Name: Jatos líquidos criogênicos para ciência de descoberta de alta taxa de repetição (Vídeo) | JoVE Journal
Uploaded: 2020-05-09T14:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 34 s
Description: Aprenda a operar jatos líquidos criogênicos cilíndricos e planares para experimentos de laser-plasma de alta taxa de repetição. Este método permite aceleração de prótons e íons com aplicações em astrofísica de laboratório e ciência de materiais.

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

Este trabalho foi apoiado pelo Contrato SLAC Nº do Departamento de Energia dos EUA. DE- AC02-76SF00515 e pelo U.S. DOE Office of Science, Fusion Energy Sciences sob FWP 100182. Este trabalho também foi parcialmente apoiado pela National Science Foundation sob o Grant No. 1632708 e pelo EC H2020 LASERLAB-EUROPE/LEPP (Contract No. 654148). C.B.C. reconhece o apoio do Conselho de Pesquisa em Ciências Naturais e Engenharia do Canadá (NSERC). F.T. reconhece o apoio da Administração Nacional de Segurança Nuclear (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>

Os autores não têm nada a revelar.

A operação bem-sucedida do jato líquido criogênico requer limpeza meticulosa e monitoramento cuidadoso da estabilidade da temperatura. Uma das falhas mais frequentes e evitáveis é um bloqueio parcial ou total da abertura do tamanho de mícrons. Cobre, aço inoxidável ou índio da fonte ou partículas transportadas pelo ar podem ser introduzidos em qualquer etapa da montagem da fonte. Todos os componentes devem passar por um processo de limpeza robusto usando sonicação indireta. A montagem e o armazenamento em uma sala limpa de classe 10.000 ou superior melhoram a taxa de sucesso.
Outra etapa crítica do procedimento é estabilizar a temperatura da fonte criogênica. Os utilizadores devem assegurar que a temperatura do líquido que sai da fonte é medida independentemente do calor variável libertado pela liquefação contínua no reservatório. Isso é feito colocando o sensor de temperatura perto da abertura (por exemplo, na flange da fonte) ou longe da fonte de calor. Além disso, os parâmetros P-I-D devem ser otimizados manualmente usando o método de Ziegler-Nichols para cada combinação de temperatura e pressão de apoio. Se as flutuações de temperatura se tornarem muito grandes, oscilações periódicas podem ser observadas no jato, às vezes levando à quebra periódica. Deve-se notar que as funções de ajuste automático integradas ou filtros passa-baixa não foram bem-sucedidos em estabilizar a temperatura durante a operação do jato.
O sistema de jato líquido criogênico, embora altamente adaptável, é um desafio de implementar em instalações de grande escala com protocolos de vácuo estabelecidos. Por exemplo, estágios de bombeamento diferencial são necessários quando o equipamento a montante é sensível ao gás residual (por exemplo, laser de elétrons livres FLASH no DESY ou instrumento MeV-UED no SLAC). Além disso, câmaras de vácuo de grande diâmetro, como as de lasers multi-PW, provavelmente requerem criostatos flexíveis no vácuo. Em comparação com os criostatos convencionais de comprimento fixo, eles podem ser facilmente desacoplados das vibrações da câmara e têm um braço de alavanca mais curto. Um criostato flexível a vácuo já foi implementado com o laser Draco Petawatt na Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR). Outra observação é que a abertura pode ser danificada quando o jato é irradiado por um laser de ultra-alta intensidade muito próximo da fonte. Recentemente, uma lâmina de helicóptero mecânico (operando a 150 Hz e sincronizada com o pulso de laser) foi implementada para proteger e isolar a abertura da interação laser-plasma.
Este sistema produz jatos líquidos criogênicos cilíndricos e planares em escala de mícron, altamente ajustáveis, livres de turbulências, cilíndricos e planares. O desenvolvimento contínuo do sistema de jato líquido criogênico está focado em materiais e design de abertura avançada, melhorias no sistema de vácuo e captador e mistura avançada de isótopos de hidrogênio. Este sistema permitirá uma transição para a ciência de alta densidade de energia e taxa de repetição e abrirá caminho para o desenvolvimento de aceleradores de partículas de próxima geração.

O objetivo deste método é produzir um fluxo de líquido criogênico de alta velocidade composto por elementos puros ou compostos químicos. Como os líquidos criogênicos evaporam à temperatura e pressão ambiente, amostras residuais da operação em altas taxas de repetição (por exemplo, 1 kHz) podem ser totalmente evacuadas da câmara de vácuo1. Com base no trabalho inicial de Grisenti et al.2, este sistema foi desenvolvido pela primeira vez usando hidrogênio criogênico para aceleração de prótons a laser de alta intensidade3. Posteriormente, foi estendido a outros gases e utilizado em uma série de experimentos, incluindo: aceleração iônica4,5, respondendo a questões da física de plasmas, como instabilidades de plasma6, cristalização rápida e transições de fase em hidrogênio7 e deutério, e espalhamento inelástico de raios X meV8 para resolver ondas acústicas em argônio no instrumento Matter in Extreme Conditions (MEC) no Linac Coherent Light Source (LCLS)9.
Até agora, outros métodos alternativos foram desenvolvidos para gerar amostras criogênicas sólidas de hidrogênio e deutério de alta taxa de repetição. desenvolveram um método no qual o hidrogênio é liquefeito e solidificado em um reservatório e extrudado através de uma abertura10. Devido à alta pressão necessária para a extrusão, a espessura mínima da amostra demonstrada (até o momento) é de 62 μm11. Este sistema também exibe grande jitter espacial12. Mais recentemente, Polz e colaboradores produziram um jato de hidrogênio criogênico através de um bico capilar de vidro usando uma pressão de suporte de gás de amostra de 435 psig (libras por polegada quadrada, calibre). O jato cilíndrico resultante de 10 μm é contínuo, mas parece altamente ondulado13.
Apresentamos aqui um método que produz jatos cilíndricos (diâmetro = 5-10 μm) e planares com várias razões de aspecto (1-7 μm x 10-40 μm). O jitter apontador aumenta linearmente em função da distância da abertura5. As propriedades dos fluidos e a equação de estado ditam os elementos e compostos químicos que podem ser operados neste sistema. Por exemplo, o metano não pode formar um jato contínuo devido ao rompimento de Rayleigh, mas pode ser usado como gotículas14. Além disso, as condições ótimas de pressão e temperatura variam significativamente entre as dimensões da abertura. Os parágrafos seguintes fornecem a teoria necessária para produzir jatos de hidrogênio criogênicos laminares e livres de turbulência. Isso pode ser estendido a outros gases.
O sistema de jato criogênico consiste em três subsistemas principais: (1) fornecimento de gás de amostra, (2) vácuo e (3) criostato e fonte criogênica. O sistema descrito na Figura 1 foi projetado para ser altamente adaptável para instalação em diferentes câmaras de vácuo.
O sistema de entrega de gás é composto por um cilindro de gás comprimido de altíssima pureza, regulador de gás e controlador de fluxo de massa. A pressão de apoio do gás de amostra é definida pelo regulador de gás, enquanto o controlador de fluxo de massa é usado para medir e restringir o fluxo de gás entregue ao sistema. O gás da amostra é primeiro filtrado em uma armadilha fria de nitrogênio líquido para congelar gases contaminantes e vapor de água. Um segundo filtro de partículas em linha impede que os detritos entrem no segmento final da linha de gás.
As bombas turbomoleculares apoiadas por bombas scroll de alta velocidade de bombeamento mantêm condições de alto vácuo na câmara de amostras. As pressões de vácuo da câmara e da linha dianteira são monitoradas usando manômetros de vácuo V1 e V2, respectivamente. Deve-se notar que a operação do jato criogênico introduz uma carga substancial de gás (proporcional ao fluxo total da amostra) no sistema de vácuo quando o líquido vaporiza.
Um método comprovado para reduzir a carga de gás é capturar o líquido residual antes que a vaporização em massa possa ocorrer. O sistema de captação a jato consiste em uma linha de vácuo independente terminada por uma abertura de bombeamento diferencial de ø800 μm localizada a até 20 mm da tampa da fonte criogênica. A linha é evacuada com uma bomba que exibe eficiência ideal na faixa de 1 x 10-2 mBar (ou seja, uma bomba de vácuo de soprador de raízes ou bomba turbomolecular híbrida) e é monitorada por um medidor de vácuo V3. Mais recentemente, o coletor permitiu que jatos criogênicos de hidrogênio de até 7 μm x 13 μm fossem operados com duas ordens de magnitude de melhoria na pressão da câmara de vácuo.
Um criostato de hélio líquido de fluxo contínuo de comprimento fixo é usado para resfriar a fonte a temperaturas criogênicas. O hélio líquido é extraído de um dewar de suprimento usando uma linha de transferência. O fluxo de retorno é conectado a um painel de medidor de vazão ajustável para regular a potência de resfriamento. A temperatura do dedo frio e da fonte criogênica é medida com quatro sensores de temperatura de diodo de silício chumbo. Um controlador de temperatura proporcional-integral-derivada (P-I-D) fornece tensão variável a um aquecedor instalado perto do dedo frio para ajustar e estabilizar a temperatura. O gás da amostra entra na câmara de vácuo através de uma alimentação personalizada na flange de criostato. Dentro da câmara, a linha de gás envolve o criostato para pré-resfriar o gás antes de se conectar a uma linha de gás fixa no conjunto da fonte criogênica. Parafusos de aço inoxidável e uma camada de índio de 51 μm de espessura selam termicamente a fonte criogênica ao dedo frio.
A fonte criogênica (Figura 2) consiste de seis componentes principais: uma (1) linha de gás da amostra, (2) corpo da fonte, (3) flange da fonte com filtro de partículas em linha, (4) abertura, (5) virola e (6) tampa. O corpo fonte contém um vazio, que atua como reservatório de amostra. Um filtro de aço inoxidável Swagelok roscado sinterizado de 0,5 μm impede que quaisquer detritos ou contaminantes solidificados entrem no canal líquido e obstruam a abertura. Um anel de índio mais espesso de 76 μm de espessura é colocado entre a abertura e o canal líquido para aumentar o comprimento da deformação e selar a abertura de forma confiável. Quando a tampa é rosqueada na flange de origem, o índio é comprimido para formar um selo líquido e térmico. A virola e a tampa da fonte centralizam a abertura durante a instalação.
Há uma série de considerações gerais no projeto inicial de um sistema para jatos líquidos criogênicos operados no regime laminar contínuo. Os usuários devem estimar o poder de resfriamento total do criostato, as propriedades térmicas do projeto da fonte criogênica, o desempenho do sistema de vácuo e a temperatura e pressão do líquido. Segue abaixo o referencial teórico necessário.
Considerações sobre a potência de resfriamento
1) Hidrogênio liquefeito15: o poder de resfriamento mínimo necessário para liquefazer hidrogênio de 300 K a uma temperatura <img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq2v2.jpg" style="font-size: 14px;"> pode ser estimado aproximadamente usando a seguinte equação: <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq1v3.jpg">
Onde: <img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq3v2.jpg"> é o calor específico à pressão constante, e <img alt="Equation 5" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq5v2.jpg"> o calor latente de vaporização de H2 à temperatura <img alt="Equation 6" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq6v2.jpg">de liquefação dependente da pressão<img alt="Equation 4" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq4v2.jpg">. Por exemplo, um jato de hidrogênio criogênico operado a uma pressão de gás de 60 psig e resfriado até 17 K requer um mínimo de 4013 kJ/kg. Com um fluxo de gás hidrogênio de 150 sccm (centímetros cúbicos padrão por segundo), isso corresponde a um calor de <img alt="Equation 7" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq7v2.jpg"> 0,9 W.
Deve-se notar que o processo de liquefação contribui com apenas um décimo da potência total de resfriamento necessária. Para reduzir a carga térmica no criostato, o gás pode ser pré-resfriado a uma temperatura intermediária antes de entrar no corpo da fonte.
2) Calor radiativo: para manter a fonte criogênica em uma temperatura <img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq2v2.jpg">, o criostato precisa compensar o aquecimento radiativo. Isso pode ser estimado equilibrando a diferença de radiação de corpo negro emitida e absorvida usando a seguinte equação: <img alt="Equation 8" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq8v2.jpg">
Onde: A é a área do corpo da fonte, <img alt="Equation 9" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq9v2.jpg"> é a constante de Stefan-Boltzmann e <img alt="Equation 10" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq10v2.jpg"> é a temperatura da câmara de vácuo. Por exemplo, uma fonte de jato típica de A = 50 cm 2 resfriada até 17 K requer uma potência mínima de resfriamento de2,3 W. <img alt="Equation 10" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq10v2.jpg"> pode ser diminuída localmente pela adição de um escudo de radiação ativamente resfriado cobrindo uma parte substancial da fonte criogênica.
3) Condução de gás residual: embora a radiação térmica seja dominante em condições de ultra-alto vácuo, a contribuição devida à condução no gás residual torna-se não desprezível durante a operação do jato. O jato líquido introduz uma carga substancial de gás na câmara, resultando em um aumento na pressão de vácuo. A perda líquida de calor resultante da condução térmica do gás a uma pressão p é calculada utilizando a seguinte equação: <img alt="Equation 11" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq11v2.jpg">
Onde: <img alt="Equation 12" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq12v2.jpg"> é um coeficiente dependente da espécie gasosa (~3,85 x 10-2 W/cm 2/K/mBar para H2), e é o coeficiente de acomodação que depende da espécie gasosa, geometria da fonte e temperatura da fonte e <img alt="Equation 13" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq13v2.jpg"> do gás16,17. Ao operar um jato de hidrogênio criogênico a 17 K, assumindo uma geometria cilíndrica da fonte e que o hidrogênio é o principal gás presente na câmara de vácuo, a condução do gás gera calor que pode ser estimado usando a seguinte equação: <img alt="Equation 14" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq14v2.jpg">
Por exemplo, a condução de gás a uma pressão de vácuo de 4,2 x 10-3 mBar gera tanto calor quanto radiação térmica. Portanto, a pressão de vácuo é geralmente mantida abaixo de 1 x 10-3 mBar durante a operação do jato, adicionando uma carga térmica de ~0,55 W ao sistema (A = 50 cm2).
A carga de gás introduzida na câmara durante a operação é obtida pelo fluxo do jato criogênico. A pressão de vácuo resultante é então determinada pela velocidade de bombeamento efetiva do sistema de vácuo e pelo volume da câmara de vácuo.
Para operar o jato criogênico, o criostato tem que gerar energia de resfriamento suficiente para compensar as diferentes fontes de calor acima (por exemplo, 3,75 W), não incluindo as perdas de calor do próprio sistema de criostato. Note que a eficiência do criostato também depende fortemente da temperatura desejada do dedo frio.
Estimando parâmetros do jato
Para estabelecer o fluxo laminar contínuo, várias condições devem ser satisfeitas. Por brevidade, o caso de um fluxo de líquido cilíndrico é mostrado aqui. A formação de jatos planares envolve forças adicionais, resultando em uma derivação mais complexa que foge ao escopo deste artigo18.
1) Relação pressão-velocidade: para escoamentos de líquidos incompressíveis, a conservação de energia produz a equação de Bernoulli, da seguinte forma: <img alt="Equation 15" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq15v2.jpg">
Onde: <img alt="Equation 16" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq16v2.jpg"> é a densidade atômica do fluido, é a velocidade do fluido, <img alt="Equation 17" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq17v2.jpg"> <img alt="Equation 18" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq18v2.jpg"> é a energia potencial gravitacional e p é a pressão. Aplicando a equação de Bernoulli através da abertura, a relação funcional entre a velocidade do jato e a pressão de apoio da amostra pode ser estimada usando a seguinte equação: <img alt="Equation 19" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq19v2.jpg">
2) Regime de operação do jato: o regime de um jato líquido cilíndrico pode ser inferido usando os números de Reynolds e Ohnesorge. O número de Reynolds, definido como a razão entre as forças inerciais e viscosas dentro do fluido, é calculado usando a seguinte equação: <img alt="Equation 20" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq20v2.jpg">
Onde: <img alt="Equation 16" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq16v2.jpg">, , , e são a densidade, velocidade, diâmetro e viscosidade dinâmica do fluido, <img alt="Equation 17" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq17v2.jpg"><img alt="Equation 21" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq21v2.jpg"><img alt="Equation 22" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq22v2.jpg"> respectivamente. O fluxo laminar ocorre quando o número de Reynolds é menor que ~2.000. Da mesma forma, o número de Weber compara a magnitude relativa da inércia com a tensão superficial e é calculado usando a seguinte equação: <img alt="Equation 23" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq23v2.jpg">
Onde: σ é a tensão superficial do líquido. O número de Ohnesorge é então calculado da seguinte forma: <img alt="Equation 24" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq24v2.jpg">
Essa grandeza independente da velocidade é usada em combinação com o número de Reynolds para identificar os quatro regimes de jato líquido: (1) Rayleigh, (2) primeiro induzido pelo vento, (3) segundo induzido pelo vento e (4) atomização. Para o fluxo de líquido criogênico livre de turbulência laminar, os parâmetros devem ser selecionados para operar dentro do regime de Rayleigh19 (i.e., <img alt="Equation 25" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq25v2.jpg">). Nesse regime, a coluna fluida permanecerá contínua com superfície lisa até o chamado comprimento intacto, estimado da seguinteforma20: <img alt="Equation 26" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq26v2.jpg">
Os diferentes parâmetros de fluido para um jato de hidrogênio cilíndrico cilíndrico de 5 μm de diâmetro operado a 60 psig e 17 K estão resumidos na Figura 3. Para manter um jato contínuo por distâncias maiores, o líquido deve ser resfriado suficientemente próximo à transição de fase líquido-sólido (Figura 4) para que o resfriamento evaporativo, que ocorre quando o jato se propaga no vácuo, solidifique o jato antes do início da ruptura de Rayleigh 3,21.

<table><tbody><tr><td>Avental criogênico</td><td>Tempshield</td><td>Avental criogênico</td><td>Proteção do corpo do núcleo contra líquidos criogênicos</td></tr><tr><td>Protetor facial criogênico</td><td>3M</td><td>82783-00000</td><td>ANSI Z87.1 classificado para proteção facial completa contra líquidos criogênicos</td></tr><tr><td>Luvas criogênicas</td><td>Tempshield</td><td>Luvas criogênicas MA</td><td>Proteção das mãos contra líquidos criogênicos</td></tr><tr><td>Componentes de fonte criogênica</td><td>SLAC National Accelerator Os</td> componentes <td>personalizados</td><td>de laboratório são feitos de cobre livre de oxigênio (OFC) para maximizar a condutividade térmica em temperaturas criogênicas.</td></tr><tr><td>Criostato e linha de transferência</td><td>Advanced Research Systems</td><td>LT-3B</td><td>Disponível em comprimentos personalizados de até 1250 mm para compatibilidade com vasos de vácuo existentes. O comprimento e o estilo da linha de transferência podem ser selecionados com base nas restrições de espaço do sistema ou do laboratório.</td></tr><tr><td>Aberturas cilíndricas</td><td>SPI Supplies</td><td>P2005-AB</td><td>As aberturas cilíndricas comerciais podem ser adquiridas individualmente</td></tr><tr><td>Isopropanol de grau eletrônico</td><td>Sigma Aldrich</td><td>733458-4L</td><td>99,999%, partículas mínimas/traços de metais, seca sem resíduos</td></tr><tr><td>Regulador de gás inflamável</td><td>Matheson</td><td>M3816A-350</td><td>Controle de pressão do gás de amostra (por exemplo, hidrogênio, deutério)</td></tr><tr><td>Índio</td><td>Indium Corporation</td><td>Custom</td><td>99.99%, 50-75&micro; m de espessura, para vedações térmicas e líquidas em fonte criogênica</td></tr><tr><td>Sistema coletor de jato</td><td>SLAC National Accelerator Laboratory</td><td>Custom</td><td>Consiste em skimmer, hardware de vácuo e passagens, medidor de vácuo, bomba de vácuo de raízes</td></tr><tr><td>Acetona de grau laboratorial</td><td>Sigma Aldrich</td><td>179973-4L</td><td>Usado para remover graxa e fotorresistente dos componentes. Pureza e grau não críticos, pois a limpeza final usará isopropanol de grau eletrônico</td></tr><tr><td>Detector de vazamento</td><td>Matheson</td><td>SEQ8067</td><td>Para garantir que as aberturas do jato tenham vedado antes de bombear</td></tr><tr><td>hélio líquido</td><td>Airgas</td><td>HE 100LT</td><td>Dewar de carregamento superior, o consumo depende do criostato, das dimensões da fonte e do fluxo total de gás. Normalmente 3-5 L/h.</td></tr><tr><td>Nitrogênio líquido</td><td>Airgas</td><td>NI 160LT22</td><td>Volume total da armadilha fria 4 L, consumo de aproximadamente 2L/h durante a operação do jato</td></tr><tr><td>Frasco LN dewar (4 L)</td><td>ThermoFisher Scientific</td><td>4150-4000</td> Para a mangueira de transferência de LN de <td>armadilha fria de nitrogênio líquido</td></tr><tr><td></td><td>Série Cryofab</td><td>CFUL Mangueira</td><td>criogênica não isolada com um separador de fase para transferir LN do dewar de armazenamento para o frasco de dewar LN para a armadilha</td></tr> <tr><td>friaManipulador manual XY</td><td>Pfeiffer Vacuum</td><td>420MXY100-25</td><td>Ajuste de curso (+/- 12,5 mm) da fonte criogênica.&nbsp;</td></tr><tr><td>Manipulador manual Z</td><td>McAllister Technical Services</td><td>ZA12</td><td>Ajuste do curso do comprimento do criostato para intercambialidade em diferentes recipientes de vácuo. Além disso, retraindo a fonte criogênica do ponto de interação.</td></tr><tr><td>Controlador de fluxo de massa</td><td>MKS Instruments</td><td>P9B, GM50A</td><td>Para controlar e monitorar o fluxo de gás</td></tr><tr><td>Aberturas planas</td><td>Norcada</td><td>Custom</td><td>Nanofabricação personalizada de aberturas planas</td></tr><tr><td>Atuadores de posicionamento</td><td>Newport</td><td>LTAHLPPV6, 8303-V</td><td>Alta precisão (< 2&micro; m), posicionamento do jato motorizado</td></tr><tr><td>Estágio de rotação</td><td>Serviços Técnicos McAllister</td><td>DPRF600</td><td>Alinhamento preciso da orientação do jato</td></tr><tr><td>Óculos de segurança</td><td>3M</td><td>S1101SGAF</td><td>ANSI Z87.1 classificados para trabalhar com gases comprimidos</td></tr></tbody></table>

jatos líquidos criogênicos para ciência de descoberta de alta taxa de repetição

Cryogenic Liquid Jets for High Repetition Rate Discovery Science

Este protocolo apresenta um procedimento detalhado para a operação de jatos líquidos cilíndricos e planares criogênicos contínuos, de tamanho micron. Quando operado como descrito aqui, o jato exibe alta laminaridade e estabilidade por centímetros. A operação bem-sucedida de um jato líquido criogênico no regime de Rayleigh requer uma compreensão básica da dinâmica dos fluidos e da termodinâmica em temperaturas criogênicas. Cálculos teóricos e valores empíricos típicos são fornecidos como um guia para projetar um sistema comparável. Este relatório identifica a importância da limpeza durante a montagem da fonte criogênica e da estabilidade da temperatura da fonte criogênica uma vez liquefeito. O sistema pode ser usado para aceleração de prótons impulsionada por laser de alta taxa de repetição, com uma aplicação prevista na terapia de prótons. Outras aplicações incluem astrofísica de laboratório, ciência dos materiais e aceleradores de partículas de próxima geração.

Seguindo a etapa 5.4, shadowgraphs de alta ampliação são usados para avaliar a laminaridade, o jitter de posicionamento e a estabilidade a longo prazo durante a operação do jato. É fundamental usar iluminação pulsada de subnanossegundos para registrar uma imagem instantânea do jato para que o movimento do jato (~0,1 μm/ns para H2) não desfoque irregularidades ou turbulências da superfície. Imagens de amostra de jatos 2 x 20 μm 2 H 2, 4 x 12 μm 2 H 2 e 4 x 20 μm 2 D 2 são mostradas na Figura 5.
Um sistema adicional de imagem de alta ampliação é usado para posicionar precisamente o jato líquido criogênico no espaço. Para simplificar, os sistemas de imagem são projetados para fornecer vistas frontais e laterais do jato. É particularmente importante avaliar a estabilidade do jato e determinar a orientação dos jatos planares. Um estudo do jitter espacial de um 2 x 20 μm 2 H2 em função da distância da abertura, realizado durante um único teste durante várias horas, é mostrado na Figura 6. O jitter de posicionamento de 1σ para cada ponto da Figura 6A foi calculado a partir de 49 imagens registradas em 10 Hz. Aqui, a posição do jato foi determinada em relação a uma posição de referência fixa. A Figura 6B mostra como exemplo os histogramas normalizados da posição do jato a 23 mm. Um estudo mais detalhado pode ser encontrado em Obst et al.5. Em média, o jitter espacial aumenta linearmente longe do bico.
Os observáveis típicos do sistema durante a liquefação e operação a jato (de acordo com a seção 5) de um jato criogênico de deutério de 4 x 20 μm2 são mostrados na Figura 7. O monitoramento cuidadoso da temperatura, vazão, pressão de apoio da amostra e pressões de vácuo permite que o operador identifique rapidamente quaisquer irregularidades e reaja de acordo. Por exemplo, se o jato sair do coletor, indicado por uma caixa tracejada, a câmara de vácuo e a pressão da linha anterior aumentam significativamente. A potência de resfriamento adicional é então necessária para manter a temperatura do setpoint.
Uma vez estabilizados, todos os observáveis devem ser constantes com oscilações mínimas. Qualquer deriva de longo prazo é indicativa de um problema (por exemplo, vazamentos, contaminação por gás, diminuição no desempenho do sistema de vácuo, posicionamento de deriva no coletor). A escolha da abertura dita fortemente os parâmetros operacionais do jato no regime de Rayleigh. Uma vez identificados os parâmetros ótimos para um determinado tipo de gás e abertura, o jato resultante é altamente reprodutível; no entanto, quaisquer pequenos desvios na abertura requerem reotimização a partir dos valores previamente identificados. Os parâmetros típicos da operação estão resumidos na Tabela 1.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61130/61130fig1.jpg"> Figura 1: Diagrama P&amp;ID de uma plataforma de liberação de jato líquido criogênico típica. Os subsistemas de gás, vácuo e criogênico da amostra são descritos. As pressões da câmara de vácuo, da linha dianteira da bomba turbomolecular e da linha dianteira do captador a jato são monitoradas com os medidores de vácuo V1, V2 e V3, respectivamente. A temperatura do criostato é regulada ativamente usando um controlador de temperatura P-I-D. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61130/61130fig1large.jpg" target="_blank">Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61130/61130fig2.jpg"> Figura 2: Desenho tridimensional da montagem da fonte criogênica. As vedações de índio são instaladas entre o dedo frio e o corpo da fonte, o corpo e a flange da fonte, e a flange e a abertura da fonte. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61130/61130fig2large.jpg" target="_blank">Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61130/61130fig3.jpg"> Figura 3: Resumo dos parâmetros de fluidodinâmica. Os parâmetros são fornecidos, assumindo um jato de hidrogênio cilíndrico cilíndrico de ø5 μm operado a 60 psig e 17 K. Os valores de densidade, viscosidade e tensão superficial são do NIST. 15. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61130/61130fig3large.jpg" target="_blank">Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61130/61130fig4.jpg"> Figura 4: Equação de estado do hidrogênio em temperaturas criogênicas15. Os pontos críticos e triplos são indicados por círculos preenchidos em azul e laranja, respectivamente. A operação do jato segue uma isóbar através da transição de fase gás-líquido. O jato se solidifica via resfriamento evaporativo na câmara de vácuo. A caixa cinza indica a faixa de pressões de suporte (40-90 psia) e temperaturas (17-20 K) que são escaneadas para otimizar a estabilidade de um jato de hidrogênio cilíndrico cilíndrico de ø5 μm. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61130/61130fig4large.jpg" target="_blank">Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a> 
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61130/61130fig5.jpg"> Figura 5: Shadowgraphs representativos de aumento de 20x de jatos líquidos criogênicos laminares sem turbulênciausando um laser de comprimento de onda de 10 ps/1057 nm. (A) Abertura = 2 x 20 μm 2, gás = H2, T = 15,8 K, P = 188 psig. (B) Abertura = 4 x 12 μm 2, gás = H 2, T = 17,2 K, P = 80 psig. (C) Abertura = 4 x 20 μm 2, gás: D2, T = 20 K, P = 141 psig. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61130/61130fig5large.jpg" target="_blank">Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a> 
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61130/61130fig6.jpg"> Figura 6: Estabilidade da posição do jato para jato de hidrogênio criogênico de 2 x 20 μm2 . Os parâmetros são 18 K, 60 psig e Re <img alt="Equation 27" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq27v2.jpg" style="font-size: 14px;"> 1887. (A) Posicionamento do jitter em função da distância da abertura. O jitter longitudinal (lateral) corresponde ao movimento paralelo ao eixo curto (longo) da folha retangular. (B ) Histograma normalizado da posição do jato para determinar o jitter lateral (σ = 5,5 μm) e longitudinal (σ = 8,5 μm) a 23 mm do bocal. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61130/61130fig6large.jpg" target="_blank">Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a>
<img alt="Figure 7" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61130/61130fig7.jpg"> Figura 7: Fluxo e pressões representativos durante a operação do jato criogênico. (A) Esquerda: fluxo de gás da amostra, direita: pressão de retorno do gás da amostra em função do tempo. Gráfico semi-log da pressão da câmara de vácuo (V1; B), pressão de linha dianteira da bomba turbomolecular (V2; C) e pressão do captador a jato (V3; D) como funções do tempo. Números circulares identificam mudanças no sistema observadas durante a seção 5 do protocolo. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61130/61130fig7large.jpg" target="_blank">Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a> 
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always"><tbody><tr><td>Amostra de gás</td>
			<td>Abertura</td>
			<td>Temperatura (K)</td>
			<td>Pressão (psig)</td>
			<td>Vazão (sccm)</td>
		</tr><tr><td>Hidrogénio</td>
			<td>Ø5 μm cilíndrico</td>
			<td>17</td>
			<td>60</td>
			<td>150</td>
		</tr><tr><td>50% Hidrogênio, 50% Deutério</td>
			<td>Ø5 μm cilíndrico</td>
			<td>20</td>
			<td>30, 30</td>
			<td>130</td>
		</tr><tr><td>Deutério</td>
			<td>Ø5 μm cilíndrico</td>
			<td>22</td>
			<td>75</td>
			<td>80</td>
		</tr><tr><td>Hidrogénio</td>
			<td>1 μm x 20 μm planar</td>
			<td>18</td>
			<td>182</td>
			<td>150</td>
		</tr><tr><td>Hidrogénio</td>
			<td>2 μm x 20 μm planar</td>
			<td>18</td>
			<td>218</td>
			<td>236</td>
		</tr><tr><td>Hidrogénio</td>
			<td>4 μm x 20 μm planar</td>
			<td>17.5</td>
			<td>140</td>
			<td>414</td>
		</tr><tr><td>Deutério</td>
			<td>4 μm x 20 μm planar</td>
			<td>20.5</td>
			<td>117</td>
			<td>267</td>
		</tr><tr><td>Argônio</td>
			<td>Ø5 μm cilíndrico</td>
			<td>90</td>
			<td>50</td>
			<td>18.5</td>
		</tr><tr><td>Metano</td>
			<td>Ø5 μm cilíndrico</td>
			<td>100</td>
			<td>75</td>
			<td>46</td>
		</tr></tbody></table>Tabela 1: Condições de operação do jato de amostra.

Este protocolo apresenta o funcionamento e os princípios dos jatos de líquido criogênicos cilíndricos e planares em escala de mícrons. Até o momento, esse sistema tem sido usado como alvo de alta taxa de repetição em experimentos com laser-plasma. As aplicações interdisciplinares previstas vão desde astrofísica de laboratório até ciência de materiais e, eventualmente, aceleradores de partículas de próxima geração.

Jatos líquidos criogênicos para ciência de descoberta de alta taxa de repetição

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

O sistema descrito neste protocolo levou a resultados de alto impacto na aceleração do feixe de prótons e íons. Aplicações futuras deste sistema explorarão astrofísica laboratorial, ciência dos materiais e a próxima geração de aceleradores de partículas, levando a potências de pico da ordem de gigawatts O laser de alta taxa de repetição criou a necessidade de um alvo contínuo. O alvo de hidrogênio, em particular, tem propriedades atraentes para a aceleração de íons do laser, levando a feixes de prótons puros e energéticos.Christopher Schoenwaelder, um estudante de doutorado do meu laboratório, demonstrará no procedimento Toda a preparação e montagem dos componentes da fonte criogênica devem ser realizadas em um ambiente limpo, com as roupas apropriadas para salas limpas. Comece usando a limpeza ultrassônica indireta para remover contaminantes dos componentes da fonte criogênica. Encha um sonicador com água destilada e adicione um surfactante para reduzir a tensão superficial.Coloque as peças da fonte criogênica em copos de vidro individuais, mergulhe-os totalmente em isopropanol de grau eletrônico e cubra frouxamente os copos com papel alumínio para reduzir a evaporação e evitar contaminação. Coloque os copos no cesto de limpeza ou em um suporte de copo no sonicador, certificando-se de que não toquem na parte inferior do sonicador. Ative o sonicador por 60 minutos e, em seguida, inspecione o isopropanol usando uma luz branca brilhante para partículas ou resíduos em suspensão.Se houver partículas visíveis, enxágue as peças com isopropanol limpo e substitua o banho de isopropanol. Sonicar em ciclos de 60 minutos até que não sejam visíveis partículas ou resíduos. Quando terminar, coloque as peças em uma superfície coberta e limpa para dessecar por no mínimo 30 minutos antes da montagem.Repita o processo de limpeza do filtro de aço inoxidável, tampa da fonte, ponteira e parafusos de montagem. Corte um pedaço de índio para cobrir ao máximo a junção entre o corpo da fonte criogênica e o dedo frio do criostato. Em seguida, coloque-o na fonte criogênica e segure-o nivelado com o dedo frio do criostato.Aperte os parafusos de retenção, garantindo que o índio permaneça plano para estabelecer uma vedação térmica entre os componentes. Não aperte demais, pois as roscas de cobre são facilmente danificadas. Aparafuse o filtro de aço inoxidável rosqueado no flange da fonte criogênica.Coloque uma junta de índio no flange de origem e prenda o flange de origem ao corpo da fonte criogênica usando os parafusos do flange. Em seguida, aperte os parafusos diagonalmente em vez de sequencialmente ao redor da circunferência. Coloque a ponteira dentro da tampa.Em seguida, use uma pinça limpa para colocar a abertura dentro da ponteira. Toque na tampa para centralizar a abertura na ponteira. Solte um anel de índio em cima da abertura.Em seguida, toque na borda da tampa novamente para centralizar o anel de índio na abertura. Aperte manualmente a tampa no flange de origem até que seja detectada uma resistência mínima. Remova a taxa de fluxo no controlador de fluxo de massa aumentando o ponto de ajuste para 500 centímetros cúbicos padrão por minuto e ajustando a pressão do gás para aproximadamente 50 PSI no regulador de pressão.Use uma chave inglesa para apertar a abertura alguns graus de cada vez até que a taxa de fluxo comece a diminuir. Verifique a taxa de vazamento na parte superior da tampa com o detector de vazamento de alta sensibilidade e pare de apertar quando a taxa de vazamento medida parar de diminuir. Desative a rampa de temperatura e altere a temperatura do ponto de ajuste para bem abaixo da temperatura teórica de transição da fase líquida do vapor.No início da liquefação, aumente o fluxo de hélio para que a potência de resfriamento adicional passe rapidamente pela transição de fase. À medida que o reservatório se torna totalmente liquefeito, uma mistura de gás e líquido irá inicialmente pulverizar a partir da abertura e fazer a transição sequencialmente para um jato contínuo. Use sombreamento de alta ampliação com deluminação pulsada em subnanossegundos para visualizar a estabilidade e laminaridade do jato.Se o experimento tiver um local predeterminado para a amostra, traduza a fonte criogênica usando um manipulador multieixo no flange do criostato ou atuadores de pino de pressão motorizados na câmara de vácuo. Otimize os parâmetros PID e o fluxo de hélio para garantir que a estabilidade da temperatura seja melhor do que mais ou menos 0,02 Kelvin. Observe que a estabilidade geral do jato depende fortemente da pressão da câmara de vácuo, da pressão de apoio do gás e da temperatura.Shadowgraphs de alta ampliação são usados para avaliar a laminaridade, o jitter de posicionamento e a estabilidade de longo prazo durante a operação do jato. É fundamental usar a iluminação pulsada de subnanossegundos para registrar uma imagem instantânea do jato para que o movimento do jato não borre as irregularidades ou turbulências da superfície. Um estudo do jitter espacial de um jato de hidrogênio de 2 por 20 micrômetros em função da distância da abertura foi realizado durante um único teste durante várias horas.O jitter de posicionamento para cada ponto de dados foi calculado a partir de 49 imagens gravadas a 10 hertz. A posição do jato foi determinada em relação a uma posição de referência fixa. Os histogramas normalizados da posição do jato em 23 milímetros são mostrados como exemplo.Observáveis típicos do sistema durante a liquefação e operação a jato de um jato de deutério criogênico de 4 por 20 micrômetros são mostrados aqui. O monitoramento cuidadoso da temperatura, vazão, pressão de apoio da amostra e pressões de vácuo permite que o operador identifique rapidamente quaisquer irregularidades e reaja de acordo. Os parâmetros típicos de operação são resumidos aqui.Uma vez que os parâmetros ideais são identificados para um determinado tipo de gás e abertura, o jato resultante é altamente reprodutível. Quaisquer desvios na abertura requerem reotimização a partir dos valores identificados anteriormente. Ao seguir este protocolo, é importante notar que mudanças bruscas de pressão ou temperatura podem vaporizar rapidamente o hidrogênio líquido no reservatório.Para evitar falhas no sistema de vácuo, o operador deve restringir o fluxo de gás e isolar o hardware sensível. O sistema também pode ser estendido para outras geometrias de abertura e gases de amostra. Entre outras coisas, elementos mais pesados podem ser usados para estudar processos fundamentais do plasma, como ondas acústicas de íons ou a transição para uma fase da matéria, um estado que se espera que exista no interior de gigantes gasosos e exoplanetas.Feixes de íons de alto brilho deste sistema alvo são usados para gerar um feixe de nêutrons direcional de alto fluxo. Essa técnica abriu caminho para a inspeção não destrutiva de materiais e pode contribuir para estudos de nucleossíntese em laboratório.

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

Research

JoVE Journal

Engineering

Engenharia

Dois dispositivos experimentais para examinar o impacto do jato de líquido em uma superfície móvel de alta velocidade são descritos: um dispositivo de canhão de ar e um dispositivo de disco giratório. Os aparelhos são usados para determinar as abordagens ideais para a aplicação do modificador de atrito líquido (LFM) em trilhos para controle de atrito no topo do trilho.

Visualização de alta velocidade líquido Jet impactação sobre uma superfície móvel

Este protocolo descreve um processo para congelar os tecidos musculares, mergulhando-os directamente em azoto líquido. Este protocolo também realça um novo frasco de congelação que pode evitar o "efeito manta" de gás de azoto quando os contactos de azoto líquido da superfície do tecido de um espécime.

Um multi-furo criotubo Elimina congelação Artifacts quando tecidos musculares são directamente Imerso em azoto líquido

O sucesso de um experimento de cristalografia de tempo-resolvido serial femtosecond é dependente da entrega de amostra eficiente. Aqui, descrevemos os protocolos para otimizar a extrusão de Bacteriorrodopsina microcristais de um injector de microextrusão de alta viscosidade. A metodologia baseia-se na homogeneização da amostra com um romance acoplador de três vias e visualização com uma câmera de alta velocidade.

Melhorando a extrusão de alta viscosidade de microcristais de tempo-resolvido Serial Femtosecond cristalografia em Lasers de raio-x

Neste artigo são apresentados um protocolo para o projeto de carga espacial, o experimento espacial em convecção termocapilar e análises de dados e imagens experimentais.

Experimento espacial de convecção termocapilar no satélite recuperável SJ-10

Apresentado aqui é um protocolo para transferência criogênica de amostras congeladas para a dinâmica polarização nuclear (DNP) sonda de ressonância magnética nuclear (MAS). O protocolo inclui instruções para armazenamento de rotores antes do experimento e direções para medições de viabilidade antes e depois do experimento.

Amostra criogênica carregando em um espectrômetro de ressonância magnética nuclear de ângulo mágico que preserva a viabilidade celular

Este protocolo é apresentado para caracterizar a configuração, manuseio e aplicação do COST-Jet para o tratamento de diversas superfícies, como sólidos e líquidos.

Tratando superfícies com um plasma de pressão atmosférica fria usando o CUSTO-Jet

As técnicas de Feixe de Íons Focados Criogênicos (FIB) e Microscopia eletrônica de varredura (SEM) podem fornecer insights-chave sobre a química e a morfologia de interfaces de líquido sólido intacto. Os métodos para preparar mapas espectroscópicos de raios-X dispersivos de alta qualidade (EDX) de tais interfaces são detalhados, com foco em dispositivos de armazenamento de energia.

Caracterização em nanoescala de interfaces líquidas sólidas acoplando fresagem de feixe de íons focada em crio-focal com microscopia eletrônica de varredura e espectroscopia

Aqui, fornecemos um protocolo detalhado para o uso de um dispositivo de fabricação de grade rápida tanto para a fabricação rápida de grade quanto para a rápida mistura e congelamento para realizar experimentos resolvidos pelo tempo.

Preparação rápida da grade para microscopia crio-elétron resolvida pelo tempo

O protocolo aqui apresentado descreve o uso do Spotiton, um novo sistema robótico, para entregar duas amostras de interesse em uma grade de nanofios que se misturam por um mínimo de 90 ms antes da vitrificação em criogen líquido.

Preparação da grade microscópica crio-elétron para estudos resolvidos pelo tempo usando um novo sistema robótico, Spotiton

O presente protocolo descreve a cristalização de cristais de gelo microscópicos e hidratos de clatratos em dispositivos microfluídicos, possibilitando a troca líquida ao redor dos cristais formados. Isso fornece possibilidades incomparáveis para examinar o processo de cristalização e os mecanismos de ligação dos inibidores.

Uma abordagem microfluídica para o estudo da cristalização de hidratos de gelo e clatrato

Aprenda a operar jatos líquidos criogênicos cilíndricos e planares para experimentos de laser-plasma de alta taxa de repetição. Este método permite aceleração de prótons e íons com aplicações em astrofísica de laboratório e ciência de materiais.

Jatos líquidos criogênicos para ciência de descoberta de alta taxa de repetição

Explorar mais vídeos