירות שאיבה גבוהה שומרות על תנאי ואקום גבוהים בתא הדגימה. לחצי הוואקום של התא והקו הקדמי מנוטרים באמצעות מדי ואקום V1 ו-V2, בהתאמה. יש לציין כי הפעלת הסילון הקריוגני מכניסה עומס גז משמעותי (פרופורציונלי לזרימת הדגימה הכוללת) למערכת הוואקום כאשר הנוזל מתאדה.
שיטה מוכחת להפחתת עומס הגז היא ללכוד את הנוזל השיורי לפני אידוי בתפזורת יכול להתרחש. מערכת לוכד הסילון מורכבת מקו ואקום עצמאי המסתיים על ידי מפתח שאיבה דיפרנציאלי של ø800 מיקרומטר הממוקם עד 20 מ"מ ממכסה המקור הקריוגני. הקו מפונה באמצעות משאבה המפגינה יעילות אופטימלית בתחום 1 x 10-2 mBar (כלומר, משאבת ואקום מפוח שורשים או משאבת טורבו מולקולרית היברידית) ומנוטרת על ידי מד ואקום V3. לאחרונה, התופס איפשר להפעיל סילוני מימן קריוגניים של עד 7 מיקרומטר x 13 מיקרומטר עם שיפור בשני סדרי גודל ללחץ תא הוואקום.
קריוסטט הליום נוזלי בעל זרימה רציפה באורך קבוע משמש לקירור המקור לטמפרטורות קריוגניות. הליום נוזלי נשאב מדיואר אספקה באמצעות קו העברה. זרימת ההחזרה מחוברת ללוח מד זרימה מתכוונן כדי לווסת את עוצמת הקירור. הטמפרטורה של האצבע הקרה והמקור הקריוגני נמדדת באמצעות ארבעה חיישני טמפרטורה של דיודת סיליקון עופרת. בקר טמפרטורה פרופורציונלי-אינטגרלי-נגזרת (P-I-D) מספק מתח משתנה לתנור חימום המותקן ליד האצבע הקרה כדי לכוונן ולייצב את הטמפרטורה. גז הדגימה נכנס לתא הוואקום דרך הזנה מותאמת אישית על אוגן ההקפאה. בתוך התא, צינור הגז עוטף את הקריוסטט כדי לקרר את הגז לפני שהוא מתחבר לקו גז קבוע במכלול המקור הקריוגני. ברגי נירוסטה ושכבה בעובי 51 מיקרומטר של אינדיום אוטמים תרמית את המקור הקריוגני לאצבע הקרה.
המקור הקריוגני (איור 2) מורכב משישה מרכיבים עיקריים: (1) קו גז דגימה, (2) גוף מקור, (3) אוגן מקור עם מסנן חלקיקים בשורה, (4) צמצם, (5) פרול ו-(6) מכסה. גוף המקור מכיל חלל, המשמש כמאגר הדגימה. מסנן נירוסטה מסונטר מסוג Swagelok 0.5 מיקרומטר מונע מלכלוך או מזהמים מוצקים להיכנס לתעלה הנוזלית ולחסום את הצמצם. טבעת אינדיום עבה יותר בעובי 76 מיקרומטר ממוקמת בין הצמצם לתעלה הנוזלית כדי להגדיל את אורך העיוות ולאטום את הצמצם בצורה אמינה. כאשר הפקק מושחל על אוגן המקור, האינדיום נדחס ליצירת אטם נוזלי ותרמי. הפרול ומכסה המקור מרכזים את הצמצם במהלך ההתקנה.
ישנם מספר שיקולים כוללים בתכנון הראשוני של מערכת לסילוני נוזל קריוגניים המופעלים במשטר למינרי רציף. המשתמשים חייבים להעריך את עוצמת הקירור הכוללת של הקריוסטט, התכונות התרמיות של תכנון המקור הקריוגני, ביצועי מערכת הוואקום והטמפרטורה והלחץ של הנוזל. להלן המסגרת התיאורטית הנדרשת.
שיקולי עוצמת קירור
1) הנזלת מימן15: ניתן להעריך באופן גס את עוצמת הקירור המינימלית הנדרשת כדי להנזיל מימן מ-300 K לטמפרטורה <img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq2v2.jpg" style="font-size: 14px;"> באמצעות המשוואה הבאה: <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq1v3.jpg">
כאשר: <img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq3v2.jpg"> הוא החום הסגולי בלחץ <img alt="Equation 4" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq4v2.jpg">קבוע , והחום <img alt="Equation 5" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq5v2.jpg"> הסמוי של אידוי H2 בטמפרטורת <img alt="Equation 6" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq6v2.jpg">הנזלה תלוית לחץ . לדוגמה, סילון מימן קריוגני הפועל בלחץ גז של 60 psig ומקורר עד 17K דורש מינימום של 4013 kJ/kg. עם זרימת גז מימן של 150 sccm (סנטימטרים מעוקבים סטנדרטיים לשנייה), זה מתאים חום של <img alt="Equation 7" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq7v2.jpg"> 0.9 W.
יש לציין כי תהליך ההנזלה תורם רק עשירית מכלל כוח הקירור הנדרש. כדי להפחית את עומס החום על ההקפאה, ניתן לקרר מראש את הגז לטמפרטורת ביניים לפני הכניסה לגוף המקור.
2) חום קרינתי: כדי לשמור על המקור הקריוגני בטמפרטורה <img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq2v2.jpg">, הקריוסטט צריך לפצות על חימום קרינתי. ניתן להעריך זאת על ידי איזון ההבדל בין קרינת הגוף השחור הנפלטת והנספגת באמצעות המשוואה הבאה: <img alt="Equation 8" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq8v2.jpg">
כאשר: A הוא האזור של גוף המקור, הוא קבוע סטפן-בולצמן, <img alt="Equation 9" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq9v2.jpg"> ו <img alt="Equation 10" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq10v2.jpg">- היא הטמפרטורה של תא הוואקום. לדוגמה, מקור סילון טיפוסי של A = 50 ס"מ 2 מקורר עד 17 K דורש עוצמת קירור מינימלית של2.3 W. <img alt="Equation 10" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq10v2.jpg"> ניתן להפחית באופן מקומי על ידי הוספת מגן קרינה מקורר באופן פעיל המכסה חלק ניכר מהמקור הקריוגני.
3) הולכת גז שיורית: למרות שהקרינה התרמית דומיננטית בתנאי ואקום גבוהים במיוחד, התרומה כתוצאה מהולכת הגז השיורי הופכת לבלתי זניחה במהלך פעולת הסילון. הסילון הנוזלי מכניס עומס גז משמעותי לתא, וכתוצאה מכך עלייה בלחץ הוואקום. אובדן החום נטו מהולכה תרמית של הגז בלחץ p מחושב באמצעות המשוואה הבאה: <img alt="Equation 11" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq11v2.jpg">
כאשר: <img alt="Equation 12" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq12v2.jpg"> הוא מקדם בהתאם למיני הגז (~ 3.85 x 10-2 W/cm 2/K/mBar עבור H2), ו<img alt="Equation 13" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq13v2.jpg">- הוא מקדם הלינה התלוי במיני הגז, הגיאומטריה של המקור והטמפרטורה של המקור והגז16,17. כאשר מפעילים סילון מימן קריוגני ב 17 K, בהנחה שגיאומטריה גלילית של המקור וכי מימן הוא הגז העיקרי הקיים בתא הריק, הולכת גז מייצרת חום שניתן להעריך באמצעות המשוואה הבאה: <img alt="Equation 14" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq14v2.jpg">
לדוגמה, הולכת גז בלחץ ואקום של 4.2 x 10-3 mBar מייצרת חום כמו קרינה תרמית. לכן, לחץ הוואקום נשמר בדרך כלל מתחת ל 1 x 10-3 mBar במהלך פעולת הסילון, ומוסיף עומס חום ~ 0.55 W למערכת (A = 50 ס"מ2).
עומס הגז שהוכנס לתא במהלך הפעולה מתקבל על ידי זרימת הסילון הקריוגני. לחץ הוואקום המתקבל נקבע לאחר מכן על ידי מהירות השאיבה האפקטיבית של מערכת הוואקום ונפח תא הוואקום.
כדי להפעיל את הסילון הקריוגני, הקריוסטט צריך לייצר עוצמת קירור מספקת כדי לפצות על מקורות החום השונים לעיל (למשל, 3.75 W), לא כולל הפסדי החום של מערכת הקריוסטט עצמה. שים לב שיעילות ההקפאה תלויה מאוד גם בטמפרטורת האצבע הקרה הרצויה.
הערכת פרמטרים סילוניים
כדי ליצור זרימה למינרית רציפה, יש לספק מספר תנאים. בקיצור, המקרה של זרימת נוזל גלילי מוצג כאן. היווצרותם של סילונים מישוריים מערבת כוחות נוספים, וכתוצאה מכך נגזרת מורכבת יותר שהיא מעבר להיקף מאמר זה18.
1) יחסי לחץ-מהירות: עבור זרימות נוזל בלתי דחיסות, שימור האנרגיה מניב את משוואת ברנולי, כדלקמן: <img alt="Equation 15" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq15v2.jpg">
כאשר: <img alt="Equation 16" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq16v2.jpg"> היא צפיפות אטומית הנוזל, היא מהירות הזורם, היא אנרגיה פוטנציאלית כבידתית, <img alt="Equation 17" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq17v2.jpg"> <img alt="Equation 18" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq18v2.jpg"> ו - p הוא הלחץ. ביישום משוואת ברנולי על פני הצמצם, ניתן להעריך את הקשר הפונקציונלי בין מהירות הסילון ולחץ גיבוי הדגימה באמצעות המשוואה הבאה: <img alt="Equation 19" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq19v2.jpg">
2) משטר פעולת סילון: ניתן להסיק משטר של סילון נוזלי גלילי באמצעות מספרי ריינולדס ואוהנסורגה. מספר ריינולדס, המוגדר כיחס בין הכוחות האינרציאליים והצמיגים בתוך הזורם, מחושב באמצעות המשוואה הבאה: <img alt="Equation 20" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq20v2.jpg">
כאשר: <img alt="Equation 16" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq16v2.jpg">, , , ו- הם הצפיפות, המהירות, <img alt="Equation 22" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq22v2.jpg"> הקוטר והצמיגות הדינמית של הנוזל, <img alt="Equation 17" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq17v2.jpg"><img alt="Equation 21" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq21v2.jpg">בהתאמה. זרימה למינרית מתרחשת כאשר מספר ריינולדס קטן מ~2,000. באופן דומה, מספר ובר משווה את הגודל היחסי של האינרציה למתח פני השטח ומחושב באמצעות המשוואה הבאה: <img alt="Equation 23" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq23v2.jpg">
איפה: σ הוא מתח הפנים של הנוזל. מספר Ohnesorge מחושב באופן הבא: <img alt="Equation 24" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq24v2.jpg">
כמות בלתי תלויה במהירות זו משמשת בשילוב עם מספר ריינולדס כדי לזהות את ארבעת משטרי הסילון הנוזלי: (1) ריילי, (2) הראשון המושרה על ידי הרוח, (3) השני המושרה על ידי הרוח, ו (4) אטומיזציה. עבור זרימה נוזלית קריוגנית ללא טורבולנטים למינריים, יש לבחור פרמטרים שיפעלו במסגרת משטר ריילי19 (כלומר, <img alt="Equation 25" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq25v2.jpg">). במשטר זה, עמוד הנוזל יישאר רציף עם משטח חלק עד מה שנקרא אורך שלם, המוערך כדלקמן20: <img alt="Equation 26" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq26v2.jpg">
פרמטרי הנוזל השונים עבור סילון מימן קריוגני גלילי בקוטר 5 מיקרומטר המופעל ב- 60 psig ו- 17 K מסוכמים באיור 3. כדי לשמור על סילון רציף למרחקים ארוכים יותר, יש לקרר את הנוזל קרוב מספיק למעבר הפאזה הנוזלי-מוצק (איור 4), כך שקירור אידוי, המתרחש ברגע שהסילון מתפשט בוואקום, ממצק את הסילון לפני תחילת פירוק ריילי 3,21.

<table><tbody><tr><td>סינר קריוגני</td><td>Tempshield</td><td>Cryo-apron</td><td>הגנת גוף הליבה מפני נוזלים קריוגניים</td></tr><tr><td>מגן פנים קריוגני</td><td>3M</td><td>82783-00000</td><td>ANSI Z87.1 מדורג להגנה מלאה על הפנים מפני נוזלים קריוגניים</td></tr><tr><td>כפפות קריוגניות</td><td>Tempshield</td><td>כפפות קריוגניות MA</td><td>הגנת ידיים מפני נוזלים קריוגניים</td></tr><tr><td>רכיבי מקור קריוגניים</td><td>SLAC National Accelerator רכיבי מעבדה</td><td>מותאמים אישית</td><td>עשויים מנחושת נטולת-חמצן (OFC) כדי למקסם את המוליכות התרמית בטמפרטורות קריוגניות.</td></tr><tr><td>קריוסטט וקו העברה</td><td>מערכות מחקר מתקדמות</td><td>LT-3B</td><td>זמין באורכים מותאמים אישית של עד 1250 מ"מ לתאימות למכלי ואקום קיימים. ניתן לבחור אורך וסגנון קו העברה על סמך אילוצי שטח המערכת או המעבדה.</td></tr><tr><td>פתחים גליליים</td><td>SPI Supplies</td><td>P2005-AB</td><td>ניתן לרכוש פתחים גליליים מסחריים בנפרד</td></tr><tr><td>איזופרופנול בדרגה אלקטרונית</td><td>Sigma Aldrich</td><td>733458-4L</td><td>99.999%, חלקיקים מינימליים/מתכות קורט, מייבש ללא שאריות</td></tr><tr><td>ווסת גז דליק</td><td>Matheson</td><td>M3816A-350</td><td>בקרת לחץ של גז דגימה (למשל מימן, דאוטריום)</td></tr> <tr><td>אינדיום</td><td>תאגיד אינדיום</td><td>מותאם אישית</td><td>99.99%, 50-75 ומיקרו; עבה מ', לאטמים תרמיים ונוזליים במקור קריוגני</td></tr><tr><td>מערכת לוכד סילון</td><td>SLAC מעבדת המאיץ הלאומית</td><td>מותאמת אישית</td><td>מורכבת מרחפן, חומרת ואקום והזנה, מד ואקום, משאבת ואקום שורשים</td></tr><tr><td>אצטון בדרגת מעבדה</td><td>סיגמא אולדריץ'</td><td>179973-4L</td><td>משמש להסרת שומן ופוטו-רזיסט מרכיבים. טוהר ודרגה אינם קריטיים מכיוון שהניקוי הסופי ישתמש בגלאי דליפות איזופרופנול בדרגה אלקטרונית</td></tr><tr><td></td><td>Matheson</td><td>SEQ8067</td><td>כדי להבטיח שפתחי הסילון אטומים לפני שאיבת</td></tr><tr><td>הליום</td><td>נוזלי Airgas</td><td>HE 100LT</td><td>Dewar עם טעינה עליונה, הצריכה תלויה בקריוסטט, במידות המקור ובזרימת הגז הכוללת. בדרך כלל 3-5 ליטר לשעה.</td></tr><tr><td>חנקן נוזלי</td><td>Airgas</td><td>NI 160LT22</td><td>נפח מלכודת קרה כולל 4 ליטר, צריכה של כ-2 ליטר לשעה במהלך פעולת סילון</td></tr><tr><td>בקבוק LN dewar (4 ליטר)</td> <td>ThermoFisher Scientific</td><td>4150-4000</td><td>עבור מלכודת הקור חנקן נוזלי</td></tr><tr><td>צינור העברת LN</td> סדרת <td>Cryofab</td><td>CFUL</td><td>צינור קריוגני לא מבודד עם מפריד פאזה להעברת LN מאחסון לבקבוק LN למלכודת</td></tr> <tr><td>הקרהמניפולטור XY ידני</td><td>שואב אבק פייפר</td><td>420MXY100-25</td><td>התאמת קורס (+/- 12.5 מ"מ) ממקור קריוגני.&nbsp;</td></tr><tr><td>מניפולטור Z ידני</td><td>שירותים טכניים של מקאליסטר</td><td>ZA12</td><td>התאמת קורס של אורך קריוסטט להחלפה על כלי ואקום שונים. בנוסף, נסיגת מקור קריוגני מנקודת האינטראקציה.</td></tr><tr><td>בקר זרימת מסה</td><td>MKS Instruments</td><td>P9B, GM50A</td><td>לשליטה ולניטור זרימת הגז</td></tr><tr><td>פתחים מישוריים</td><td>Norcada</td><td>מותאם אישית</td><td>ננו-ייצור מותאם אישית של צמצמים מישוריים</td></tr><tr><td>מפעילי מיקום</td><td>ניופורט</td><td>LTAHLPPV6, 8303-V</td><td>דיוק גבוה (< 2 ומיקרו; m), מיקום סילון ממונע</td></tr><tr><td>שלב סיבוב</td><td>McAllister שירותים טכניים</td><td>DPRF600</td><td>יישור מדויק של כיוון הסילון</td></tr><tr><td>משקפי בטיחות</td><td>3M</td><td>S1101SGAF</td><td>ANSI Z87.1 מדורג לעבודה עם גזים דחוסים</td></tr></tbody></table>

סילונים נוזליים קריוגניים לגילוי קצב חזרות גבוה

Cryogenic Liquid Jets for High Repetition Rate Discovery Science

פרוטוקול זה מציג נוהל מפורט להפעלת סילונים נוזליים גליליים ומישוריים קריוגניים רציפים בגודל מיקרון. כאשר מופעל כמתואר כאן, המטוס מפגין למינריות גבוהה ויציבות לסנטימטרים. הפעלה מוצלחת של סילון נוזלי קריוגני במשטר ריילי דורשת הבנה בסיסית של דינמיקת נוזלים ותרמודינמיקה בטמפרטורות קריוגניות. חישובים תיאורטיים וערכים אמפיריים טיפוסיים ניתנים כמדריך לתכנון מערכת השוואה. דוח זה מזהה את החשיבות הן של ניקיון במהלך הרכבת מקור קריוגני והן של יציבות טמפרטורת המקור הקריוגני לאחר הנזלה. המערכת יכולה לשמש להאצת פרוטונים מונעת לייזר בקצב חזרות גבוה, עם יישום חזוני בטיפול בפרוטונים. יישומים אחרים כוללים אסטרופיזיקה במעבדה, מדעי החומרים ומאיצי חלקיקים מהדור הבא.

לאחר שלב 5.4, גרפים צללים בהגדלה גבוהה משמשים להערכת למינריות, ריצוד מיקום ויציבות לטווח ארוך במהלך פעולת הסילון. חיוני להשתמש בהארה פועמת תת-ננו-שנייה כדי להקליט תמונה מיידית של הסילון, כך שתנועת הסילון (~0.1 מיקרומטר/שנייה עבור H2) לא תטשטש אי סדירות פני השטח או מערבולות. תמונות לדוגמה של סילוני 2 x 20 מיקרומטר 2 H 2, 4 x 12 μm 2 H 2 ו- 4 x 20 μm 2 D 2 מוצגות באיור 5.
מערכת הדמיה נוספת בהגדלה גבוהה משמשת למיקום מדויק של סילון הנוזל הקריוגני בחלל. לשם הפשטות, מערכות ההדמיה מתוכננות לספק מבט קדמי וצדדי של המטוס. חשוב במיוחד להעריך את יציבות הסילון ולקבוע את כיוון הסילונים המישוריים. מחקר של ריצוד מרחבי של 2 x 20 מיקרומטר 2 H2 כפונקציה של מרחק מהצמצם, שבוצע במהלך בדיקה אחת במשך מספר שעות, מוצג באיור 6. ריצוד המיקום של 1σ עבור כל נקודת נתונים באיור 6A חושב מ-49 תמונות שצולמו ב-10 הרץ. כאן, מיקום הסילון נקבע ביחס למיקום ייחוס קבוע. איור 6B מראה את ההיסטוגרמות המנורמלות של מיקום הסילון ב-23 מ"מ כדוגמה. מחקר מפורט יותר ניתן למצוא Obst et al.5. בממוצע, הריצוד המרחבי גדל באופן ליניארי הרחק מהנחיר.
תצפיות אופייניות במערכת במהלך הנזלה ופעולת סילון (לפי סעיף 5) של סילון דאוטריום קריוגני בגודל 4 x 20 מיקרומטר2 מוצגות באיור 7. ניטור קפדני של הטמפרטורה, הזרימה, לחץ גיבוי הדגימה ולחצי הוואקום מאפשר למפעיל לזהות במהירות כל חריגה ולהגיב בהתאם. לדוגמה, אם הסילון עוזב את התופס, המסומן על ידי תיבה מקווקוות, תא הוואקום ולחץ הקו הקדמי גדלים באופן משמעותי. לאחר מכן יש צורך בעוצמת קירור נוספת כדי לשמור על טמפרטורת נקודת ההגדרה.
לאחר התייצבות, כל הנצפים צריכים להיות קבועים עם תנודות מינימליות. כל סחף לטווח ארוך מעיד על בעיה (למשל, דליפות, זיהום גז, ירידה בביצועי מערכת ואקום, מיקום סחף בתופס). בחירת הצמצם מכתיבה מאוד את הפרמטרים המבצעיים של המטוס במשטר ריילי. לאחר זיהוי הפרמטרים האופטימליים עבור סוג גז וצמצם נתון, הסילון המתקבל ניתן לשחזור רב; עם זאת, כל סטייה קלה בצמצם דורשת מיטוב מחדש החל מהערכים שזוהו קודם לכן. פרמטרי פעולה אופייניים מסוכמים בטבלה 1.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61130/61130fig1.jpg"> איור 1: דיאגרמת P&amp;ID של פלטפורמת משלוח סילון נוזלי קריוגנית טיפוסית. דוגמאות גז, ואקום ותת-מערכות קריוגניות מתוארות. תא הוואקום, הקו הקדמי של משאבת הטורבו-מולקולרית ולחצי הקו הקדמי של לוכד הסילון מנוטרים באמצעות מדי ואקום V1, V2 ו-V3, בהתאמה. טמפרטורת הקריוסטט מווסתת באופן פעיל באמצעות בקר טמפרטורה P-I-D. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61130/61130fig1large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61130/61130fig2.jpg"> איור 2: ציור תלת-ממדי של מכלול המקור הקריוגני. אטמי אינדיום מותקנים בין האצבע הקרה לגוף המקור, גוף המקור והאוגן, ואוגן המקור והצמצם. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61130/61130fig2large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61130/61130fig3.jpg"> איור 3: סיכום פרמטרים של דינמיקת זורמים. פרמטרים מסופקים, בהנחה שסילון מימן קריוגני גלילי ø5 מיקרומטר מופעל ב- 60 psig ו- 17 K. ערכי הצפיפות, הצמיגות ומתח הפנים הם מ- NIST. 15. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61130/61130fig3large.jpg" target="_blank">לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61130/61130fig4.jpg"> איור 4: משוואת מימן של מצב בטמפרטורות קריוגניות15. הנקודות הקריטיות והמשולשות מסומנות על ידי עיגולים מלאים כחולים וכתומים, בהתאמה. פעולת הסילון עוקבת אחר איזובר דרך מעבר הפאזה גז-נוזל. הסילון מתמצק באמצעות קירור באידוי בתא הוואקום. הקופסה האפורה מציינת את טווח לחצי הגיבוי (40-90 psia) והטמפרטורות (17-20 K) אשר נסרקים כדי למטב את היציבות של סילון מימן קריוגני גלילי ø5 מיקרומטר. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61130/61130fig4large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.</a> 
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61130/61130fig5.jpg"> איור 5: גרפים מייצגים של צללי הגדלה פי 20 של סילוני נוזל קריוגניים למינריים נטולי טורבולנטיםבאמצעות לייזר באורך גל של 10 ps/1057 ננומטר. (A) צמצם = 2 x 20 מיקרומטר 2, גז = H2, T = 15.8 K, P = 188 psig. (ב) צמצם = 4 x 12 מיקרומטר 2, גז = H 2, T = 17.2 K, P = 80 psig. (C) צמצם = 4 x 20 מיקרומטר 2, גז: D2, T = 20 K, P = 141 psig. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61130/61130fig5large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.</a> 
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61130/61130fig6.jpg"> איור 6: יציבות מיקום הסילון עבור 2 x 20 מיקרומטר2 סילון מימן קריוגני. הפרמטרים הם 18 K, 60 psig ו - Re <img alt="Equation 27" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq27v2.jpg" style="font-size: 14px;"> 1887. (A) מיקום ריצוד כפונקציה של מרחק מהצמצם. הריצוד האורכי (לרוחב) מתאים לתנועה במקביל לציר הקצר (הארוך) של היריעה המלבנית. (B ) היסטוגרמה מנורמלת של מיקום הסילון כדי לקבוע את הריצוד הרוחבי (σ = 5.5 מיקרומטר) ואת הריצוד האורכי (σ = 8.5 מיקרומטר) 23 מ"מ מהנחיר. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61130/61130fig6large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.</a>
<img alt="Figure 7" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61130/61130fig7.jpg"> איור 7: זרימה ולחצים מייצגים במהלך פעולת סילון קריוגני. (A) משמאל: זרימת גז דגימה, מימין: לחץ גיבוי גז לדוגמה כפונקציה של זמן. חלקת יומן למחצה של לחץ תא הריק (V1; B), לחץ קו קדמי של משאבת טורבו מולקולרית (V2; C), ולחץ לוכד סילון (V3; ד) כפונקציות של זמן. מספרים מעוגלים מזהים שינויים במערכת שנצפו במהלך סעיף 5 של הפרוטוקול. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61130/61130fig7large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.</a> 
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always"><tbody><tr><td>גז לדוגמה</td>
			<td>צמצם</td>
			<td>טמפרטורה (K)</td>
			<td>לחץ (psig)</td>
			<td>זרימה (sccm)</td>
		</tr><tr><td>מימן</td>
			<td>ø5 מיקרומטר גלילי</td>
			<td>17</td>
			<td>60</td>
			<td>150</td>
		</tr><tr><td>50% מימן, 50% דאוטריום</td>
			<td>ø5 מיקרומטר גלילי</td>
			<td>20</td>
			<td>30, 30</td>
			<td>130</td>
		</tr><tr><td>דאוטריום</td>
			<td>ø5 מיקרומטר גלילי</td>
			<td>22</td>
			<td>75</td>
			<td>80</td>
		</tr><tr><td>מימן</td>
			<td>1 מיקרומטר x 20 מיקרומטר מישורי</td>
			<td>18</td>
			<td>182</td>
			<td>150</td>
		</tr><tr><td>מימן</td>
			<td>2 מיקרומטר x 20 מיקרומטר מישורי</td>
			<td>18</td>
			<td>218</td>
			<td>236</td>
		</tr><tr><td>מימן</td>
			<td>4 מיקרומטר x 20 מיקרומטר מישורי</td>
			<td>17.5</td>
			<td>140</td>
			<td>414</td>
		</tr><tr><td>דאוטריום</td>
			<td>4 מיקרומטר x 20 מיקרומטר מישורי</td>
			<td>20.5</td>
			<td>117</td>
			<td>267</td>
		</tr><tr><td>ארגון</td>
			<td>ø5 מיקרומטר גלילי</td>
			<td>90</td>
			<td>50</td>
			<td>18.5</td>
		</tr><tr><td>מתאן</td>
			<td>ø5 מיקרומטר גלילי</td>
			<td>100</td>
			<td>75</td>
			<td>46</td>
		</tr></tbody></table>טבלה 1: תנאי פעולה לדוגמה של מטוס סילון.

פרוטוקול זה מציג את הפעולה והעקרונות של סילוני נוזל קריוגניים גליליים ומישוריים בקנה מידה מיקרוני. עד כה, מערכת זו שימשה כמטרה בעלת קצב חזרה גבוה בניסויי לייזר-פלזמה. יישומים בין-תחומיים צפויים נעים בין אסטרופיזיקה במעבדה למדעי החומרים, ובסופו של דבר מאיצי חלקיקים מהדור הבא.

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

המערכת המתוארת בפרוטוקול זה הובילה לתוצאות השפעה גבוהות בתאוצה של פרוטון וקרן יונים. יישומים עתידיים של מערכת זו יחקרו אסטרופיזיקה מעבדתית, מדעי החומרים והדור הבא של מאיצי חלקיקים, מה שיוביל לעוצמות שיא בסדר גודל של ג'יגה-וואט. למטרת מימן, במיוחד, יש תכונות אטרקטיביות להאצת יוני לייזר, מה שמוביל לקרני פרוטונים אנרגטיות וטהורות.כריסטופר שונוואלדר, דוקטורנט במעבדה שלי, ידגים בהליך את כל ההכנה וההרכבה של רכיבי המקור הקריוגני צריכים להתבצע בסביבה נקייה, עם בגדי החדר הנקי המתאימים. התחל בשימוש בניקוי קולי עקיף כדי להסיר מזהמים מרכיבי המקור הקריוגניים. מלאו סוניקטור במים מזוקקים והוסיפו חומר פעילי שטח כדי להפחית את מתח הפנים.הניחו חלקי מקור קריוגניים בכוסות זכוכית בודדות, טבלו אותם במלואם באיזופרופנול בדרגת אלקטרוניקה, וכסו את הכוסות באופן רופף בנייר אלומיניום כדי להפחית את האידוי ולמנוע זיהום. הנח את הכוסות בסל הניקוי או במעמד בסוניקטור, וודא שהן לא נוגעות בתחתית הסוניקטור. הפעל את הסוניקטור למשך 60 דקות, ולאחר מכן בדוק את האיזופרופנול באמצעות אור לבן בוהק לאיתור חלקיקים או שאריות תלויים.אם חלקיקים נראים לעין, שטפו את החלקים באיזופרופנול נקי והחליפו את אמבט האיזופרופנול. סוניקט במחזורים של 60 דקות עד שלא נראים חלקיקים או שאריות. בסיום, הנח את החלקים על משטח מכוסה ונקי לייבוש למשך 30 דקות לפחות לפני ההרכבה.חזור על תהליך הניקוי עבור מסנן הנירוסטה, מכסה המקור, הטבעת וברגי ההרכבה. חותכים חתיכת אינדיום כדי לכסות בצורה מקסימלית את הצומת בין גוף המקור הקריוגני לאצבע הקרה של הקריוסטט. לאחר מכן, הנח אותו על המקור הקריוגני והחזק אותו עם האצבע הקרה של הקריוסטט.הדק את ברגי התומך, וודא שהאינדיום נשאר שטוח כדי ליצור אטימה תרמית בין הרכיבים. אין להדק יתר על המידה, מכיוון שחוטי הנחושת נפגעים בקלות. הברג את מסנן הנירוסטה המושחל על אוגן המקור הקריוגני.הנח אטם אינדיום על אוגן המקור והצמד את אוגן המקור לגוף המקור הקריוגני באמצעות ברגי האוגן. לאחר מכן, הדק את הברגים באלכסון במקום ברצף סביב ההיקף. הנח את הטבעת בתוך הכובע.לאחר מכן, השתמש בפינצטה נקייה כדי למקם את הצמצם בתוך הטבעת. הקש על המכסה כדי למרכז את הצמצם בטבעת. זרוק טבעת אינדיום על גבי הצמצם.לאחר מכן, הקש שוב על קצה הכובע כדי למרכז את טבעת האינדיום על הצמצם. הדק ביד את המכסה על אוגן המקור עד לזיהוי התנגדות מינימלית. הגבל את קצב הזרימה בבקר זרימת המסה על ידי הגדלת נקודת ההגדרה ל-500 סנטימטרים מעוקבים סטנדרטיים לדקה והגדרת לחץ הגז לכ-50 מד PSI בווסת הלחץ.השתמש במפתח ברגים כדי להדק את הצמצם כמה מעלות בכל פעם עד שקצב הזרימה מתחיל לרדת. בדוק את קצב הדליפה בחלק העליון של המכסה עם גלאי הדליפות בעל הרגישות הגבוהה והפסק להדק כאשר קצב הדליפה הנמדד מפסיק לרדת. השבת את רמפת הטמפרטורה ושנה את טמפרטורת נקודת ההגדרה להרבה מתחת לטמפרטורת מעבר שלב נוזל האדים התיאורטית.בתחילת הנזילות, הגדל את זרימת ההליום כדי שכוח קירור נוסף יעבור במהירות דרך מעבר הפאזה. כאשר המאגר הופך לנוזלי לחלוטין, תערובת של גז ונוזל תתיז בתחילה מהצמצם ותעבור ברצף לסילון רציף. השתמש בצל בהגדלה גבוהה עם דה-לומינציה תת-ננו-שנייה פועמת כדי לדמיין את יציבות הסילון והלמינריות.אם לניסוי יש מיקום קבוע מראש עבור הדגימה, תרגם את המקור הקריוגני באמצעות מניפולטור רב-צירי על אוגן הקריוסטט או מפעילי סיכות דחיפה ממונעים בתא הוואקום. בצע אופטימיזציה של פרמטרי ה-PID וזרימת ההליום כדי להבטיח שיציבות הטמפרטורה טובה יותר מפלוס מינוס 0.02 קלווין. שימו לב שהיציבות הכוללת של הסילון תלויה מאוד בלחץ תא הוואקום, בלחץ גיבוי הגז ובטמפרטורה.גרפי צל בהגדלה גבוהה משמשים להערכת למינריות, ריצוד מיקום ויציבות לטווח ארוך במהלך פעולת הסילון. זה קריטי להשתמש בתאורה תת-ננו-שנייה פועמת כדי להקליט תמונה מיידית של הסילון כך שתנועת הסילון לא תטשטש אי סדרים או מערבולות פני השטח. מחקר של ריצוד מרחבי של סילון מימן בגודל 2 על 20 מיקרומטר כפונקציה של מרחק מהצמצם בוצע במהלך בדיקה בודדת במשך מספר שעות.ריצוד המיקום עבור כל נקודת נתונים חושב מ-49 תמונות שצולמו ב-10 הרץ. מיקום הסילון נקבע ביחס למיקום ייחוס קבוע. ההיסטוגרמות המנורמלות של מיקום הסילון ב-23 מילימטרים מוצגות כדוגמה.תצפיות מערכת אופייניות במהלך הנזלה והפעלת סילון של סילון דאוטריום קריוגני בגודל 4 על 20 מיקרומטר מוצגים כאן. ניטור קפדני של הטמפרטורה, הזרימה, לחץ הגיבוי של הדגימה ולחצי הוואקום מאפשר למפעיל לזהות במהירות כל אי סדרים ולהגיב בהתאם. פרמטרי פעולה אופייניים מסוכמים כאן.לאחר זיהוי הפרמטרים האופטימליים עבור סוג גז וצמצם נתון, הסילון המתקבל ניתן לשחזור רב. כל סטייה בצמצם דורשת אופטימיזציה מחדש החל מהערכים שזוהו קודם לכן. כאשר מקפידים על פרוטוקול זה, חשוב לשים לב ששינויים פתאומיים בלחץ או בטמפרטורה יכולים לאדות במהירות את המימן הנוזלי במאגר.כדי למנוע כשל במערכת הוואקום, על המפעיל להגביל את זרימת הגז ולבודד חומרה רגישה. ניתן להרחיב את המערכת גם לגיאומטריות צמצם אחרות ולגזי דגימה. בין היתר, ניתן להשתמש ביסודות כבדים יותר לחקר תהליכי פלזמה בסיסיים כמו גלים אקוסטיים של יונים או מעבר לשלב אחד של חומר, מצב שצפוי להתקיים בחלק הפנימי של ענקי גז וכוכבי לכת.קרני יונים בבהירות גבוהה ממערכת מטרה זו משמשות ליצירת אלומת נויטרונים כיוונית בשטף גבוה. טכניקה זו סללה את הדרך לבדיקה לא הרסנית של חומרים ועשויה לתרום למחקרי נוקליאוסינתזה במעבדה.

cryogenic-liquid-jets-for-high-repetition-rate-discovery-science

Research

JoVE Journal

Engineering

הנדסה

מתוארים שני מכשירים ניסיוניים לבחינת פגיעה בסילון נוזלי על משטח נע במהירות גבוהה: מכשיר תותח אוויר והתקן דיסק מסתובב. המכשירים משמשים לקביעת גישות אופטימליות ליישום משנה חיכוך נוזלי (LFM) על פסי רכבת לבקרת חיכוך על גבי המסילה.

ויזואליזציה של High Speed ​​Liquid Jet Impaction על משטח העברה

פרוטוקול זה מתאר הליך להקפיא רקמות שרירות על ידי ותקע אותם ישירות לתוך חנקן נוזלי. פרוטוקול זה גם מדגיש cryovial חדש שיכול למנוע את "אפקט השמיכה" של גז חנקן כאשר מגעי חנקן נוזליים על פני שטח הרקמות של דגימה.

מבטל Multi-חור cryovial הקפאת חפצים כאשר השרירים שקועים ישירות בחנקן נוזלי

ההצלחה של ניסוי קריסטלוגרפיה הפמטו-זמן לפתור שנייה טורי תלויה משלוח הדגימה היעילה. כאן, אנו מתארים את הפרוטוקולים כדי למטב את ההבלטה של bacteriorhodopsin microcrystals של מזרק מיקרו-הבלטה צמיגות גבוהה. המתודולוגיה מתבססת על מדגם המגון עם מצמד-כיוונית הרומן והדמיה עם מצלמה במהירות גבוהה.

שיפור ההבלטה צמיגות גבוהה של Microcrystals עבור זמן לפתור את טורי קריסטלוגרפיה הפמטו-שנייה-רנטגן לייזרים

פרוטוקול לעיצוב החלל, ניסוי החלל על הסעה תרמוקפילר, וניתוחים של נתונים ניסיוניים ותמונות מוצגים בנייר זה.

ניסוי בחלל החום התרמונימי על לווין ההשבה של SJ-10

מוצג כאן פרוטוקול להעברה קריוגנית של דגימות קפואות לזווית הקסם הדינמית של הקיטוב הגרעיני (DNP) המסתובב (MAS) גשושית תהודה מגנטית גרעינית (NMR). הפרוטוקול כולל הוראות לאחסון רוטור לפני הניסוי וכיוונים למדידות כדאיות לפני ואחרי הניסוי.

דגימה קריוגנית נטענת לתוך זווית קסם ספינינג ספקטרומטר תהודה מגנטית גרעינית המשמרת את הכדאיות התאית

פרוטוקול זה מוצג כדי לאפיין את ההתקנה, הטיפול והיישום של ה- COST-Jet לטיפול במשטחים מגוונים כגון מוצקים ונוזלים.

טיפול במשטחים עם פלזמת לחץ אטמוספרי קר באמצעות עלות סילון

טכניקות קרן יונים ממוקדת קריוגנית (FIB) ומיקרוסקופיית אלקטרונים סורקת (SEM) יכולות לספק תובנות מפתח לגבי הכימיה והמורפולוגיה של ממשקים מוצקים-נוזליים שלמים. שיטות להכנת מפות ספקטרוסקופיות באיכות גבוהה של פיזור אנרגיה (EDX) של ממשקים כאלה מפורטות, תוך התמקדות בהתקני אגירת אנרגיה.

אפיון בקנה מידה ננומטרי של ממשקים נוזליים-מוצקים על ידי צימוד כרסום קרן יונים ממוקד קריו עם מיקרוסקופיית אלקטרונים סורקת וספקטרוסקופיה

כאן, אנו מספקים פרוטוקול מפורט לשימוש בהתקן מהיר לייצור רשת הן לייצור רשת מהירה והן לערבוב מהיר והקפאה כדי לבצע ניסויים שנפתרו בזמן.

הכנת רשת מהירה למיקרוסקופיה קריו-אלקטרונית שנפתרה בזמן

הפרוטוקול המוצג כאן מתאר את השימוש ב- Spotiton, מערכת רובוטית חדשנית, כדי לספק שתי דוגמאות של עניין על רשת ננו-חוטים עצמית המערבבת לפחות 90 אלפיות השנייה לפני vitrification בקריוגן נוזלי.

הכנת רשת מיקרוסקופית קריו-אלקטרון למחקרים שנפתרו בזמן באמצעות מערכת רובוטית חדשנית, Spotiton

הפרוטוקול הנוכחי מתאר התגבשות של גבישי קרח מיקרוסקופיים והידרטים של קלתראט בהתקנים מיקרופלואידיים, מה שמאפשר חילופי נוזלים סביב הגבישים שנוצרו. זה מספק אפשרויות שאין שני להן לבחון את תהליך ההתגבשות ומנגנוני הקשירה של המעכבים.

גישה מיקרופלואידית לחקר התגבשות קרח וקלתראט הידרט

למדו את הרכבת ותפעול סילוני נוזלים קריוגניים לניסויים לייזר-פלזמה בתדר גבוה. שיטה זו מאפשרת יצירת סילונים רציפים של מימן לאצת פרוטונים ויונים לאנרגיות גבוהות.

סילונים נוזליים קריוגניים לגילוי קצב חזרות גבוה

גלה סרטונים נוספים