Name: Kriogeniczne dysze cieczy do odkrywania nauki o wysokiej powtarzalności (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2020-05-09T14:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 34 s
Description: Odkryj działanie kriogenicznych dysz cieczy do eksperymentów laserowo-plazmowych z wysoką powtarzalnością. Ta metoda umożliwia badania astrofizyki laboratoryjnej i akceleratorów cząstek.

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

Ta praca była wspierana przez Kontrakt SLAC Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych nr nr. DE-AC02-76SF00515 oraz przez Biuro Nauki Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych, Nauki o Energii Syntezy Jądrowej w ramach FWP 100182. Prace te były również częściowo wspierane przez Narodową Fundację Nauki w ramach Grantu nr 1632708 oraz przez EC H2020 LASERLAB-EUROPE/LEPP (Kontrakt nr 654148). C.B.C. dziękuje za wsparcie ze strony Kanadyjskiej Rady ds. Badań Nauk Przyrodniczych i Inżynierii (NSERC). F.T. dziękuje za wsparcie ze strony Narodowej Administracji Bezpieczeństwa Jądrowego (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>

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Pomyślne działanie strumienia cieczy kriogenicznej wymaga skrupulatnej czystości i starannego monitorowania stabilności temperatury. Jedną z najczęstszych i możliwych do uniknięcia awarii jest częściowe lub całkowite zablokowanie otworu o wielkości mikronów. Miedź, stal nierdzewna lub ind ze źródła lub cząstki unoszące się w powietrzu mogą być wprowadzane na dowolnym etapie montażu źródła. Wszystkie elementy muszą zostać poddane solidnemu procesowi czyszczenia przy użyciu sonikacji pośredniej. Montaż i przechowywanie w pomieszczeniu czystym klasy 10 000 lub lepszej poprawia wskaźnik sukcesu.
Kolejnym krytycznym etapem procedury jest ustabilizowanie temperatury źródła kriogenicznego. Użytkownicy muszą zapewnić, że temperatura cieczy opuszczającej źródło jest mierzona niezależnie od zmiennego ciepła uwalnianego w wyniku ciągłego skraplania w zbiorniku. Osiąga się to poprzez umieszczenie czujnika temperatury w pobliżu otworu (np. na kołnierzu źródła) lub daleko od źródła ciepła. Ponadto parametry P-I-D muszą być ręcznie optymalizowane przy użyciu metody Zieglera-Nicholsa dla każdej kombinacji temperatury i ciśnienia wstecznego. Jeśli wahania temperatury stają się zbyt duże, można zaobserwować okresowe oscylacje dżetu, czasami prowadzące do okresowego rozpadu. Należy zauważyć, że wbudowane funkcje autotuningu lub filtry dolnoprzepustowe nie były w stanie ustabilizować temperatury podczas pracy strumienia.
Kriogeniczny system strumienia cieczy, choć wysoce elastyczny, jest trudny do wdrożenia w dużych obiektach z ustalonymi protokołami próżniowymi. Na przykład, różnicowe stopnie pompowania są wymagane, gdy urządzenia poprzedzające są wrażliwe na gaz resztkowy (np. laser na swobodnych elektronach FLASH w DESY lub instrument MeV-UED w SLAC). Ponadto komory próżniowe o dużej średnicy, takie jak te przeznaczone do laserów wieloskładnikowych, prawdopodobnie wymagają elastycznych kriostatów w próżni. W porównaniu z konwencjonalnymi kriostatami o stałej długości, można je łatwo odłączyć od drgań komory i mają krótsze ramię dźwigni. Elastyczny kriostat próżniowy został już wdrożony z laserem Draco Petawatt w Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR). Inną obserwacją jest to, że apertura może zostać uszkodzona, gdy dżet jest naświetlany przez laser o bardzo wysokiej intensywności zbyt blisko źródła. Ostatnio zaimplementowano mechaniczne ostrze tnące (pracujące z częstotliwością 150 Hz i zsynchronizowane z impulsem laserowym) w celu ochrony i odizolowania apertury od interakcji laser-plazma.
System ten wytwarza w skali mikronowej, wysoce przestrajalne, pozbawione turbulencji, laminarne cylindryczne i płaskie kriogeniczne strumienie cieczy. Ciągły rozwój kriogenicznego systemu strumieniowego cieczy koncentruje się na zaawansowanych materiałach i konstrukcji apertury, ulepszeniach systemu próżniowego i łapacza oraz zaawansowanym mieszaniu izotopów wodoru. System ten umożliwi przejście do nauki o wysokiej częstotliwości powtarzania i gęstości energii oraz utoruje drogę do opracowania akceleratorów cząstek nowej generacji.

<table><tbody><tr><td>Fartuch kriogeniczny</td><td>Tempshield</td><td>Fartuch kriogeniczny</td><td>Ochrona korpusu rdzenia przed cieczami kriogenicznymi</td></tr><tr><td>Kriogeniczna osłona twarzy</td><td>3M</td><td>82783-00000</td><td>ANSI Z87.1 przystosowana do pełnej ochrony twarzy przed cieczami kriogenicznymi</td></tr><tr><td>Rękawice kriogeniczne</td><td>Tempshield</td><td>Cryo-gloves MA</td><td>Ochrona rąk przed cieczami kriogenicznymi</td></tr><tr><td>Komponenty źródła kriogenicznego</td><td>Krajowy Akcelerator SLAC Niestandardowe komponenty laboratoryjne</td><td></td><td>są wykonane z miedzi beztlenowej (OFC), aby zmaksymalizować przewodność cieplną w temperaturach kriogenicznych.</td></tr><tr><td>Kriostat i linia transferowa</td><td>Zaawansowane systemy badawcze</td><td>LT-3B</td><td>Dostępne w niestandardowych długościach do 1250 mm w celu zapewnienia kompatybilności z istniejącymi zbiornikami próżniowymi. Długość i styl linii przenoszenia można wybrać w oparciu o ograniczenia systemowe lub przestrzenne.</td></tr><tr><td>Otwory cylindryczne</td><td>SPI Supplies</td><td>P2005-AB</td><td>Komercyjne otwory cylindryczne można zakupić pojedynczo</td></tr><tr><td>Izopropanol klasy elektronicznej</td><td>Sigma Aldrich</td><td>733458-4L</td><td>99,999%, minimalne cząstki stałe/metale śladowe, wysycha bez pozostałości</td></tr><tr><td>Reduktor gazów palnych</td><td>Matheson</td><td>M3816A-350</td><td>Kontrola ciśnienia próbki gazu (np. Wodór, deuter)</td></tr><tr><td>Ind</td><td>Indium Corporation</td><td>Niestandardowe</td><td>99,99%, 50-75 i mikro; m gruby, do uszczelnień termicznych i płynnych w źródle kriogenicznym</td></tr><tr><td>System łapacza strumienia</td><td>SLAC National Accelerator Laboratory</td><td>Custom</td><td>Składa się ze skimmera, sprzętu próżniowego i przepustów, wakuometru, pompy próżniowej</td></tr><tr><td>Roots aceton klasy laboratoryjnej</td><td>Sigma Aldrich</td><td>179973-4L</td><td>Służy do usuwania smaru i fotorezystu z komponentów. Czystość i klasa nie są krytyczne, ponieważ końcowe czyszczenie użyje elektronicznego izopropanolu</td></tr><tr><td>Wykrywacz nieszczelności</td><td>Matheson</td><td>SEQ8067</td><td>Aby upewnić się, że otwory strumieniowe zostały uszczelnione przed pompowaniem</td></tr><tr><td>ciekłego helu</td><td>Airgas</td><td>HE 100LT</td><td>Dewara ładowany od góry, zużycie zależy od kriostatu, wymiarów źródła i całkowitego przepływu gazu. Typowo 3-5 l/h.</td></tr><tr><td>Ciekły azot</td><td>Airgas</td><td>NI 160LT22</td><td>Całkowita objętość wymrażarki 4 L, zużycie około 2L/h podczas pracy strumienia</td></tr><tr><td>Kolba Dewara LN (4 L)</td><td>ThermoFisher Scientific</td><td>4150-4000</td> Do węża przesyłowego LN <td>z ciekłym azotem</td></tr><tr><td></td><td>Seria Cryofab</td><td>CFUL</td><td>Nieizolowany wąż kriogeniczny z separatorem faz do przesyłania LN z magazynu Dewara do LN Kolba Dewara do wymrażarki</td></tr> <tr><td>LNRęczny manipulator XY</td><td>Pfeiffer Vacuum</td><td>420MXY100-25</td><td>Regulacja kursu (+/- 12,5 mm) źródła kriogenicznego.&nbsp;</td></tr><tr><td>Ręczny manipulator Z</td><td>McAllister Technical Services</td><td>ZA12</td><td>Regulacja kursu długości kriostatu w celu jego zamienności na różnych zbiornikach próżniowych. Dodatkowo cofanie źródła kriogenicznego z punktu interakcji.</td></tr><tr><td>Regulator przepływu</td><td>masowego MKS Instruments</td><td>P9B, GM50A</td><td>Do sterowania i monitorowania przepływu gazu</td></tr><tr><td>Apertury planarne</td><td>Norcada</td><td>Custom</td><td>Niestandardowa nanoprodukcja otworów planarnych</td></tr><tr><td>Siłowniki pozycjonujące Newport</td><td></td><td>LTAHLPPV6, 8303-V</td><td>Wysoka precyzja (< 2 i mikro; m), zmotoryzowane pozycjonowanie strumienia</td></tr><tr><td>Stopień rotacji</td><td>Usługi techniczne McAllister</td><td>DPRF600</td><td>Precyzyjne ustawienie orientacji strumienia</td></tr><tr><td>Okulary ochronne</td><td>3M</td><td>S1101SGAF</td><td>ANSI Z87.1 przystosowane do pracy ze sprężonymi gazami</td></tr></tbody></table>

kriogeniczne dysze cieczy do odkrywania nauki o wysokiej powtarzalności

Cryogenic Liquid Jets for High Repetition Rate Discovery Science

Ten protokół przedstawia szczegółową procedurę działania ciągłych, mikronowych cylindrycznych i płaskich cylindrycznych i płaskich strumieni cieczy. Podczas pracy zgodnie z opisem strumień wykazuje wysoką laminarność i stabilność na centymetry. Pomyślne działanie strumienia cieczy kriogenicznej w reżimie Rayleigha wymaga podstawowej wiedzy na temat dynamiki płynów i termodynamiki w temperaturach kriogenicznych. Obliczenia teoretyczne i typowe wartości empiryczne stanowią wskazówkę do zaprojektowania porównywalnego systemu. W niniejszym raporcie wskazano na znaczenie zarówno czystości podczas montażu źródła kriogenicznego, jak i stabilności temperatury źródła kriogenicznego po skropleniu. System może być używany do przyspieszania protonów sterowanych laserem o wysokiej częstotliwości powtarzania, z przewidywanym zastosowaniem w terapii protonowej. Inne zastosowania obejmują astrofizykę laboratoryjną, materiałoznawstwo i akceleratory cząstek nowej generacji.

Po kroku 5.4 stosuje się shadowgrafy o dużym powiększeniu, aby ocenić laminarność, drgania położenia oraz długoterminową stabilność podczas pracy strumienia. Kluczowe jest użycie impulsowego oświetlenia podnanosekundowego do zarejestrowania obrazu chwilowego strumienia, tak aby ruch strumienia (~0.1 µm/ns dla H2) nie rozmył nierówności powierzchni lub turbulencji. Przykładowe obrazy strumieni 2 x 20 µm2 H2, 4 x 12 µm2 H2 oraz 4 x 20 µm2 D2 przedstawiono na Rysunku 5.
Do precyzyjnego pozycjonowania kriogenicznego strumienia cieczy w przestrzeni wykorzystuje się dodatkowy system obrazowania o dużym powiększeniu. Dla uproszczenia systemy obrazowania zostały zaprojektowane tak, aby zapewniać widok strumienia z przodu i z boku. Szczególnie istotne jest ocena stabilności strumienia oraz określenie orientacji strumieni płaskich. Badanie drgań przestrzennych strumienia H2 o przekroju 2 x 20 µm2 w funkcji odległości od apertury, przeprowadzone podczas jednego testu w ciągu kilku godzin, przedstawiono na Rysunku 6. Drgania pozycjonowania 1σ dla każdego punktu danych na Rysunku 6A obliczono na podstawie 49 obrazów zarejestrowanych z częstotliwością 10 Hz. Tutaj pozycję strumienia określono względem stałej pozycji odniesienia. Rysunek 6B przedstawia przykładowe znormalizowane histogramy pozycji strumienia w odległości 23 mm. Bardziej szczegółowe badanie można znaleźć w pracy Obst et al.5. Średnio drgania przestrzenne zwiększają się liniowo wraz z oddalaniem się od dyszy.
Typowe parametry systemu podczas upłynniania i pracy strumienia (zgodnie z sekcją 5) kriogenicznego strumienia deuteru o wymiarach 4 x 20 µm2 przedstawiono na Rysunku 7. Uważne monitorowanie temperatury, przepływu, ciśnienia wstecznego próbki oraz ciśnień próżni pozwala operatorowi na szybkie zidentyfikowanie wszelkich nieprawidłowości i odpowiednią reakcję. Na przykład, jeśli strumień opuści pułapkę, co zaznaczono przerywaną ramką, ciśnienie w komorze próżniowej i w linii pomocniczej znacznie wzrośnie. Wówczas wymagana jest dodatkowa moc chłodnicza, aby utrzymać temperaturę zadaną.
Po ustabilizowaniu wszystkie mierzalne parametry powinny pozostać stałe z minimalnymi oscylacjami. Wszelki długoterminowy dryft wskazuje na wystąpienie problemu (np. nieszczelności, zanieczyszczenie gazu, spadek wydajności układu próżniowego, dryft pozycjonowania w catcherze). Wybór apertury w dużym stopniu determinuje parametry operacyjne strumienia w reżimie Rayleigha. Po zidentyfikowaniu optymalnych parametrów dla danego gazu i rodzaju apertury, otrzymany strumień jest wysoce powtarzalny; jednak wszelkie niewielkie odchylenia w aperturze wymagają ponownej optymalizacji, zaczynając od wcześniej wyznaczonych wartości. Typowe parametry operacyjne podsumowano w Tabeli 1.
<img alt="Schemat źródła kriogenicznego dla układu spektroskopowego z gazami H₂, D₂, pułapką zimna LN, pompami i zaworami, kriostatem LHe." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61130/61130fig1.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Rycina 1"> 
Rycina 1: Schemat P&amp;ID typowej platformy dostarczania kriogenicznych strug cieczy. Przedstawiono podsystemy gazu próbnego, próżni oraz kriogeniki. Ciśnienia w komorze próżniowej, linii przedpompowej pompy turbomolekularnej oraz linii przedpompowej przechwytującego strugę są monitorowane odpowiednio za pomocą manometrów próżniowych V1, V2 i V3. Temperatura kriostatu jest aktywnie regulowana za pomocą kontrolera temperatury P-I-D. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61130/61130fig1large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tej ryciny.</a>
<img alt="Schemat układu przepływu gazu z rezerwuarem próbki, kołnierzem, aperturą i uszczelkami indowymi do analizy." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61130/61130fig2.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Rycina 2"> 
Rycina 2: Trójwymiarowy rysunek w rozbiciu zespołu źródła kriogenicznego. Uszczelki indowe są zamontowane pomiędzy palcem chłodzącym a korpusem źródła, korpusem źródła a kołnierzem oraz kołnierzem źródła a aperturą. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61130/61130fig2large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.</a>
<img alt="Tabela parametrów dynamiki płynów z gęstością, prędkością i lepkością; wartości w kg/m³, m/s, Pa s." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61130/61130fig3.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Rycina 3"> 
Rycina 3: Podsumowanie parametrów dynamiki płynów. Parametry podano przy założeniu zastosowania cylindrycznego kriogenicznego strumienia wodoru o średnicy ø5 µm, pracującego pod ciśnieniem 60 psig i w temperaturze 17 K. Wartości gęstości, lepkości i napięcia powierzchniowego pochodzą z NIST.15. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61130/61130fig3large.jpg" target="_blank">Aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny, kliknij tutaj.</a>
<img alt="Diagram fazowy, skan P-T dla strumienia H₂, pokazujący obszary ciała stałego, cieczy i gazu; punkty krytyczne i potrójne." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61130/61130fig4.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Rycina 4"> 
Rycina 4: Równanie stanu wodoru w temperaturach kriogenicznych15. Punkty krytyczne i potrójne są oznaczone odpowiednio niebieskimi i pomarańczowymi wypełnionymi kółkami. Praca strumienia przebiega wzdłuż izobary poprzez przejście fazowe gaz-ciecz. Strumień krzepnie w wyniku chłodzenia przez odparowanie w komorze próżniowej. Szary prostokąt wskazuje zakres ciśnień wstecznych (40-90 psia) i temperatur (17-20 K), które są skanowane w celu optymalizacji stabilności cylindrycznego kriogenicznego strumienia wodoru o średnicy ø5 µm. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61130/61130fig4large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.</a>
<img alt="Mikrografia wzoru interferencyjnego, skala 20μm, ilustrująca efekty dyfrakcji na liniach równoległych." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61130/61130fig5.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Rycina 5"> 
Rycina 5: Reprezentatywne cieniogramy przy 20-krotnym powiększeniu dla nieturbulencyjnych, laminarnych kriogenicznych strumieni cieczy z wykorzystaniem lasera o impulsie 10 ps i długości fali 1057 nm. (A) Apertura = 2 x 20 µm2, gaz = H2, T = 15.8 K, P = 188 psig. (B) Apertura = 4 x 12 µm2, gaz = H2, T = 17.2 K, P = 80 psig. (C) Apertura = 4 x 20 µm2, gaz: D2, T = 20 K, P = 141 psig. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61130/61130fig5large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.</a>
<img alt="Analiza drgań pozycjonowania; wykres A przedstawia drgania w funkcji odległości od apertury, B pokazuje histogram częstotliwości." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61130/61130fig6.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Rycina 6"> 
Rycina 6: Stabilność pozycji strumienia dla kriogenicznego strumienia wodoru o przekroju 2 x 20 µm2. Parametry to 18 K, 60 psig oraz Re <img alt="Symbole statycznej równowagi ΣFx=0 ΣFy=0 na schemacie; równania dla analizy bilansu sił." src="/files/ftp_upload/61130/61130eq27v2.jpg" style="font-size: 14px;" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Równanie 27"> 1887. (A) Drgania pozycjonowania w funkcji odległości od apertury. Drgania podłużne (poprzeczne) odpowiadają ruchowi równolegle do krótkiej (długiej) osi prostokątnego arkusza. (B) Znormalizowany histogram pozycji strumienia służący do wyznaczenia drgań poprzecznych (σ = 5.5 µm) i drgań podłużnych (σ = 8.5 µm) w odległości 23 mm od dyszy. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61130/61130fig6large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tej ryciny.</a>
<img alt="Praca strumienia kriogenicznego, przepływ, ciśnienie. Wykres przedstawia kroki optymalizacji, dane dotyczące ciśnienia próżni mBar." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61130/61130fig7.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Rysunek 7"> 
Rysunek 7: Reprezentatywne przepływy i ciśnienia podczas pracy strumienia kriogenicznego. (A) Lewo: przepływ gazu próbkowego, prawo: ciśnienie podtrzymujące gazu próbkowego w funkcji czasu. Wykres półlogarytmiczny ciśnienia w komorze próżniowej (V1; B), ciśnienia w linii wstępnej pompy turbomolekularnej (V2; C) oraz ciśnienia w pułapce strumienia (V3; D) w funkcjach czasu. Zakreślone liczby wskazują zmiany w systemie zaobserwowane podczas sekcji 5 protokołu. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61130/61130fig7large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tego rysunku.</a>
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Gaz próbny</td>
			<td>Apertura</td>
			<td>Temperatura (K)</td>
			<td>Ciśnienie (psig)</td>
			<td>Przepływ (sccm)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Wodór</td>
			<td>ø5 µm cylindryczny</td>
			<td>17</td>
			<td>60</td>
			<td>150</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>50% wodoru, 50% deuteru</td>
			<td>ø5 µm cylindryczny</td>
			<td>20</td>
			<td>30, 30</td>
			<td>130</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Deuter</td>
			<td>ø5 µm cylindryczny</td>
			<td>22</td>
			<td>75</td>
			<td>80</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Wodór</td>
			<td>1 µm Proszę podać tekst źródłowy do tłumaczenia. 20 µm płaski</td>
			<td>18</td>
			<td>182</td>
			<td>150</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Wodór</td>
			<td>2 µm Proszę podać tekst źródłowy do tłumaczenia. 20 µm płaski</td>
			<td>18</td>
			<td>218</td>
			<td>236</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Wodór</td>
			<td>4 µm Proszę podać tekst źródłowy do tłumaczenia. 20 µm płaski</td>
			<td>17.5</td>
			<td>140</td>
			<td>414</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Deuter</td>
			<td>4 µm Proszę podać tekst źródłowy do tłumaczenia. 20 µm płaski</td>
			<td>20.5</td>
			<td>117</td>
			<td>267</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Argon</td>
			<td>ø5 µm cylindryczny</td>
			<td>90</td>
			<td>50</td>
			<td>18.5</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Metan</td>
			<td>ø5 µm cylindryczny</td>
			<td>100</td>
			<td>75</td>
			<td>46</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>
Tabela 1: Przykładowe warunki pracy dyszy.

Ten protokół przedstawia działanie i zasady działania cylindrycznych i planarnych strumieni cieczy kriogenicznych w skali mikronowej. Do tej pory system ten był używany jako cel o wysokiej częstotliwości powtarzania w eksperymentach laserowo-plazmowych. Przewidywane zastosowania interdyscyplinarne obejmują astrofizykę laboratoryjną, materiałoznawstwo, a ostatecznie akceleratory cząstek nowej generacji.

Kriogeniczne dysze cieczy do odkrywania nauki o wysokiej powtarzalności

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

System opisany w tym protokole doprowadził do dużego wpływu na przyspieszenie wiązki protonów i jonów. Przyszłe zastosowania tego systemu będą dotyczyły astrofizyki laboratoryjnej, materiałoznawstwa i akceleratorów cząstek nowej generacji, co doprowadzi do szczytowych mocy rzędu gigawatów Laser o wysokiej częstotliwości powtarzania stworzył potrzebę ciągłego celu. W szczególności tarcze wodorowe mają atrakcyjne właściwości przyspieszania jonów laserowych, co prowadzi do energetycznych, czystych wiązek protonów.Christopher Schoenwaelder, doktorant w moim laboratorium, zademonstruje w procedurze, że całe przygotowanie i montaż elementów źródła kriogenicznego powinien odbywać się w czystym środowisku, przy użyciu odpowiedniej odzieży do pomieszczeń czystych. Zacznij od pośredniego czyszczenia ultradźwiękowego w celu usunięcia zanieczyszczeń ze składników źródła kriogenicznego. Napełnij sonikator wodą destylowaną i dodaj środek powierzchniowo czynny, aby zmniejszyć napięcie powierzchniowe.Umieść części źródła kriogenicznego w pojedynczych szklanych zlewkach, całkowicie zanurz je w izopropanolu klasy elektronicznej i luźno przykryj zlewki folią aluminiową, aby zmniejszyć parowanie i zapobiec zanieczyszczeniu. Umieść zlewki w koszu do czyszczenia lub stojaku na zlewkę w sonikatorze, upewniając się, że nie dotykają dna sonikatora. Aktywuj sonikator na 60 minut, a następnie sprawdź izopropanol za pomocą jasnego białego światła pod kątem zawieszonych cząstek lub pozostałości.Jeśli widoczne są cząstki, spłucz części czystym izopropanolem i wymień kąpiel izopropanolową. Sonikować w cyklach 60 minut, aż nie będą widoczne żadne cząstki ani pozostałości. Po zakończeniu umieść części na zakrytej, czystej powierzchni, aby wysuszyć na co najmniej 30 minut przed montażem.Powtórz proces czyszczenia filtra ze stali nierdzewnej, nasadki źródła, tulejki i montażowych. Wytnij kawałek indu, aby maksymalnie pokryć połączenie między korpusem źródła kriogenicznego a zimnym palcem kriostatu. Następnie umieść go na źródle kriogenicznym i trzymaj równo z zimnym palcem kriostatu.Dokręć mocujące, upewniając się, że ind pozostaje płaski, aby zapewnić uszczelnienie termiczne między elementami. Nie dokręcaj zbyt mocno, ponieważ gwinty miedziane łatwo ulegają uszkodzeniu. Przykręć gwintowany filtr ze stali nierdzewnej do kołnierza źródła kriogenicznego.Umieść uszczelkę indową na kołnierzu źródła i przymocuj kołnierz źródła do korpusu źródła kriogenicznego za pomocą kołnierzowych. Następnie dokręć po przekątnej, a nie sekwencyjnie po obwodzie. Umieść skuwkę wewnątrz nasadki.Następnie użyj czystej pęsety, aby umieścić otwór wewnątrz skuwki. Dotknij nasadki, aby wyśrodkować otwór w skuwce. Upuść pierścień indu na otwór.Następnie ponownie dotknij krawędzi nasadki, aby wyśrodkować pierścień indu na otworze. Ręcznie dokręć nasadkę na kołnierzu źródła, aż zostanie wykryty minimalny opór. Ogranicz natężenie przepływu w regulatorze przepływu masowego, zwiększając wartość zadaną do 500 standardowych centymetrów sześciennych na minutę i ustawiając ciśnienie gazu na około 50 PSI manometru na regulatorze ciśnienia.Za pomocą klucza dokręcaj otwór o kilka stopni na raz, aż natężenie przepływu zacznie spadać. Sprawdź stopień nieszczelności w górnej części nasadki za pomocą wykrywacza nieszczelności o wysokiej czułości i przestań dokręcać, gdy zmierzona szybkość nieszczelności przestanie spadać. Wyłącz rampę temperatury i zmień temperaturę zadaną na znacznie niższą od teoretycznej temperatury przemiany fazowej pary ciekłej.Na początku skraplania zwiększ przepływ helu, aby dodatkowa moc chłodzenia szybko przeszła przez przemianę fazową. Gdy zbiornik stanie się w pełni upłynniony, mieszanina gazu i cieczy początkowo rozpyli się z otworu i sekwencyjnie przejdzie w ciągły strumień. Użyj cieniografii o dużym powiększeniu z pulsacyjną deluminacją poniżej nanosekundy, aby zobrazować stabilność i blaszkość strumienia.Jeśli eksperyment ma z góry określone miejsce dla próbki, przesuń źródło kriogeniczne za pomocą wieloosiowego manipulatora na kołnierzu kriostatu lub zmotoryzowanych siłowników z trzpieniem w komorze próżniowej. Zoptymalizuj parametry PID i przepływ helu, aby zapewnić stabilność temperatury lepszą niż plus lub minus 0,02 kelwina. Należy pamiętać, że ogólna stabilność strumienia silnie zależy od ciśnienia w komorze próżniowej, ciśnienia cofania gazu i temperatury.Wykresy cieni o dużym powiększeniu służą do oceny blaskości, fluktuacji pozycjonowania i długoterminowej stabilności podczas pracy strumienia. Bardzo ważne jest, aby użyć impulsowego oświetlenia sub nanosekundowego do zarejestrowania natychmiastowego obrazu dżetu, tak aby ruch dżetu nie rozmywał nierówności powierzchni ani turbulencji. Badanie fluktuacji przestrzennej strumienia wodoru o wymiarach 2 na 20 mikrometrów w funkcji odległości od apertury przeprowadzono podczas pojedynczego testu trwającego kilka godzin.Jitter pozycjonowania dla każdego punktu danych został obliczony na podstawie 49 obrazów zarejestrowanych z częstotliwością 10 herców. Pozycja dyszy została określona w stosunku do ustalonej pozycji odniesienia. Jako przykład pokazano znormalizowane histogramy pozycji dyszy na poziomie 23 milimetrów.Przedstawiono tutaj typowe obserwable systemu podczas skraplania i działania strumienia kriogenicznego deuteru o wymiarach 4 na 20 mikrometrów. Dokładne monitorowanie temperatury, przepływu, ciśnienia cofania próbki i podciśnienia pozwala operatorowi szybko zidentyfikować wszelkie nieprawidłowości i odpowiednio zareagować. W tym miejscu podsumowano typowe parametry pracy.Po określeniu optymalnych parametrów dla danego typu gazu i apertury, uzyskany strumień jest wysoce powtarzalny. Wszelkie odchylenia w aperturze wymagają ponownej optymalizacji, zaczynając od wcześniej zidentyfikowanych wartości. Postępując zgodnie z tym protokołem, należy zauważyć, że nagłe zmiany ciśnienia lub temperatury mogą szybko odparować ciekły wodór w zbiorniku.Aby zapobiec awarii systemu próżniowego, operator powinien ograniczyć przepływ gazu i odizolować wrażliwy sprzęt. System można również rozbudować o inne geometrie apertur i próbki gazów. Między innymi cięższe pierwiastki mogą być wykorzystywane do badania podstawowych procesów plazmowych, takich jak jonowe fale akustyczne lub przejście do jednej fazy materii, stanu, który powinien istnieć we wnętrzach gazowych olbrzymów i egzoplanet.Wiązki jonów o wysokiej jasności z tego układu docelowego są wykorzystywane do generowania kierunkowej wiązki neutronów o wysokim strumieniu. Technika ta utorowała drogę do nieniszczącej kontroli materiałów i może przyczynić się do badań nad nukleosyntezą w laboratorium.

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

Research

JoVE Journal

Engineering

Inżynieria

Opisano dwa eksperymentalne urządzenia do badania uderzenia strumienia cieczy w poruszającą się powierzchnię o dużej prędkości: urządzenie z armatą powietrzną i urządzenie z wirującym dyskiem. Aparatura służy do określania optymalnych podejść do stosowania płynnego modyfikatora tarcia (LFM) na torach kolejowych w celu kontroli tarcia na szczycie szyny.

Wizualizacja zaparcia strumienia cieczy o dużej prędkości na ruchomej powierzchni

Ten protokół opisuje procedurę zamrażania tkanek mięśniowych poprzez zanurzanie ich bezpośrednio w ciekłym azocie. Protokół ten podkreśla również nowy kriowial, który może uniknąć "ogólnego efektu" gazowego azotu, gdy ciekły azot styka się z powierzchnią tkanki próbki.

Kriowialny z wieloma otworami eliminuje artefakty zamarzania, gdy tkanki mięśniowe są bezpośrednio zanurzone w ciekłym azocie

Powodzenie eksperymentu z seryjną krystalografią femtosekundową z rozdzielczością czasową zależy od efektywnego dostarczania próbki. W tym miejscu opisujemy protokoły optymalizujące wytłaczanie mikrokryształów bakteriorodopsyny z wtryskiwacza do mikroekstruzji o wysokiej lepkości. Metodologia opiera się na homogenizacji próbki za pomocą nowatorskiego łącznika trójdrożnego i wizualizacji za pomocą szybkiej kamery.

Poprawa ekstruzji mikrokryształów o wysokiej lepkości w celu czasowo-rozdzielczej seryjnej krystalografii femtosekundowej w laserach rentgenowskich

W tym artykule przedstawiono protokół projektowania ładunku kosmicznego, eksperymentu kosmicznego z konwekcją termokapilarną, a także analizy danych eksperymentalnych i obrazów.

Kosmiczny eksperyment z konwekcją termokapilarną na satelicie SJ-10

Prezentowany tutaj jest protokół kriogenicznego transferu zamrożonych próbek do sondy dynamicznego rezonansu magnetycznego (NMR) dynamicznej polaryzacji jądrowej (DNP) z magicznym kątem wirowania (MAS). Protokół zawiera wskazówki dotyczące przechowywania wirnika przed eksperymentem oraz wskazówki dotyczące pomiarów żywotności przed i po eksperymencie.

Ładowanie próbki kriogenicznej do wirującego spektrometru magnetycznego rezonansu jądrowego pod magicznym kątem, który zachowuje żywotność komórek

Ten protokół jest przedstawiony w celu scharakteryzowania konfiguracji, obsługi i zastosowania COST-Jet do obróbki różnych powierzchni, takich jak ciała stałe i ciecze.

Obróbka powierzchni zimną plazmą pod ciśnieniem atmosferycznym za pomocą COST-Jet

Techniki kriogenicznej skupionej wiązki jonów (FIB) i skaningowej mikroskopii elektronowej (SEM) mogą dostarczyć kluczowych informacji na temat chemii i morfologii nienaruszonych granic faz ciało stałe-ciecz. Szczegółowo omówiono metody sporządzania wysokiej jakości map spektroskopowych takich interfejsów z dyspersją energii (EDX), ze szczególnym uwzględnieniem urządzeń do magazynowania energii.

Charakterystyka granic faz ciecz-ciało stałe w nanoskali poprzez sprzężenie kriofokusowego mielenia wiązki jonów ze skaningową mikroskopią elektronową i spektroskopią

Tutaj udostępniamy szczegółowy protokół korzystania z urządzenia do szybkiego tworzenia siatki, zarówno do szybkiego tworzenia siatki, jak i do szybkiego mieszania i zamrażania w celu przeprowadzania eksperymentów z rozdzielczością czasową.

Szybkie przygotowanie siatki do czasowo-rozdzielczej mikroskopii krioelektronowej

Protokół przedstawiony tutaj opisuje użycie Spotiton, nowatorskiego systemu robotycznego, do dostarczenia dwóch interesujących próbek na samozasłaniającą się, nanodrucianą siatkę, które mieszają się przez minimum 90 ms przed zeszkleniem w płynnym kriogenie.

Przygotowanie mikroskopowej siatki krioelektronowej do badań rozdzielczych w czasie przy użyciu nowatorskiego systemu robotycznego, Spotiton

Obecny protokół opisuje krystalizację mikroskopijnych kryształków lodu i hydratów klatratu w urządzeniach mikroprzepływowych, umożliwiając wymianę cieczy wokół utworzonych kryształów. Daje to niezrównane możliwości badania procesu krystalizacji i mechanizmów wiązania inhibitorów.

Mikroprzepływowe podejście do badania krystalizacji lodu i hydratów klatratu

Odkryj działanie kriogenicznych dysz cieczy do eksperymentów laserowo-plazmowych z wysoką powtarzalnością. Ta metoda umożliwia badania astrofizyki laboratoryjnej i akceleratorów cząstek.

Kriogeniczne dysze cieczy do odkrywania nauki o wysokiej powtarzalności

Przeglądaj więcej filmów