Name: Getti liquidi criogenici per la scienza della scoperta ad alto tasso di ripetizione (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2020-05-09T14:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 34 s
Description: Impara a operare getti liquidi criogenici per esperimenti laser-plasma ad alto tasso di ripetizione. Questo protocollo dimostra l'assemblaggio, la stabilizzazione e l'ottimizzazione di parametri per applicazioni in astrofisica di laboratorio e acceleratori di particelle.

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Questo lavoro è stato supportato dal Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti SLAC Contract No. DE- AC02-76SF00515 e dall'U.S. DOE Office of Science, Fusion Energy Sciences sotto FWP 100182. Questo lavoro è stato anche parzialmente sostenuto dalla National Science Foundation nell'ambito della sovvenzione n. 1632708 e dalla CE H2020 LASERLAB-EUROPE/LEPP (contratto n. 654148). C.B.C. riconosce il sostegno del Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada (NSERC). F.T. riconosce il sostegno della National Nuclear Security Administration (NNSA).

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Gli autori non hanno nulla da rivelare.

Il buon funzionamento del getto liquido criogenico richiede una pulizia meticolosa e un attento monitoraggio della stabilità della temperatura. Uno dei guasti più frequenti ed evitabili è un blocco parziale o totale dell'apertura di dimensioni micron. Rame, acciaio inossidabile o indio dalla sorgente o particelle sospese nell'aria possono essere introdotti in qualsiasi fase dell'assemblaggio sorgente. Tutti i componenti devono essere sottoposti a un robusto processo di pulizia mediante sonicazione indiretta. L'assemblaggio e lo stoccaggio in una camera bianca di classe 10.000 o superiore migliorano la percentuale di successo.
Un altro passo critico della procedura è quello di stabilizzare la temperatura della sorgente criogenica. Gli utenti devono assicurarsi che la temperatura del liquido che esce dalla sorgente sia misurata indipendentemente dal calore variabile rilasciato dalla liquefazione continua nel serbatoio. Ciò si ottiene posizionando il sensore di temperatura vicino all'apertura (ad esempio, sulla flangia della sorgente) o lontano dalla fonte di calore. Inoltre, i parametri P-I-D devono essere ottimizzati manualmente utilizzando il metodo Ziegler-Nichols per ogni combinazione di temperatura e contropressione. Se le fluttuazioni di temperatura diventano troppo grandi, si possono osservare oscillazioni periodiche sul getto che a volte portano a una rottura periodica. Va notato che le funzioni di autotuning integrate o i filtri passa-basso non sono riusciti a stabilizzare la temperatura durante il funzionamento del getto.
Il sistema criogenico a getto liquido, sebbene altamente adattabile, è difficile da implementare in strutture su larga scala con protocolli di vuoto consolidati. Ad esempio, gli stadi di pompaggio differenziale sono necessari quando le apparecchiature a monte sono sensibili al gas residuo (ad esempio, laser a elettroni liberi FLASH a DESY o strumento MeV-UED a SLAC). Inoltre, le camere a vuoto di grande diametro, come quelle per laser multi-PW, probabilmente richiedono criostati flessibili sotto vuoto. Rispetto ai tradizionali criostati a lunghezza fissa, possono essere facilmente disaccoppiati dalle vibrazioni della camera e avere un braccio di leva più corto. Un criostato flessibile sotto vuoto è già stato implementato con il laser Draco Petawatt presso Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR). Un'altra osservazione è che l'apertura può essere danneggiata quando il getto viene irradiato da un laser ad altissima intensità troppo vicino alla sorgente. Recentemente, una lama chopper meccanica (funzionante a 150 Hz e sincronizzata con l'impulso laser) è stata implementata per proteggere e isolare l'apertura dall'interazione laser-plasma.
Questo sistema produce getti di liquido criogenico laminari e planari su scala micron, altamente sintonizzabili, privi di turbolenza. Lo sviluppo continuo del sistema criogenico a getto liquido si concentra su materiali e design avanzati di apertura, miglioramenti del sistema di vuoto e del catcher e miscelazione avanzata degli isotopi dell'idrogeno. Questo sistema consentirà una transizione verso una scienza ad alta densità di energia ad alto tasso di ripetizione e aprirà la strada allo sviluppo di acceleratori di particelle di prossima generazione.

L'obiettivo di questo metodo è quello di produrre un flusso di liquido criogenico ad alta velocità costituito da elementi puri o composti chimici. Poiché i liquidi criogenici evaporano a temperatura e pressione ambiente, i campioni residui derivanti dal funzionamento ad alte velocità di ripetizione (ad esempio, 1 kHz) possono essere completamente evacuati dalla camera a vuoto1. Sulla base del lavoro iniziale di Grisenti et al.2, questo sistema è stato sviluppato per la prima volta utilizzando idrogeno criogenico per l'accelerazione protonica ad alta intensità guidata da laser3. Successivamente è stato esteso ad altri gas e utilizzato in una serie di esperimenti, tra cui: accelerazione ionica4,5, rispondendo a domande nella fisica del plasma come le instabilità del plasma6, la rapida cristallizzazione e le transizioni di fase in idrogeno7 e deuterio, e lo scattering anelastico a raggi X meV8 per risolvere le onde acustiche in argon nello strumento Matter in Extreme Conditions (MEC) presso la sorgente luminosa coerente Linac (LCLS)9.
Fino ad ora, sono stati sviluppati altri metodi alternativi per generare campioni di idrogeno criogenico solido e deuterio ad alto tasso di ripetizione. Garcia et al. hanno sviluppato un metodo in cui l'idrogeno viene liquefatto e solidificato in un serbatoio ed estruso attraverso un'apertura10. A causa dell'elevata pressione richiesta per l'estrusione, lo spessore minimo del campione dimostrato (ad oggi) è di 62 μm11. Questo sistema presenta anche un grande jitter spaziale12. Più recentemente, Polz et al. hanno prodotto un getto di idrogeno criogenico attraverso un ugello capillare di vetro utilizzando una pressione di supporto del gas campione di 435 psig (libbre per pollice quadrato, manometro). Il getto cilindrico risultante da 10 μm è continuo ma appare altamente increspato13.
Presentato qui è un metodo che produce getti cilindrici (diametro = 5-10 μm) e planari con vari rapporti di aspetto (1-7 μm x 10-40 μm). Il jitter di puntamento aumenta linearmente in funzione della distanza dall'apertura5. Le proprietà del fluido e l'equazione di stato dettano gli elementi e i composti chimici che possono essere utilizzati in questo sistema. Ad esempio, il metano non può formare un getto continuo a causa della rottura di Rayleigh, ma può essere usato come goccioline14. Inoltre, le condizioni ottimali di pressione e temperatura variano significativamente tra le dimensioni dell'apertura. I paragrafi seguenti forniscono la teoria necessaria per produrre getti di idrogeno criogenici laminari e privi di turbolenza. Questo può essere esteso ad altri gas.
Il sistema a getto criogenico è costituito da tre sottosistemi principali: (1) erogazione di gas campione, (2) vuoto e (3) criostato e fonte criogenica. Il sistema illustrato nella Figura 1 è stato progettato per essere altamente adattabile per l'installazione in diverse camere a vuoto.
Il sistema di erogazione del gas è composto da una bombola di gas compresso ad altissima purezza, un regolatore di gas e un regolatore di flusso di massa. La pressione di supporto del gas campione viene impostata dal regolatore del gas, mentre il regolatore del flusso di massa viene utilizzato per misurare e limitare il flusso di gas erogato al sistema. Il gas campione viene prima filtrato in una trappola fredda di azoto liquido per congelare i gas contaminanti e il vapore acqueo. Un secondo filtro antiparticolato in linea impedisce ai detriti di entrare nel segmento finale della linea del gas.
Le pompe turbomolecolari supportate da pompe scroll ad alta velocità di pompaggio mantengono condizioni di alto vuoto nella camera di campionamento. Le pressioni del vuoto della camera e della linea anteriore vengono monitorate utilizzando rispettivamente i vacuometri V1 e V2. Va notato che il funzionamento del getto criogenico introduce un notevole carico di gas (proporzionale al flusso totale del campione) nel sistema del vuoto quando il liquido vaporizza.
Un metodo collaudato per ridurre il carico di gas consiste nel catturare il liquido residuo prima che possa verificarsi la vaporizzazione della massa. Il sistema di ricezione del getto è costituito da una linea di vuoto indipendente terminata da un'apertura di pompaggio differenziale di ø800 μm situata fino a 20 mm dal tappo della sorgente criogenica. La linea viene evacuata con una pompa che mostra un'efficienza ottimale nell'intervallo 1 x 10-2 mBar (cioè una pompa per vuoto soffiante di radici o una pompa turbomolecolare ibrida) ed è monitorata da un vacuometro V3. Più recentemente, il catcher ha permesso di far funzionare getti di idrogeno criogenici fino a 7 μm x 13 μm con un miglioramento di due ordini di grandezza della pressione della camera a vuoto.
Un criostato di elio liquido a flusso continuo a lunghezza fissa viene utilizzato per raffreddare la sorgente a temperature criogeniche. L'elio liquido viene prelevato da un dewar di alimentazione utilizzando una linea di trasferimento. Il flusso di ritorno è collegato ad un pannello di misuratore di portata regolabile per regolare la potenza di raffreddamento. La temperatura del dito freddo e della sorgente criogenica viene misurata con quattro sensori di temperatura a diodi al silicio a piombo. Un regolatore di temperatura proporzionale-integrale-derivato (P-I-D) fornisce una tensione variabile a un riscaldatore installato vicino al dito freddo per regolare e stabilizzare la temperatura. Il gas campione entra nella camera a vuoto attraverso un passante personalizzato sulla flangia del criostato. All'interno della camera, la linea del gas avvolge il criostato per preraffreddare il gas prima di collegarsi a una linea di gas fissa sul gruppo della sorgente criogenica. Le viti in acciaio inossidabile e uno strato di indio spesso 51 μm sigillano termicamente la fonte criogenica al dito freddo.
La sorgente criogenica (Figura 2) è costituita da sei componenti principali: una (1) linea di gas campione, (2) corpo sorgente, (3) flangia sorgente con filtro antiparticolato in linea, (4) apertura, (5) ghiera e (6) tappo. Il corpo sorgente contiene un vuoto, che funge da serbatoio del campione. Un filtro filettato in acciaio inossidabile sinterizzato Swagelok da 0,5 μm impedisce a detriti o contaminanti solidificati di entrare nel canale del liquido e ostruire l'apertura. Un anello di indio più spesso e spesso 76 μm viene posizionato tra l'apertura e il canale del liquido per aumentare la lunghezza della deformazione e sigillare in modo affidabile l'apertura. Quando il cappuccio viene filettato sulla flangia sorgente, l'indio viene compresso per formare una guarnizione liquida e termica. La ghiera e il tappo sorgente centrano l'apertura durante l'installazione.
Ci sono una serie di considerazioni generali nella progettazione iniziale di un sistema per getti di liquido criogenico operanti in regime continuo e laminare. Gli utenti devono stimare la potenza di raffreddamento totale del criostato, le proprietà termiche del design della sorgente criogenica, le prestazioni del sistema per vuoto e la temperatura e la pressione del liquido. Di seguito è fornito il quadro teorico richiesto.
Considerazioni sulla potenza di raffreddamento
1) Liquefazione dell'idrogeno15: la potenza frigorifera minima richiesta per liquefare l'idrogeno da 300 K ad una temperatura <img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq2v2.jpg" style="font-size: 14px;"> può essere approssimativamente stimata utilizzando la seguente equazione: <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq1v3.jpg">
Dove: <img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq3v2.jpg"> è il calore specifico a pressione costante e <img alt="Equation 5" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq5v2.jpg"> il calore latente di vaporizzazione di H2 alla temperatura <img alt="Equation 6" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq6v2.jpg">di liquefazione dipendente dalla pressione <img alt="Equation 4" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq4v2.jpg">. Ad esempio, un getto di idrogeno criogenico funziona a una pressione di gas di 60 psig e raffreddato fino a 17 K richiede un minimo di 4013 kJ / kg. Con un flusso di gas idrogeno di 150 sccm (centimetri cubici standard al secondo), ciò corrisponde a un calore di <img alt="Equation 7" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq7v2.jpg"> 0,9 W.
Va notato che il processo di liquefazione contribuisce solo a un decimo della potenza di raffreddamento totale richiesta. Per ridurre il carico termico sul criostato, il gas può essere preraffreddato a una temperatura intermedia prima di entrare nel corpo sorgente.
2) Calore radiativo: per mantenere la sorgente criogenica ad una temperatura <img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq2v2.jpg">, il criostato deve compensare il riscaldamento radiativo. Questo può essere stimato bilanciando la differenza di radiazione di corpo nero emessa e assorbita usando la seguente equazione: <img alt="Equation 8" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq8v2.jpg">
Dove: A è l'area del corpo sorgente, <img alt="Equation 9" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq9v2.jpg"> è la costante di Stefan-Boltzmann e <img alt="Equation 10" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq10v2.jpg"> è la temperatura della camera a vuoto. Ad esempio, una tipica sorgente a getto di A = 50 cm 2 raffreddata a 17 K richiede una potenza di raffreddamento minima di2,3 W. <img alt="Equation 10" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq10v2.jpg"> può essere ridotto localmente aggiungendo uno scudo di radiazioni raffreddato attivamente che copre una parte sostanziale della sorgente criogenica.
3) Conduzione del gas residuo: sebbene la radiazione termica sia dominante in condizioni di altissimo vuoto, il contributo dovuto alla conduzione nel gas residuo diventa non trascurabile durante il funzionamento a getto. Il getto di liquido introduce un notevole carico di gas nella camera, con conseguente aumento della pressione del vuoto. La perdita di calore netta dalla conduzione termica del gas ad una pressione p viene calcolata utilizzando la seguente equazione: <img alt="Equation 11" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq11v2.jpg">
Dove: <img alt="Equation 12" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq12v2.jpg"> è un coefficiente dipendente dalla specie di gas (~3,85 x 10-2 W/cm 2/K/mBar per H2), ed <img alt="Equation 13" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq13v2.jpg"> è il coefficiente di accomodazione che dipende dalla specie gassosa, dalla geometria della sorgente e dalla temperatura della sorgente e del gas16,17. Quando si aziona un getto di idrogeno criogenico a 17 K, assumendo una geometria cilindrica della sorgente e che l'idrogeno è il gas principale presente nella camera a vuoto, la conduzione del gas genera calore che può essere stimato utilizzando la seguente equazione: <img alt="Equation 14" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq14v2.jpg">
Ad esempio, la conduzione del gas a una pressione del vuoto di 4,2 x 10-3 mBar genera tanto calore quanto la radiazione termica. Pertanto, la pressione del vuoto viene generalmente mantenuta al di sotto di 1 x 10-3 mBar durante il funzionamento a getto, aggiungendo un carico termico di ~ 0,55 W al sistema (A = 50 cm2).
Il carico di gas introdotto nella camera durante il funzionamento è ottenuto dal flusso del getto criogenico. La pressione del vuoto risultante viene quindi determinata dalla velocità di pompaggio effettiva del sistema per vuoto e dal volume della camera a vuoto.
Per far funzionare il getto criogenico, il criostato deve generare una potenza di raffreddamento sufficiente a compensare le diverse fonti di calore di cui sopra (ad esempio, 3,75 W), escluse le perdite di calore del sistema criostato stesso. Si noti che l'efficienza del criostato dipende fortemente anche dalla temperatura desiderata del dito freddo.
Stima dei parametri del getto
Per stabilire un flusso laminare continuo, devono essere soddisfatte diverse condizioni. Per brevità, il caso di un flusso di liquido cilindrico è mostrato qui. La formazione di getti planari comporta forze aggiuntive, risultando in una derivazione più complessa che va oltre lo scopo di questo articolo18.
1) Relazione pressione-velocità: per flussi di liquidi incomprimibili, la conservazione dell'energia produce l'equazione di Bernoulli, come segue: <img alt="Equation 15" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq15v2.jpg">
Dove: <img alt="Equation 16" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq16v2.jpg"> è la densità atomica del fluido, è la velocità del fluido, <img alt="Equation 17" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq17v2.jpg"> <img alt="Equation 18" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq18v2.jpg"> è l'energia potenziale gravitazionale e p è la pressione. Applicando l'equazione di Bernoulli attraverso l'apertura, la relazione funzionale tra la velocità del getto e la pressione di supporto del campione può essere stimata usando la seguente equazione: <img alt="Equation 19" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq19v2.jpg">
2) Regime di funzionamento del getto: il regime di un getto liquido cilindrico può essere dedotto usando i numeri di Reynolds e Ohnesorge. Il numero di Reynolds, definito come il rapporto tra le forze inerziali e viscose all'interno del fluido, è calcolato usando la seguente equazione: <img alt="Equation 20" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq20v2.jpg">
Dove: <img alt="Equation 16" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq16v2.jpg">, , , <img alt="Equation 21" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq21v2.jpg"><img alt="Equation 17" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq17v2.jpg">e <img alt="Equation 22" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq22v2.jpg"> sono rispettivamente la densità, la velocità, il diametro e la viscosità dinamica del fluido. Il flusso laminare si verifica quando il numero di Reynolds è inferiore a ~ 2.000. Allo stesso modo, il numero di Weber confronta la grandezza relativa dell'inerzia con la tensione superficiale ed è calcolato usando la seguente equazione: <img alt="Equation 23" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq23v2.jpg">
Dove: σ è la tensione superficiale del liquido. Il numero di Ohnesorge viene quindi calcolato come segue: <img alt="Equation 24" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq24v2.jpg">
Questa quantità indipendente dalla velocità è usata in combinazione con il numero di Reynolds per identificare i quattro regimi a getto liquido: (1) Rayleigh, (2) primo indotto dal vento, (3) secondo indotto dal vento e (4) atomizzazione. Per il flusso di liquido criogenico privo di turbolenza laminare, i parametri devono essere selezionati per operare all'interno del regime di Rayleigh19 (cioè <img alt="Equation 25" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq25v2.jpg">). In questo regime, la colonna di fluido rimarrà continua con una superficie liscia fino alla cosiddetta lunghezza intatta, stimata come segue20: <img alt="Equation 26" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq26v2.jpg">
I diversi parametri del fluido per un getto di idrogeno criogenico cilindrico di 5 μm di diametro azionato a 60 psig e 17 K sono riassunti nella Figura 3. Per mantenere un getto continuo per distanze più lunghe, il liquido deve essere raffreddato sufficientemente vicino alla transizione di fase liquido-solido (Figura 4) in modo che il raffreddamento evaporativo, che si verifica una volta che il getto si propaga nel vuoto, solidifichi il getto prima dell'inizio della rottura di Rayleigh 3,21.

<table><tbody><tr><td>Grembiule criogenico</td><td>Tempshield</td><td>Cryo-apron</td><td>Protezione del corpo centrale dai liquidi criogenici</td></tr><tr><td>Visiera criogenica</td><td>3M</td><td>82783-00000</td><td>ANSI Z87.1 classificata per la protezione completa del viso da liquidi criogenici</td></tr><tr><td>Guanti criogenici</td><td>Tempshield</td><td>Cryo-gloves MA</td><td>Protezione delle mani da liquidi criogenici</td></tr><tr><td>Componenti di origine criogenica</td><td>SLAC National Accelerator I componenti personalizzati da laboratorio</td><td></td><td>sono realizzati in rame privo di ossigeno (OFC) per massimizzare la conduttività termica a temperature criogeniche.</td></tr><tr><td>Criostato e linea di trasferimento</td><td>Sistemi di ricerca avanzati</td><td>LT-3B</td><td>Disponibile in lunghezze personalizzate fino a 1250 mm per la compatibilità con i recipienti a vuoto esistenti. La lunghezza e lo stile della linea di trasferimento possono essere selezionati in base ai vincoli di spazio del sistema o del laboratorio.</td></tr><tr><td>Aperture cilindriche SPI</td><td>Supplies</td><td>P2005-AB</td> Le <td>aperture cilindriche commerciali possono essere acquistate singolarmente</td></tr><tr><td>Isopropanolo di grado elettronico</td><td>Sigma Aldrich</td><td>733458-4L</td><td>99,999%, particolato/metalli in tracce, asciuga senza residui</td></tr><tr><td>Regolatore di gas infiammabile</td><td>Matheson</td><td>M3816A-350</td><td>Controllo della pressione del gas campione (ad es. idrogeno, deuterio)</td></tr><tr><td>Indio</td><td>Indium Corporation</td><td>Personalizzato</td><td>99,99%, 50-75&micro; m di spessore, per guarnizioni termiche e liquide in sorgente criogenica</td></tr><tr><td>Sistema di cattura a getto</td><td>SLAC National Accelerator Laboratory Custom</td><td></td><td>Consiste in skimmer, hardware e passanti per il vuoto, vacuometro, pompa per vuoto roots</td></tr><tr><td>Acetone da laboratorio</td><td>Sigma Aldrich</td><td>179973-4L</td><td>Utilizzato per rimuovere il grasso e il fotoresist dai componenti. La purezza e il grado non sono critici poiché la pulizia finale utilizzerà isopropanolo di grado elettronico</td></tr><tr><td>Rilevatore di perdite</td><td>Matheson</td><td>SEQ8067</td><td>Per garantire che le aperture dei getti siano sigillate prima di pompare</td></tr><tr><td>l'elio liquido</td><td>Airgas</td><td>HE 100LT</td><td>Dewar a caricamento dall'alto, il consumo dipende dal criostato, dalle dimensioni della sorgente e dal flusso totale di gas. Tipicamente 3-5 L/h.</td></tr><tr><td>Azoto liquido</td><td>Airgas</td><td>NI 160LT22</td><td>Volume totale della trappola fredda 4 L, consumo circa 2L/h durante il funzionamento a getto</td></tr><tr><td>Pallone di dewar LN (4 L)</td><td>ThermoFisher Scientific</td><td>4150-4000</td><td>Per la trappola fredda di azoto liquido</td></tr><tr><td>Tubo di trasferimento LN</td><td>Cryofab</td><td>serie CFUL</td><td>Tubo criogenico non isolato con separatore di fase per trasferire LN dal dewar di stoccaggio al pallone di dewar LN per la trappola fredda</td></tr><tr><td>Manuale Manipolatore XY</td><td>Pfeiffer Vacuum</td><td>420MXY100-25</td><td>Regolazione del percorso (+/- 12,5 mm) della sorgente criogenica.</td></tr><tr><td>Manipolatore manuale a Z</td><td>McAllister Servizi tecnici</td><td>ZA12</td><td>Regolazione della rotta della lunghezza del criostato per l'intercambiabilità su diversi recipienti a vuoto. Inoltre, ritraendo la sorgente criogenica dal punto di interazione.</td></tr><tr><td>Regolatore di flusso di massa</td><td>MKS Instruments</td><td>P9B, GM50A</td><td>Per controllare e monitorare il flusso di gas</td></tr><tr><td>Aperture planari</td><td>Norcada</td><td>Custom</td><td>Nanofabbricazione personalizzata di aperture planari</td></tr><tr><td>Attuatori di posizionamento</td><td>Newport</td><td>LTAHLPPV6, 8303-V</td><td>Alta precisione (< 2&micro; m), posizionamento motorizzato del getto</td></tr><tr><td>Stadio di rotazione</td> Servizi <td>tecnici McAllister</td><td>DPRF600</td><td>Allineamento di precisione dell'orientamento del getto</td></tr><tr><td>Occhiali di sicurezza</td><td>3M</td><td>S1101SGAF</td><td>ANSI Z87.1 classificati per il lavoro con gas compressi</td></tr></tbody></table>

getti liquidi criogenici per la scienza della scoperta ad alto tasso di ripetizione

Cryogenic Liquid Jets for High Repetition Rate Discovery Science

Questo protocollo presenta una procedura dettagliata per il funzionamento di getti liquidi criogenici cilindrici e planari continui di dimensioni micron. Quando viene utilizzato come descritto qui, il getto presenta un'elevata laminarità e stabilità per centimetri. Il funzionamento di successo di un getto liquido criogenico nel regime di Rayleigh richiede una conoscenza di base della fluidodinamica e della termodinamica a temperature criogeniche. I calcoli teorici e i valori empirici tipici sono forniti come guida per progettare un sistema comparabile. Questo rapporto identifica l'importanza sia della pulizia durante l'assemblaggio della sorgente criogenica che della stabilità della temperatura della sorgente criogenica una volta liquefatta. Il sistema può essere utilizzato per l'accelerazione protonica guidata da laser ad alta velocità di ripetizione, con un'applicazione prevista nella terapia protonica. Altre applicazioni includono astrofisica di laboratorio, scienza dei materiali e acceleratori di particelle di prossima generazione.

Dopo il passaggio 5.4, vengono utilizzati shadowgraph ad alto ingrandimento per valutare la laminarità, il jitter di posizionamento e la stabilità a lungo termine durante il funzionamento del getto. È fondamentale utilizzare l'illuminazione pulsata, inferiore al nanosecondo, per registrare un'immagine istantanea del getto in modo che il movimento del getto (~ 0,1 μm / ns per H2) non offuschi irregolarità superficiali o turbolenze. Le immagini di esempio di getti 2 x 20 μm 2 H 2, 4 x 12 μm 2 H 2 e 4 x 20 μm 2 D 2 sono mostrate nella Figura 5.
Un ulteriore sistema di imaging ad alto ingrandimento viene utilizzato per posizionare con precisione il getto liquido criogenico nello spazio. Per semplicità, i sistemi di imaging sono progettati per fornire viste frontali e laterali del getto. È particolarmente importante valutare la stabilità del getto e determinare l'orientamento dei getti planari. Uno studio del jitter spaziale di un 2 x 20 μm 2 H2 in funzione della distanza dall'apertura, eseguito durante un singolo test per diverse ore, è mostrato in Figura 6. Il jitter di posizionamento 1σ per ciascun punto dati nella Figura 6A è stato calcolato da 49 immagini registrate a 10 Hz. Qui, la posizione del getto è stata determinata rispetto a una posizione di riferimento fissa. La figura 6B mostra gli istogrammi normalizzati della posizione del getto a 23 mm come esempio. Uno studio più dettagliato può essere trovato in Obst et al.5. In media, il jitter spaziale aumenta linearmente lontano dall'ugello.
Le tipiche osservabili del sistema durante la liquefazione e il funzionamento a getto (secondo la sezione 5) di un getto criogenico di deuterio 4 x 20 μm2 sono mostrate nella Figura 7. Un attento monitoraggio della temperatura, del flusso, della pressione di supporto del campione e delle pressioni del vuoto consente all'operatore di identificare rapidamente eventuali irregolarità e reagire di conseguenza. Ad esempio, se il getto lascia il catcher, indicato da una scatola tratteggiata, la camera a vuoto e la pressione della linea anteriore aumentano in modo significativo. È quindi necessaria una potenza di raffreddamento aggiuntiva per mantenere la temperatura impostata.
Una volta stabilizzate, tutte le osservabili dovrebbero essere costanti con oscillazioni minime. Qualsiasi deriva a lungo termine è indicativa di un problema (ad esempio, perdite, contaminazione da gas, diminuzione delle prestazioni del sistema a vuoto, deriva di posizionamento nel ricevitore). La scelta dell'apertura determina fortemente i parametri operativi del jet nel regime di Rayleigh. Una volta identificati i parametri ottimali per un dato tipo di gas e apertura, il getto risultante è altamente riproducibile; Tuttavia, eventuali deviazioni minori nell'apertura richiedono una riottimizzazione a partire dai valori precedentemente identificati. I parametri operativi tipici sono riepilogati nella Tabella 1.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61130/61130fig1.jpg"> Figura 1: Diagramma P&amp;ID di una tipica piattaforma criogenica di erogazione a getto liquido. Vengono rappresentati i sottosistemi di gas, vuoto e criogenico campione. La camera a vuoto, la linea anteriore della pompa turbomolecolare e la linea anteriore del jet catcher sono monitorate rispettivamente con i vacuometri V1, V2 e V3. La temperatura del criostato viene regolata attivamente utilizzando un regolatore di temperatura P-I-D. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61130/61130fig1large.jpg" target="_blank">Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61130/61130fig2.jpg"> Figura 2: Disegno tridimensionale esploso dell'assieme sorgente criogenica. Le guarnizioni all'indio sono installate tra il dito freddo e il corpo sorgente, il corpo sorgente e la flangia, la flangia e l'apertura della sorgente. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61130/61130fig2large.jpg" target="_blank">Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61130/61130fig3.jpg"> Figura 3: Riepilogo dei parametri fluidodinamici. I parametri sono forniti, assumendo un getto di idrogeno criogenico cilindrico ø5 μm funzionante a 60 psig e 17 K. I valori per densità, viscosità e tensione superficiale provengono dal NIST. 15. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61130/61130fig3large.jpg" target="_blank">Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61130/61130fig4.jpg"> Figura 4: Equazione di stato dell'idrogeno a temperature criogeniche15. I punti critici e tripli sono indicati rispettivamente da cerchi riempiti di blu e arancione. Il funzionamento a getto segue un'isobara attraverso la transizione di fase gas-liquido. Il getto si solidifica tramite raffreddamento evaporativo nella camera a vuoto. La casella grigia indica l'intervallo di pressioni di supporto (40-90 psia) e temperature (17-20 K) che vengono scansionate per ottimizzare la stabilità di un getto di idrogeno criogenico cilindrico ø5 μm. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61130/61130fig4large.jpg" target="_blank">Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.</a>
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61130/61130fig5.jpg"> Figura 5:Shadowgraphs rappresentativi con ingrandimento 20x di getti liquidi criogenici laminari privi di turbolenzautilizzando un laser a lunghezza d'onda 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">Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.</a> 
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61130/61130fig6.jpg"> Figura 6: Stabilità della posizione del getto per 2 x 20 μm2 getto di idrogeno criogenico. I parametri sono 18 K, 60 psig e Re <img alt="Equation 27" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq27v2.jpg" style="font-size: 14px;"> 1887. (A) Jitter di posizionamento in funzione della distanza dall'apertura. Il jitter longitudinale (laterale) corrisponde al movimento parallelo all'asse corto (lungo) del foglio rettangolare. (B) Istogramma normalizzato della posizione del getto per determinare il jitter laterale (σ = 5,5 μm) e il jitter longitudinale (σ = 8,5 μm) a 23 mm dall'ugello. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61130/61130fig6large.jpg" target="_blank">Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.</a>
<img alt="Figure 7" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61130/61130fig7.jpg"> Figura 7: Flusso rappresentativo e pressioni durante il funzionamento a getto criogenico. (A) A sinistra: flusso di gas campione, a destra: pressione di supporto del gas campione in funzione del tempo. Grafico semi-logaritmico della pressione della camera a vuoto (V1; B), pressione frontale della pompa turbomolecolare (V2; C), e la pressione del jet catcher (V3; D) come funzioni del tempo. I numeri cerchiati identificano i cambiamenti nel sistema osservati durante la sezione 5 del protocollo. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61130/61130fig7large.jpg" target="_blank">Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.</a>
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always"><tbody><tr><td>Gas campione</td>
			<td>Apertura</td>
			<td>Temperatura (K)</td>
			<td>Pressione (psig)</td>
			<td>Flusso (sccm)</td>
		</tr><tr><td>Idrogeno</td>
			<td>Ø5 μm cilindrico</td>
			<td>17</td>
			<td>60</td>
			<td>150</td>
		</tr><tr><td>50% idrogeno, 50% deuterio</td>
			<td>Ø5 μm cilindrico</td>
			<td>20</td>
			<td>30, 30</td>
			<td>130</td>
		</tr><tr><td>Deuterio</td>
			<td>Ø5 μm cilindrico</td>
			<td>22</td>
			<td>75</td>
			<td>80</td>
		</tr><tr><td>Idrogeno</td>
			<td>1 μm x 20 μm planare</td>
			<td>18</td>
			<td>182</td>
			<td>150</td>
		</tr><tr><td>Idrogeno</td>
			<td>2 μm x 20 μm planare</td>
			<td>18</td>
			<td>218</td>
			<td>236</td>
		</tr><tr><td>Idrogeno</td>
			<td>4 μm x 20 μm planare</td>
			<td>17.5</td>
			<td>140</td>
			<td>414</td>
		</tr><tr><td>Deuterio</td>
			<td>4 μm x 20 μm planare</td>
			<td>20.5</td>
			<td>117</td>
			<td>267</td>
		</tr><tr><td>Argon</td>
			<td>Ø5 μm cilindrico</td>
			<td>90</td>
			<td>50</td>
			<td>18.5</td>
		</tr><tr><td>Metano</td>
			<td>Ø5 μm cilindrico</td>
			<td>100</td>
			<td>75</td>
			<td>46</td>
		</tr></tbody></table>Tabella 1: Condizioni di funzionamento del getto campione.

Questo protocollo presenta il funzionamento e i principi dei getti liquidi criogenici cilindrici e planari su scala micron. Fino ad ora, questo sistema è stato utilizzato come bersaglio ad alto tasso di ripetizione negli esperimenti laser-plasma. Le applicazioni interdisciplinari previste spaziano dall'astrofisica di laboratorio alla scienza dei materiali e, infine, agli acceleratori di particelle di prossima generazione.

Getti liquidi criogenici per la scienza della scoperta ad alto tasso di ripetizione

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

Il sistema descritto in questo protocollo ha portato ad un elevato impatto sull'accelerazione di fasci di protoni e ioni. Le future applicazioni di questo sistema esploreranno l'astrofisica di laboratorio, la scienza dei materiali e la prossima generazione di acceleratori di particelle, portando a potenze di picco dell'ordine dei gigawatt. Il laser ad alta frequenza di ripetizione ha creato la necessità di un bersaglio continuo. I bersagli dell'idrogeno, in particolare, hanno proprietà interessanti per l'accelerazione degli ioni laser, portando a fasci di protoni puri ed energici.Christopher Schoenwaelder, uno studente di dottorato per il mio laboratorio, dimostrerà nella procedura che tutta la preparazione e l'assemblaggio dei componenti della sorgente criogenica devono essere eseguiti in un ambiente pulito, con l'abbigliamento appropriato per la camera bianca. Inizia utilizzando la pulizia a ultrasuoni indiretta per rimuovere i contaminanti dai componenti della sorgente criogenica. Riempire un sonicatore con acqua distillata e aggiungere un tensioattivo per ridurre la tensione superficiale.Posizionare le parti della sorgente criogenica nei singoli becher di vetro, immergerle completamente nell'isopropanolo di grado elettronico e coprire liberamente i becher con un foglio di alluminio per ridurre l'evaporazione e prevenire la contaminazione. Posizionare i bicchieri nel cestello per la pulizia o un supporto per becher nel sonicatore, assicurandosi che non tocchino il fondo del sonicatore. Attivare il sonicatore per 60 minuti, quindi ispezionare l'isopropanolo utilizzando una luce bianca brillante per verificare la presenza di particelle sospese o residui.Se sono visibili particelle, sciacquare le parti con isopropanolo pulito e sostituire il bagno di isopropanolo. Sonicare in cicli di 60 minuti fino a quando non sono visibili particelle o residui. Al termine, posizionare le parti su una superficie coperta e pulita per essiccarle per un minimo di 30 minuti prima del montaggio.Ripetere il processo di pulizia per il filtro in acciaio inossidabile, il tappo della sorgente, la ghiera e le viti di montaggio. Tagliare un pezzo di indio per coprire al massimo la giunzione tra il corpo sorgente criogenico e il dito freddo del criostato. Quindi, posizionalo sulla fonte criogenica e tienilo a filo con il dito freddo del criostato.Serrare le viti di fissaggio, assicurandosi che l'indio rimanga piatto per stabilire una tenuta termica tra i componenti. Non stringere eccessivamente, poiché i fili di rame si danneggiano facilmente. Avvitare il filtro filettato in acciaio inossidabile sulla flangia della sorgente criogenica.Posizionare una guarnizione in indio sulla flangia della sorgente e fissare la flangia della sorgente al corpo della sorgente criogenica utilizzando le viti della flangia. Quindi, serrare le viti in diagonale anziché in sequenza attorno alla circonferenza. Posizionare la ghiera all'interno del cappuccio.Quindi, usa una pinzetta pulita per posizionare l'apertura all'interno della ghiera. Toccare il cappuccio per centrare l'apertura nella ghiera. Metti un anello di indio sopra l'apertura.Quindi, tocca di nuovo il bordo del cappuccio per centrare l'anello di indio sull'apertura. Serrare a mano il tappo sulla flangia della sorgente fino a quando non viene rilevata una resistenza minima. Delimitare la portata sul regolatore di flusso di massa aumentando il set point a 500 centimetri cubi standard al minuto e impostando la pressione del gas a circa 50 PSI sul regolatore di pressione.Utilizzare una chiave inglese per stringere l'apertura di alcuni gradi alla volta fino a quando la portata inizia a diminuire. Controllare il tasso di perdita nella parte superiore del tappo con il rilevatore di perdite ad alta sensibilità e interrompere il serraggio quando il tasso di perdita misurato smette di diminuire. Disabilitare la rampa di temperatura e modificare la temperatura di set point ben al di sotto della temperatura teorica di transizione di fase vapore-liquido.All'inizio della liquefazione, aumentare il flusso di elio per ottenere una potenza di raffreddamento aggiuntiva per passare rapidamente attraverso la transizione di fase. Quando il serbatoio diventa completamente liquefatto, una miscela di gas e liquido spruzzerà inizialmente dall'apertura e passerà in sequenza in un getto continuo. Usa l'ombreggiatura ad alto ingrandimento con deluminazione pulsata inferiore al nanosecondo per visualizzare la stabilità e la laminarità del getto.Se l'esperimento ha una posizione predeterminata per il campione, tradurre la sorgente criogenica utilizzando un manipolatore multiasse sulla flangia del criostato o attuatori a perno motorizzati nella camera a vuoto. Ottimizza i parametri PID e il flusso di elio per garantire che la stabilità della temperatura sia migliore di più o meno 0,02 Kelvin. Si noti che la stabilità complessiva del getto dipende fortemente dalla pressione della camera a vuoto, dalla pressione di retromarcia del gas e dalla temperatura.Gli shadowgraph ad alto ingrandimento vengono utilizzati per valutare la laminarità, il jitter di posizionamento e la stabilità a lungo termine durante il funzionamento del getto. È fondamentale utilizzare l'illuminazione pulsata inferiore al nanosecondo per registrare un'immagine istantanea del getto in modo che il movimento del getto non offuschi le irregolarità o le turbolenze della superficie. Uno studio del jitter spaziale di un getto di idrogeno di 2 x 20 micrometri in funzione della distanza dall'apertura è stato eseguito durante un singolo test della durata di diverse ore.Il jitter di posizionamento per ciascun punto dati è stato calcolato da 49 immagini registrate a 10 hertz. La posizione del getto è stata determinata rispetto a una posizione di riferimento fissa. Gli istogrammi normalizzati della posizione del getto a 23 millimetri sono mostrati come esempio.Qui sono mostrati i tipici osservabili del sistema durante la liquefazione e il funzionamento a getto di un getto di deuterio criogenico di 4 x 20 micrometri. Un attento monitoraggio della temperatura, del flusso, della pressione di supporto del campione e delle pressioni del vuoto consente all'operatore di identificare rapidamente eventuali irregolarità e reagire di conseguenza. I parametri di funzionamento tipici sono riassunti qui.Una volta identificati i parametri ottimali per un dato tipo di gas e apertura, il getto risultante è altamente riproducibile. Eventuali scostamenti del diaframma richiedono una riottimizzazione a partire dai valori precedentemente identificati. Quando si segue questo protocollo, è importante notare che improvvisi cambiamenti di pressione o temperatura possono vaporizzare rapidamente l'idrogeno liquido nel serbatoio.Per evitare guasti al sistema del vuoto, l'operatore deve limitare il flusso di gas e isolare l'hardware sensibile. Il sistema può anche essere esteso ad altre geometrie di apertura e gas campione. Tra le altre cose, gli elementi più pesanti possono essere utilizzati per studiare i processi fondamentali del plasma come le onde acustiche ioniche o la transizione a una fase della materia, uno stato che si prevede esista all'interno dei giganti gassosi e degli esopianeti.I fasci di ioni ad alta luminosità di questo sistema target vengono utilizzati per generare un fascio di neutroni direzionale ad alto flusso. Questa tecnica ha aperto la strada all'ispezione non distruttiva dei materiali e può contribuire agli studi di nucleosintesi in laboratorio.

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