높은 반복률을 위한 극저온 액체 제트 디스커버리 사이언스

이 프로토콜에 설명된 시스템은 양성자 및 이온 빔 가속에 높은 충격을 초래했습니다. 이 시스템의 향후 응용 분야는 실험실 천체 물리학, 재료 과학 및 차세대 입자 가속기를 탐구하여 기가 와트 정도의 최고 출력으로 이어질 것입니다. 높은 반복률의 레이저는 연속 표적에 대한 필요성을 창출했습니다. 특히 수소 타겟은 레이저 이온 가속에 대한 매력적인 특성을 가지고 있어 에너지가 풍부하고 순수한 양성자 빔으로 이어집니다.

제 연구실의 박사 과정 학생인 Christopher Schoenwaelder는 극저온 소스 구성 요소의 모든 준비 및 조립은 적절한 클린룸 의류와 함께 깨끗한 환경에서 수행해야 합니다. 간접 초음파 세척을 사용하여 극저온 소스 구성 요소에서 오염 물질을 제거하는 것으로 시작합니다. 초음파 처리기에 증류수를 채우고 계면 활성제를 첨가하여 표면 장력을 줄입니다.

극저온 소스 부품을 개별 유리 비커에 넣고 전자 등급 이소프로판올에 완전히 담그고 알루미늄 호일로 비커를 느슨하게 덮어 증발을 줄이고 오염을 방지합니다. 비커를 청소용 바구니에 넣거나 초음파 발생기의 비커 스탠드에 넣고 초음파 발생기 바닥에 닿지 않도록 합니다. 초음파 발생기를 60분 동안 작동시킨 다음 밝은 백색광을 사용하여 이소프로판올에 부유 입자 또는 잔류물이 있는지 검사합니다.

입자가 보이면 깨끗한 이소프로판올로 부품을 헹구고 이소프로판올 수조를 교체하십시오. 입자나 잔류물이 보이지 않을 때까지 60분 주기로 초음파 처리합니다. 완료되면 덮개를 덮고 깨끗한 표면에 부품을 놓고 조립하기 전에 최소 30분 동안 건조시킵니다.

스테인리스 스틸 필터, 소스 캡, 페룰 및 조립 나사에 대해 청소 과정을 반복합니다. 인듐 조각을 잘라 극저온 공급원체와 저온 유지 장치의 차가운 손가락 사이의 접합부를 최대한 덮습니다. 그런 다음 극저온 공급원에 놓고 저온 유지 장치의 차가운 손가락으로 같은 높이로 유지합니다.

고정 나사를 조여 인듐이 평평하게 유지되어 구성 요소 사이에 열 밀봉을 설정합니다. 구리실은 쉽게 손상될 수 있으므로 과도하게 조이지 마십시오. 나사산이 있는 스테인리스강 필터를 극저온 소스 플랜지에 나사로 고정합니다.

소스 플랜지에 인듐 개스킷을 놓고 플랜지 나사를 사용하여 소스 플랜지를 극저온 소스 본체에 부착합니다. 그런 다음 나사를 둘레를 순차적으로 조이지 않고 대각선으로 조입니다. 페룰을 캡 안에 놓습니다.

그런 다음 깨끗한 핀셋을 사용하여 페룰 내부에 조리개를 놓습니다. 캡을 탭하여 페룰의 중앙에 조리개를 배치합니다. 조리개 위에 인듐 링을 놓습니다.

그런 다음 캡의 가장자리를 다시 두드려 인듐 링을 조리개의 중앙에 놓습니다. 최소한의 저항이 감지될 때까지 소스 플랜지에 캡을 손으로 조입니다. 설정값을 분당 500 표준 입방 센티미터로 늘리고 압력 조절기에서 가스 압력을 약 50PSI 게이지로 설정하여 질량 유량 컨트롤러의 유량을 제한합니다.

유량이 감소하기 시작할 때까지 렌치를 사용하여 조리개를 한 번에 몇 도씩 조입니다. 고감도 누출 감지기로 캡 상단의 누출률을 확인하고 측정된 누출률이 감소를 멈추면 조임을 멈춥니다. 온도 램프를 비활성화하고 설정점 온도를 이론적인 증기 액체 상전이 온도보다 훨씬 낮게 변경합니다.

액화가 시작될 때 상전이를 빠르게 통과할 수 있도록 추가 냉각 전력을 위해 헬륨 흐름을 증가시킵니다. 저장소가 완전히 액화됨에 따라 가스와 액체의 혼합물이 처음에는 조리개에서 분무되고 순차적으로 연속 제트로 전환됩니다. 펄스된 나노초 미만의 발광과 함께 고배율 섀도우그래피를 사용하여 제트 안정성과 층류를 시각화합니다.

실험에 시료의 위치가 미리 결정된 경우, 저온 유지 장치 플랜지의 다축 매니퓰레이터 또는 진공 챔버의 전동 푸시 핀 액추에이터를 사용하여 극저온 소스를 변환합니다. PID 매개변수와 헬륨 흐름을 최적화하여 온도 안정성이 플러스 또는 마이너스 0.02켈빈보다 우수한지 확인합니다. 제트의 전반적인 안정성은 진공 챔버 압력, 가스 배압 압력 및 온도에 크게 좌우됩니다.

고배율 섀도우그래프는 제트 작동 중 층류, 위치 지터 및 장기 안정성을 평가하는 데 사용됩니다. 펄스형 나노초 미만 조명을 사용하여 제트의 순간 이미지를 기록하여 제트 움직임이 표면의 불규칙성이나 난기류를 흐리게 하지 않도록 하는 것이 중요합니다. 조리개로부터의 거리 함수로 2 x 20 마이크로미터 수소 제트의 공간 지터에 대한 연구는 몇 시간에 걸친 단일 테스트 동안 수행되었습니다.

각 데이터 포인트에 대한 포지셔닝 지터는 10헤르츠에서 기록된 49개의 이미지로부터 계산되었습니다. 제트 위치는 고정된 기준 위치를 기준으로 결정되었습니다. 23mm에서 제트 위치의 정규화된 히스토그램이 예시로 나와 있습니다.

4 x 20 마이크로미터 극저온 중수소 제트의 액화 및 제트 작동 중 일반적인 시스템 관찰 가능 항목이 여기에 나와 있습니다. 온도, 유량, 시료 배압 압력 및 진공 압력을 주의 깊게 모니터링하면 작업자가 불규칙성을 신속하게 식별하고 그에 따라 대응할 수 있습니다. 일반적인 작동 매개변수는 여기에 요약되어 있습니다.

주어진 가스 및 조리개 유형에 대한 최적의 매개변수가 식별되면 결과 제트는 재현성이 높습니다. 조리개의 모든 편차는 이전에 식별된 값부터 시작하여 다시 최적화해야 합니다. 이 프로토콜을 따를 때 압력이나 온도의 급격한 변화로 인해 저장소의 액체 수소가 빠르게 기화될 수 있다는 점에 유의하는 것이 중요합니다.

진공 시스템 고장을 방지하기 위해 작업자는 가스 흐름을 제한하고 민감한 하드웨어를 격리해야 합니다. 이 시스템은 또한 다른 조리개 형상 및 샘플 가스로 확장할 수 있습니다. 무엇보다도, 더 무거운 원소는 이온 음파와 같은 기본적인 플라즈마 과정이나 물질의 한 단계로의 전이와 같은 기본적인 플라즈마 과정을 연구하는 데 사용할 수 있으며, 이는 거대 가스 행성과 외계 행성의 내부에 존재할 것으로 예상되는 상태입니다.

이 타겟 시스템의 고휘도 이온 빔은 방향성 고플럭스 중성자 빔을 생성하는 데 사용됩니다. 이 기술은 물질의 비파괴 검사를 위한 길을 열었으며 실험실에서의 핵합성 연구에 기여할 수 있습니다.