Name: Yüksek Tekrarlama Hızı Keşif Bilimi için Kriyojenik Sıvı Jetler (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2020-05-09T14:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 34 s
Description: Keşfedin kriyojenik sıvı jetlerin montajını ve çalıştırılmasını yüksek tekrarlama hızlı lazer-plazma deneyleri için. Bu yöntem laboratuvar astrofiziği ve parçacık hızlandırıcıları alanlarında sürekli hedefler sağlar.

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

Bu çalışma ABD Enerji Bakanlığı SLAC Sözleşme No tarafından desteklenmiştir. DE- AC02-76SF00515 ve FWP 100182 kapsamında ABD DOE Bilim Ofisi, Füzyon Enerji Bilimleri tarafından. Bu çalışma aynı zamanda Ulusal Bilim Vakfı tarafından 1632708 No'lu Hibe ve EC H2020 LASERLAB-EUROPE / LEPP (Sözleşme No. 654148) tarafından kısmen desteklenmiştir. C.B.C., Kanada Doğa Bilimleri ve Mühendislik Araştırma Konseyi'nin (NSERC) desteğini kabul eder. F.T., Ulusal Nükleer Güvenlik İdaresi'nin (NNSA) desteğini kabul ediyor.

<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>

Yazarların açıklayacak hiçbir şeyi yok.

Kriyojenik sıvı jetinin başarılı bir şekilde çalışması, titiz temizlik ve sıcaklık stabilitesinin dikkatli bir şekilde izlenmesini gerektirir. En sık karşılaşılan ve önlenebilir arızalardan biri, mikron boyutundaki diyafram açıklığının kısmen veya tamamen tıkanmasıdır. Kaynaktan veya havadaki parçacıklardan bakır, paslanmaz çelik veya indiyum, kaynak montajının herhangi bir adımında tanıtılabilir. Tüm bileşenler dolaylı sonikasyon kullanarak sağlam bir temizleme işleminden geçmelidir. Sınıf-10.000 temiz odada veya daha iyisinde montaj ve depolama, başarı oranını artırır.
Prosedürün bir diğer kritik adımı, kriyojenik kaynak sıcaklığını stabilize etmektir. Kullanıcılar, kaynaktan çıkan sıvının sıcaklığının, rezervuardaki sürekli sıvılaşma ile salınan değişken ısıdan bağımsız olarak ölçülmesini sağlamalıdır. Bu, sıcaklık sensörünü diyafram açıklığının yakınına (örneğin, kaynak flanşına) veya ısı kaynağından uzağa yerleştirerek gerçekleştirilir. Ayrıca, P-I-D parametreleri, her bir sıcaklık ve geri basınç kombinasyonu için Ziegler-Nichols yöntemi kullanılarak manuel olarak optimize edilmelidir. Sıcaklık dalgalanmaları çok büyük olursa, jet üzerinde periyodik salınımlar gözlemlenebilir ve bazen periyodik kırılmaya neden olabilir. Dahili otomatik ayar işlevlerinin veya düşük geçirgen filtrelerin, jet çalışması sırasında sıcaklığı dengelemede başarılı olmadığı belirtilmelidir.
Kriyojenik sıvı jet sistemi, son derece uyarlanabilir olsa da, yerleşik vakum protokollerine sahip büyük ölçekli tesislerde uygulanması zordur. Örneğin, yukarı akış ekipmanı artık gaza duyarlı olduğunda diferansiyel pompalama aşamaları gereklidir (örneğin, DESY'de FLASH serbest elektron lazeri veya SLAC'de MeV-UED cihazı). Ek olarak, çoklu PW lazerler için olanlar gibi büyük çaplı vakum odaları muhtemelen vakum içi esnek kriyostatlar gerektirir. Geleneksel sabit uzunluktaki kriyostatlarla karşılaştırıldığında, oda titreşimlerinden kolayca ayrılabilir ve daha kısa bir kola sahiptirler. Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf'ta (HZDR) Draco Petawatt lazer ile esnek bir vakum içi kriyostat zaten uygulanmıştır. Başka bir gözlem, jet kaynağa çok yakın ultra yüksek yoğunluklu bir lazer tarafından ışınlandığında diyafram açıklığının zarar görebileceğidir. Son zamanlarda, diyafram açıklığını lazer-plazma etkileşiminden korumak ve izole etmek için mekanik bir doğrayıcı bıçak (150 Hz'de çalışan ve lazer darbesiyle senkronize edilmiş) uygulanmıştır.
Bu sistem mikron ölçekli, yüksek oranda ayarlanabilir, türbülanssız, laminer silindirik ve düzlemsel kriyojenik sıvı jetleri üretir. Kriyojenik sıvı jet sisteminin devam eden gelişimi, gelişmiş açıklık malzemeleri ve tasarımı, vakum sistemi ve yakalayıcı iyileştirmeleri ve gelişmiş hidrojen izotop karıştırma üzerine odaklanmıştır. Bu sistem, yüksek tekrarlama oranı, yüksek enerji yoğunluğu bilimine geçişi sağlayacak ve yeni nesil parçacık hızlandırıcılarının geliştirilmesinin önünü açacaktır.

Bu yöntemin amacı, saf elementlerden veya kimyasal bileşiklerden oluşan yüksek hızlı, kriyojenik bir sıvı akışı üretmektir. Kriyojenik sıvılar ortam sıcaklığında ve basıncında buharlaştığından, yüksek tekrarlama hızlarında (örneğin, 1 kHz) çalışmadan kalan numuneler vakum odası1'den tamamen tahliye edilebilir. Grisenti ve arkadaşlarının ilk çalışmalarına dayanmaktadır.2, bu sistem ilk olarak yüksek yoğunluklu lazer güdümlü proton ivmesi3 için kriyojenik hidrojen kullanılarak geliştirilmiştir. Daha sonra diğer gazlara genişletildi ve aşağıdakiler de dahil olmak üzere bir dizi deneyde kullanıldı: iyon ivmesi4,5, plazma fiziğindeki plazma dengesizlikleri6, hidrojen7 ve döteryumdaki hızlı kristalleşme ve faz geçişleri gibi soruları yanıtlamak ve Linac Tutarlı Işık Kaynağı'ndaki (LCLS) Aşırı Koşullarda Madde (MEC) cihazındaki argondaki akustik dalgaları çözmek için meV elastik olmayan X-ışını saçılması8.
Şimdiye kadar, yüksek tekrarlama oranlı katı kriyojenik hidrojen ve döteryum örnekleri üretmek için başka alternatif yöntemler geliştirilmiştir. Garcia ve ark., hidrojenin bir rezervuarda sıvılaştırıldığı ve katılaştığı ve bir açıklık10 boyunca ekstrüde edildiği bir yöntem geliştirdi. Ekstrüzyon için gereken yüksek basınç nedeniyle, gösterilen minimum numune kalınlığı (bugüne kadar) 62 μm11'dir. Bu sistem aynı zamanda büyük mekansal titreme12 sergiler. Daha yakın zamanlarda, Polz ve ark., 435 psig'lik bir örnek gaz destek basıncı (inç kare başına pound, gösterge) kullanarak bir cam kılcal nozuldan kriyojenik bir hidrojen jeti üretti. Ortaya çıkan 10 μm silindirik jet süreklidir, ancak oldukça dalgalı13 gibi görünür.
Burada sunulan yöntem, silindirik (çap = 5-10 μm) ve çeşitli en-boy oranlarına (1-7 μm x 10-40 μm) sahip düzlemsel jetler üreten bir yöntemdir. İşaret titremesi, diyafram açıklığındanuzaklığın bir fonksiyonu olarak doğrusal olarak artar 5. Akışkan özellikleri ve durum denklemi, bu sistemde çalıştırılabilecek elementleri ve kimyasal bileşikleri belirler. Örneğin, metan, Rayleigh parçalanması nedeniyle sürekli bir jet oluşturamaz, ancak damlacıklar14 olarak kullanılabilir. Ayrıca, optimum basınç ve sıcaklık koşulları diyafram açıklığı boyutları arasında önemli ölçüde farklılık gösterir. Aşağıdaki paragraflar, laminar, türbülanssız kriyojenik hidrojen jetleri üretmek için gereken teoriyi sunmaktadır. Bu diğer gazlara da genişletilebilir.
Kriyojenik jet sistemi üç ana alt sistemden oluşur: (1) numune gazı dağıtımı, (2) vakum ve (3) kriyostat ve kriyojenik kaynak. Şekil 1'de gösterilen sistem, farklı vakum odalarına kurulum için yüksek oranda uyarlanabilir olacak şekilde tasarlanmıştır.
Gaz dağıtım sistemi, ultra yüksek saflıkta sıkıştırılmış gaz tüpü, gaz regülatörü ve kütle akış kontrolöründen oluşur. Numune gazının destek basıncı gaz regülatörü tarafından ayarlanırken, kütle akış kontrolörü sisteme verilen gaz akışını ölçmek ve kısıtlamak için kullanılır. Numune gazı, kirletici gazları ve su buharını dondurmak için önce sıvı azotlu soğuk bir kapanda filtrelenir. İkinci bir sıralı partikül filtresi, döküntülerin gaz hattının son segmentine girmesini önler.
Yüksek pompalama hızına sahip scroll pompalarla desteklenen turbomoleküler pompalar, numune haznesinde yüksek vakum koşullarını korur. Oda ve ön hat vakum basınçları, sırasıyla V1 ve V2 vakum göstergeleri kullanılarak izlenir. Kriyojenik jetin çalıştırılmasının, sıvı buharlaştığında vakum sistemine önemli bir gaz yükü (toplam numune akışıyla orantılı) getirdiği belirtilmelidir.
Gaz yükünü azaltmak için kanıtlanmış bir yöntem, yığın buharlaşması meydana gelmeden önce artık sıvıyı yakalamaktır. Jet tutucu sistemi, kriyojenik kaynak kapağından 20 mm'ye kadar yerleştirilmiş bir ø800 μm diferansiyel pompalama açıklığı ile sonlandırılan bağımsız bir vakum hattından oluşur. Hat, 1 x 10-2 mBar aralığında optimum verimlilik gösteren bir pompa ile tahliye edilir (yani, bir kök üfleyici vakum pompası veya hibrit turbomoleküler pompa) ve bir vakum ölçer V3 ile izlenir. Daha yakın zamanlarda, yakalayıcı, 7 μm x 13 μm'ye kadar kriyojenik hidrojen jetlerinin, vakum odası basıncında iki büyüklük iyileştirme sırası ile çalıştırılmasına izin vermiştir.
Kaynağı kriyojenik sıcaklıklara soğutmak için sabit uzunluklu, sürekli akışlı sıvı helyum kriyostat kullanılır. Sıvı helyum, bir transfer hattı kullanılarak bir besleme dewar'ından çekilir. Geri dönüş akışı, soğutma gücünü düzenlemek için ayarlanabilir bir debimetre paneline bağlanır. Soğuk parmağın ve kriyojenik kaynağın sıcaklığı dört kurşun silikon diyot sıcaklık sensörü ile ölçülür. Bir orantılı-integral-türevi (P-I-D) sıcaklık kontrolörü, sıcaklığı ayarlamak ve dengelemek için soğuk parmağın yanına monte edilmiş bir ısıtıcıya değişken voltaj sağlar. Numune gazı, kriyostat flanşı üzerindeki özel bir beslemeden vakum odasına girer. Odanın içinde, gaz hattı, kriyojenik kaynak tertibatı üzerindeki sabit bir gaz hattına bağlanmadan önce gazı önceden soğutmak için kriyostatın etrafına sarılır. Paslanmaz çelik vidalar ve 51 μm kalınlığında bir indiyum tabakası, kriyojenik kaynağı soğuk parmağa termal olarak kapatır.
Kriyojenik kaynak (Şekil 2) altı ana bileşenden oluşur: (1) numune gaz hattı, (2) kaynak gövdesi, (3) sıralı partikül filtreli kaynak flanşı, (4) diyafram, (5) yüksük ve (6) kapak. Kaynak gövdesi, numune rezervuarı olarak işlev gören bir boşluk içerir. Dişli Swagelok sinterlenmiş 0,5 μm paslanmaz çelik filtre, herhangi bir döküntü veya katılaşmış kirleticinin sıvı kanala girmesini ve açıklığı engellemesini önler. Deformasyon uzunluğunu artırmak ve diyaframı güvenilir bir şekilde kapatmak için diyafram açıklığı ile sıvı kanal arasına daha kalın, 76 μm kalınlığında bir indiyum halka yerleştirilir. Kapak kaynak flanşına geçirildiğinde, indiyum bir sıvı ve termal sızdırmazlık oluşturmak için sıkıştırılır. Yüksük ve kaynak kapağı, kurulum sırasında diyaframı ortalar.
Sürekli, laminer rejimde çalışan kriyojenik sıvı jetleri için bir sistemin ilk tasarımında bir dizi genel husus vardır. Kullanıcılar kriyostatın toplam soğutma gücünü, kriyojenik kaynak tasarımının termal özelliklerini, vakum sistemi performansını ve sıvı sıcaklığını ve basıncını tahmin etmelidir. Aşağıda gerekli teorik çerçeve verilmiştir.
Soğutma gücüyle ilgili dikkat edilmesi gereken noktalar
1) Sıvılaştırma hidrojeni15: Hidrojeni 300 K'dan bir sıcaklığa <img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq2v2.jpg" style="font-size: 14px;"> sıvılaştırmak için gereken minimum soğutma gücü, aşağıdaki denklem kullanılarak kabaca tahmin edilebilir: <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq1v3.jpg">
Nerede: <img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq3v2.jpg"> sabit basınçta özgül ısı ve <img alt="Equation 5" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq5v2.jpg"> basınca <img alt="Equation 4" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq4v2.jpg">bağlı sıvılaştırma sıcaklığında <img alt="Equation 6" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq6v2.jpg">H2'nin buharlaşmasının gizli ısısıdır. Örneğin, 60 psig gaz basıncında çalışan ve 17 K'ya kadar soğutulan kriyojenik bir hidrojen jeti minimum 4013 kJ / kg gerektirir. 150 sccm'lik bir hidrojen gazı akışı (saniyede standart santimetreküp) ile, bu 0.9 W'lık <img alt="Equation 7" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq7v2.jpg"> bir ısıya karşılık gelir.
Sıvılaştırma işleminin, gereken toplam soğutma gücünün sadece onda birine katkıda bulunduğuna dikkat edilmelidir. Kriyostat üzerindeki ısı yükünü azaltmak için, gaz kaynak gövdesine girmeden önce bir ara sıcaklığa önceden soğutulabilir.
2) Işınımsal ısı: Kriyojenik kaynağı bir sıcaklıkta <img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq2v2.jpg">tutmak için, kriyostatın ışınımsal ısıtmayı telafi etmesi gerekir. Bu, aşağıdaki denklemi kullanarak yayılan ve emilen kara cisim radyasyonunun farkını dengeleyerek tahmin edilebilir: <img alt="Equation 8" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq8v2.jpg">
Nerede: A, kaynak cismin alanıdır, <img alt="Equation 9" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq9v2.jpg"> Stefan-Boltzmann sabitidir ve <img alt="Equation 10" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq10v2.jpg"> vakum odasının sıcaklığıdır. Örneğin, 17 K'ya kadar soğutulmuş tipik bir A = 50cm2 jet kaynağı, minimum 2,3 W soğutma gücü gerektirir. <img alt="Equation 10" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq10v2.jpg"> kriyojenik kaynağın önemli bir bölümünü kaplayan aktif olarak soğutulmuş bir radyasyon kalkanı eklenerek lokal olarak azaltılabilir.
3) Artık gaz iletimi: Ultra yüksek vakum koşullarında termal radyasyon baskın olmasına rağmen, artık gazdaki iletimden kaynaklanan katkı, jet çalışması sırasında ihmal edilemez hale gelir. Sıvı jeti, odaya önemli miktarda gaz yükü getirerek vakum basıncında bir artışa neden olur. Gazın p basıncında ısıl iletiminden kaynaklanan net ısı kaybı, aşağıdaki denklem kullanılarak hesaplanır: <img alt="Equation 11" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq11v2.jpg">
Nerede: <img alt="Equation 12" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq12v2.jpg"> gaz türüne bağlı bir katsayıdır (H2 için ~3,85 x 10-2 W/cm2/K/mBar) ve <img alt="Equation 13" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq13v2.jpg"> gaz türüne, kaynağın geometrisine, kaynağın sıcaklığına ve gaz 16,17'ye bağlı konaklama katsayısıdır. Kriyojenik bir hidrojen jetini 17 K'da çalıştırırken, kaynağın silindirik bir geometrisini ve hidrojenin vakum odasında bulunan ana gaz olduğunu varsayarsak, gaz iletimi aşağıdaki denklem kullanılarak tahmin edilebilen ısı üretir: <img alt="Equation 14" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq14v2.jpg">
Örneğin, 4.2 x 10-3 mBar'lık bir vakum basıncında gaz iletimi, termal radyasyon kadar ısı üretir. Bu nedenle, jet çalışması sırasında vakum basıncı genellikle 1 x 10-3 mBar'ın altında tutulur ve sisteme ~ 0.55 W ısı yükü eklenir (A = 50cm2).
Çalışma sırasında odaya giren gaz yükü, kriyojenik jetin akışı ile elde edilir. Elde edilen vakum basıncı daha sonra vakum sisteminin etkili pompalama hızı ve vakum odasının hacmi ile belirlenir.
Kriyojenik jeti çalıştırmak için, kriyostat, kriyostat sisteminin kendisinin ısı kayıplarını içermeyen, yukarıdaki farklı ısı kaynaklarını (örneğin, 3.75 W) telafi etmek için yeterli soğutma gücü üretmelidir. Kriyostat verimliliğinin aynı zamanda istenen soğuk parmak sıcaklığına da güçlü bir şekilde bağlı olduğunu unutmayın.
Jet parametrelerini tahmin etme
Sürekli laminer akış sağlamak için, birkaç koşulun yerine getirilmesi gerekir. Kısalık için, silindirik bir sıvı akışı durumu burada gösterilmiştir. Düzlemsel jetlerin oluşumu ek kuvvetler içerir ve bu da bu makalenin kapsamı dışında kalan daha karmaşık bir türev ile sonuçlanır18.
1) Basınç-hız ilişkisi: sıkıştırılamaz sıvı akışları için, enerjinin korunumu Bernoulli denklemini aşağıdaki gibi verir: <img alt="Equation 15" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq15v2.jpg">
Nerede: <img alt="Equation 16" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq16v2.jpg"> akışkan atomik yoğunluğudur, akışkan hızıdır, <img alt="Equation 17" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq17v2.jpg"> <img alt="Equation 18" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq18v2.jpg"> yerçekimi potansiyel enerjisidir ve p basınçtır. Bernoulli denklemini diyafram açıklığı boyunca uygulayarak, jet hızı ile numune geri basıncı arasındaki fonksiyonel ilişki aşağıdaki denklem kullanılarak tahmin edilebilir: <img alt="Equation 19" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq19v2.jpg">
2) Jet operasyon rejimi: Silindirik bir sıvı jetin rejimi, Reynolds ve Ohnesorge sayıları kullanılarak çıkarılabilir. Akışkan içindeki atalet ve viskoz kuvvetler arasındaki oran olarak tanımlanan Reynolds sayısı, aşağıdaki denklem kullanılarak hesaplanır: <img alt="Equation 20" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq20v2.jpg">
Nerede: <img alt="Equation 16" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq16v2.jpg">, , , ve sırasıyla akışkanın yoğunluğu, hızı, <img alt="Equation 17" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq17v2.jpg"><img alt="Equation 21" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq21v2.jpg">çapı ve <img alt="Equation 22" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq22v2.jpg"> dinamik viskozitesidir. Laminer akış, Reynolds sayısı ~ 2.000'den az olduğunda meydana gelir. Benzer şekilde, Weber sayısı ataletin göreceli büyüklüğünü yüzey gerilimi ile karşılaştırır ve aşağıdaki denklem kullanılarak hesaplanır: <img alt="Equation 23" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq23v2.jpg">
Nerede: σ, sıvının yüzey gerilimidir. Ohnesorge sayısı daha sonra aşağıdaki gibi hesaplanır: <img alt="Equation 24" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq24v2.jpg">
Bu hızdan bağımsız miktar, dört sıvı jet rejimini tanımlamak için Reynolds sayısı ile birlikte kullanılır: (1) Rayleigh, (2) ilk rüzgar kaynaklı, (3) ikinci rüzgar kaynaklı ve (4) atomizasyon. Laminer türbülanssız kriyojenik sıvı akışı için, Rayleigh rejimi19 (yani, <img alt="Equation 25" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq25v2.jpg">) içinde çalışacak parametreler seçilmelidir. Bu rejimde, sıvı kolonu, aşağıdaki gibi tahmin edilen bozulmamış uzunluğa kadar pürüzsüz bir yüzeyle sürekli kalacaktır20: <img alt="Equation 26" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq26v2.jpg">
60 psig ve 17 K'da çalışan 5 μm çapında silindirik kriyojenik hidrojen jeti için farklı sıvı parametreleri Şekil 3'te özetlenmiştir. Daha uzun mesafeler için sürekli bir jeti korumak için, sıvının sıvı-katı faz geçişine yeterince yakın soğutulması gerekir (Şekil 4), böylece jet vakumda yayıldığında meydana gelen buharlaşmalı soğutma, Rayleigh parçalanmasının başlamasından önce jeti katılaştırır 3,21.

<table><tbody><tr><td>Kriyojenik önlük</td><td>Tempshield</td><td>Kriyo-önlük</td><td>Kriyojenik sıvılara karşı çekirdek gövde koruması</td></tr><tr><td>Kriyojenik yüz siperi</td><td>3M</td><td>82783-00000</td><td>ANSI Z87.1, kriyojenik sıvılardan tam yüz koruması için derecelendirilmiştir</td></tr><tr><td>Kriyojenik eldivenler Tempshield</td><td></td><td>Kriyo-eldivenler MA</td><td>Kriyojenik sıvılardan el koruması</td></tr><tr><td>Kriyojenik kaynak bileşenleri</td><td>SLAC Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvar</td><td>Özel</td><td>Bileşenleri, kriyojenik sıcaklıklarda termal iletkenliği en üst düzeye çıkarmak için Oksijensiz Bakırdan (OFC) yapılmıştır.</td></tr><tr><td>Kriyostat ve transfer hattı</td><td>İleri Araştırma Sistemleri</td><td>LT-3B</td><td>Mevcut vakum kaplarıyla uyumluluk için 1250 mm'ye kadar özel uzunluklarda mevcuttur. Transfer hattı uzunluğu ve stili, sistem veya laboratuvar alanı kısıtlamalarına göre seçilebilir.</td></tr><tr><td>Silindirik açıklıklar</td><td>SPI Malzemeleri</td><td>P2005-AB</td><td>Ticari silindirik açıklıklar ayrı ayrı satın alınabilir</td></tr><tr><td>Elektronik dereceli izopropanol</td><td>Sigma Aldrich</td><td>733458-4L</td><td>%99,999, minimum partikül/eser metal, kalıntı bırakmadan kurur</td></tr><tr><td>Yanıcı gaz regülatörü</td><td>Matheson</td><td>M3816A-350</td><td>Numune gazının basınç kontrolü (örn. hidrojen, döteryum)</td></tr><tr><td>İndiyum</td><td>İndiyum Şirketi Özel</td><td></td><td>% 99.99, 50-75 ve mikro; m kalınlığında, kriyojenik kaynakta termal ve sıvı contalar için</td></tr><tr><td>Jet yakalayıcı sistemi</td><td>SLAC Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvarı</td><td>Özel</td><td>Sıyırıcı, vakum donanımı ve geçişler, vakum göstergesi, kök vakum pompasından oluşur</td></tr><tr><td>Laboratuvar sınıfı aseton</td><td>Sigma Aldrich</td><td>179973-4L</td><td>Bileşenlerden gresi ve fotorezisti çıkarmak için kullanılır. Son temizlikte elektronik dereceli izopropanol kullanılacağından saflık ve kalite kritik değildir</td></tr> Sızıntı dedektörü Matheson SEQ8067 Sıvı helyum Airgas HE 100LT Üstten yüklemeli dewar'ı <tr><td></td><td></td><td></td><td>pompalamadan önce jet açıklıklarının sızdırmaz olduğundan emin olmak için</td></tr><tr><td></td><td></td><td></td><td>, Tüketim kriyostata, kaynak boyutlarına ve toplam gaz akışına bağlıdır. Tipik olarak 3-5 L/s.</td></tr><tr><td>Sıvı nitrojen</td><td>Airgas</td><td>NI 160LT22</td><td>Toplam soğuk tuzak hacmi 4 L, jet çalışması sırasında yaklaşık 2L/s tüketim</td></tr><tr><td>LN dewar şişesi (4 L)</td><td>ThermoFisher Scientific</td><td>4150-4000</td><td>Sıvı nitrojen soğuk tuzak</td></tr><tr><td>için LN transfer hortumu</td><td>Cryofab</td><td>CFUL serisi</td><td>LN'yi depolama dewarından LN dewar şişesine aktarmak için faz ayırıcılı yalıtımsız kriyojenik hortum soğuk tuzak için</td></tr><tr><td>Manuel XY manipülatör</td><td>Pfeiffer Vakum</td><td>420MXY100-25</td><td>Kriyojenik kaynağın rota ayarı (+/- 12,5 mm);</td></tr><tr><td>Manuel Z manipülatör</td><td>McAllister Teknik Servisler</td><td>ZA12</td><td>Farklı vakum kaplarında değiştirilebilirlik için kriyostat uzunluğunun rota ayarı. Ek olarak, kriyojenik kaynağın etkileşim noktasından geri çekilmesi.</td></tr><tr><td>Kütle akış kontrolörü</td><td>MKS Instruments</td><td>P9B, GM50A</td><td>Gaz akışını kontrol etmek ve izlemek için</td></tr><tr><td>Düzlemsel açıklıklar</td><td>Norcada</td><td>Custom</td><td>Düzlemsel açıklıkların özel nanofabrikasyonu</td></tr><tr><td>Konumlandırma aktüatörleri</td><td>Newport</td><td>LTAHLPPV6, 8303-V</td><td>Yüksek hassasiyet (< 2 ve mikro; m), motorlu jet konumlandırma</td></tr><tr><td>Dönme aşaması</td><td>McAllister Teknik Servisler</td><td>DPRF600</td><td>Jet oryantasyonunun hassas hizalanması</td></tr><tr><td>Basınçlı gazlarla çalışmak için derecelendirilmiş 3M S1101SGAF ANSI Z87.1</td> <td>güvenlik gözlükleri</td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

yüksek tekrarlama hızı keşif bilimi için kriyojenik sıvı jetler

Cryogenic Liquid Jets for High Repetition Rate Discovery Science

Bu protokol, sürekli, mikron boyutunda kriyojenik silindirik ve düzlemsel sıvı jetlerinin çalışması için ayrıntılı bir prosedür sunar. Burada tarif edildiği gibi çalıştırıldığında, jet santimetre için yüksek laminerite ve stabilite gösterir. Rayleigh rejiminde kriyojenik bir sıvı jetinin başarılı bir şekilde çalışması, kriyojenik sıcaklıklarda akışkanlar dinamiği ve termodinamiğin temel bir anlayışını gerektirir. Teorik hesaplamalar ve tipik ampirik değerler, karşılaştırılabilir bir sistem tasarlamak için bir rehber olarak sağlanmıştır. Bu rapor, kriyojenik kaynak montajı sırasında hem temizliğin hem de sıvılaştırıldıktan sonra kriyojenik kaynak sıcaklığının stabilitesinin önemini tanımlamaktadır. Sistem, proton terapisinde öngörülen bir uygulama ile yüksek tekrarlama oranı lazer güdümlü proton ivmesi için kullanılabilir. Diğer uygulamalar arasında laboratuvar astrofiziği, malzeme bilimi ve yeni nesil parçacık hızlandırıcıları bulunmaktadır.

Adım 5.4'ü takiben, jet çalışması sırasında lamineriteyi, konumlandırma titremesini ve uzun vadeli kararlılığı değerlendirmek için yüksek büyütmeli gölge grafikleri kullanılır. Jetin anlık bir görüntüsünü kaydetmek için darbeli, nanosaniyenin altındaki aydınlatmayı kullanmak çok önemlidir, böylece jet hareketi (H2 için ~ 0.1 μm / ns) yüzey düzensizliklerini veya türbülansı bulanıklaştırmaz. 2 x 20 μm 2 H 2, 4 x 12 μm 2 H 2 ve 4 x 20 μm 2 D 2 jetlerinin örnek görüntüleri Şekil 5'te gösterilmiştir.
Kriyojenik sıvı jetini uzayda hassas bir şekilde konumlandırmak için ek bir yüksek büyütme görüntüleme sistemi kullanılır. Basitlik için, görüntüleme sistemleri jetin ön ve yan görünümlerini sağlamak üzere tasarlanmıştır. Jet stabilitesini değerlendirmek ve düzlemsel jetlerin yönünü belirlemek özellikle önemlidir. Birkaç saat boyunca tek bir test sırasında gerçekleştirilen diyafram açıklığından uzaklığın bir fonksiyonu olarak 2 x 20 μm 2 H2'nin uzamsal titremesinin bir çalışması Şekil 6'da gösterilmiştir. Şekil 6A'daki her veri noktası için 1σ konumlandırma titremesi, 10 Hz'de kaydedilen 49 görüntüden hesaplanmıştır. Burada, jet pozisyonu sabit bir referans pozisyonuna göre belirlendi. Şekil 6B, örnek olarak 23 mm'deki jet pozisyonunun normalleştirilmiş histogramlarını göstermektedir. Daha ayrıntılı bir çalışma Obst ve ark.5. Ortalama olarak, uzamsal titreme nozuldan doğrusal olarak uzaklaşır.
4 x 20 μm2 kriyojenik döteryum jetinin sıvılaştırılması ve jet çalışması sırasında (bölüm 5'e göre) tipik sistem gözlemlenebilirleri Şekil 7'de gösterilmiştir. Sıcaklığın, akışın, numune geri basıncının ve vakum basınçlarının dikkatli bir şekilde izlenmesi, operatörün herhangi bir düzensizliği hızlı bir şekilde tespit etmesini ve buna göre tepki vermesini sağlar. Örneğin, jet, kesikli bir kutu ile gösterilen yakalayıcıdan ayrılırsa, vakum odası ve ön hat basıncı önemli ölçüde artar. Daha sonra ayar noktası sıcaklığını korumak için ek soğutma gücüne ihtiyaç duyulur.
Stabilize edildikten sonra, tüm gözlemlenebilirler minimum salınımlarla sabit olmalıdır. Herhangi bir uzun süreli sapma bir sorunun göstergesidir (örneğin, sızıntılar, gaz kirliliği, vakum sistemi performansında düşüş, yakalayıcıda konumlandırma sapması). Diyafram açıklığı seçimi, Rayleigh rejiminde jetin operasyonel parametrelerini güçlü bir şekilde belirler. Belirli bir gaz ve diyafram tipi için en uygun parametreler belirlendikten sonra, ortaya çıkan jet yüksek oranda tekrarlanabilir; ancak, diyafram açıklığındaki herhangi bir küçük sapma, daha önce tanımlanmış değerlerden başlayarak yeniden optimizasyon gerektirir. Tipik çalışma parametreleri Tablo 1'de özetlenmiştir.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61130/61130fig1.jpg"> Şekil 1: Tipik bir kriyojenik sıvı jeti dağıtım platformunun P&amp;ID diyagramı. Örnek gaz, vakum ve kriyojenik alt sistemler tasvir edilmiştir. Vakum odası, turbomoleküler pompa ön hattı ve jet yakalayıcı ön hat basınçları sırasıyla V1, V2 ve V3 vakum göstergeleri ile izlenir. Kriyostat sıcaklığı, bir P-I-D sıcaklık kontrol cihazı kullanılarak aktif olarak düzenlenir. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61130/61130fig1large.jpg" target="_blank">Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61130/61130fig2.jpg"> Resim 2: Kriyojenik kaynak tertibatının üç boyutlu patlamış görünümlü çizimi. İndiyum contalar, soğuk parmak ve kaynak gövdesi, kaynak gövdesi ve flanş ile kaynak flanş ve diyafram açıklığı arasına monte edilir. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61130/61130fig2large.jpg" target="_blank">Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61130/61130fig3.jpg"> Şekil 3: Akışkanlar dinamiği parametrelerinin özeti. 60 psig ve 17 K'da çalışan bir ø5 μm silindirik kriyojenik hidrojen jeti varsayılarak parametreler sağlanır. yoğunluk, viskozite ve yüzey gerilimi değerleri NIST'tendir. 15. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61130/61130fig3large.jpg" target="_blank">Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61130/61130fig4.jpg"> Şekil 4: Kriyojenik sıcaklıklarda durumun hidrojen denklemi15. Kritik ve üçlü noktalar sırasıyla mavi ve turuncu dolgulu dairelerle gösterilir. Jet çalışması, gaz-sıvı faz geçişi boyunca bir izobarı takip eder. Jet, vakum odasında buharlaştırıcı soğutma yoluyla katılaşır. Gri kutu, ø5 μm silindirik kriyojenik hidrojen jetinin stabilitesini optimize etmek için taranan destek basınçlarının (40-90 psia) ve sıcaklıkların (17-20 K) aralığını gösterir. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61130/61130fig4large.jpg" target="_blank">Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.</a> 
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61130/61130fig5.jpg"> Şekil 5: 10 ps/1057 nm dalga boyunda lazer kullanan türbülanssız, laminer kriyojenik sıvı jetlerinin temsili 20x büyütme gölge grafikleri. (A) Diyafram = 2 x 20 μm 2, gaz = H2, T = 15,8 K, P = 188 psig. (B) Diyafram = 4 x 12 μm 2, gaz = H 2, T =17.2 K, P = 80 psig. (C) Diyafram = 4 x 20 μm 2, gaz: D2, T = 20 K, P = 141 psig. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61130/61130fig5large.jpg" target="_blank">Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.</a> 
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61130/61130fig6.jpg"> Resim 6: 2 x 20 μm2 kriyojenik hidrojen jeti için jet konum kararlılığı.Parametreler 18 K, 60 psig ve Re <img alt="Equation 27" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq27v2.jpg" style="font-size: 14px;"> 1887'dir. (A) Titreşimin diyafram açıklığından uzaklığın bir fonksiyonu olarak konumlandırılması. Uzunlamasına (yanal) titreme, dikdörtgen tabakanın kısa (uzun) eksenine paralel harekete karşılık gelir. (B ) Nozuldan 23 mm uzaklıktaki lateral jitter (σ = 5,5 μm) ve uzunlamasına jitter (σ = 8,5 μm) belirlemek için jet pozisyonunun normalleştirilmiş histogramı. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61130/61130fig6large.jpg" target="_blank">Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.</a>
<img alt="Figure 7" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61130/61130fig7.jpg"> Şekil 7: Kriyojenik jet çalışması sırasında temsili akış ve basınçlar. (A) Sol: örnek gaz akışı, sağ: zamanın bir fonksiyonu olarak numune gazı destek basıncı. Vakum odası basıncının yarı kütük grafiği (V1; B), turbomoleküler pompa ön hat basıncı (V2; C) ve jet yakalayıcı basıncı (V3; D) zamanın fonksiyonları olarak. Dairesel sayılar, protokolün 5. bölümünde gözlemlenen sistemdeki değişiklikleri tanımlar. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61130/61130fig7large.jpg" target="_blank">Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.</a> 
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always"><tbody><tr><td>Numune gazı</td>
			<td>Açıklık</td>
			<td>Sıcaklık (K)</td>
			<td>Basınç (psig)</td>
			<td>Akış (sccm)</td>
		</tr><tr><td>Hidrojen</td>
			<td>ø5 μm silindirik</td>
			<td>17</td>
			<td>60</td>
			<td>150</td>
		</tr><tr><td>P Hidrojen, P Döteryum</td>
			<td>ø5 μm silindirik</td>
			<td>20</td>
			<td>30, 30</td>
			<td>130</td>
		</tr><tr><td>Döteryum</td>
			<td>ø5 μm silindirik</td>
			<td>22</td>
			<td>75</td>
			<td>80</td>
		</tr><tr><td>Hidrojen</td>
			<td>1 μm x 20 μm düzlemsel</td>
			<td>18</td>
			<td>182</td>
			<td>150</td>
		</tr><tr><td>Hidrojen</td>
			<td>2 μm x 20 μm düzlemsel</td>
			<td>18</td>
			<td>218</td>
			<td>236</td>
		</tr><tr><td>Hidrojen</td>
			<td>4 μm x 20 μm düzlemsel</td>
			<td>17.5</td>
			<td>140</td>
			<td>414</td>
		</tr><tr><td>Döteryum</td>
			<td>4 μm x 20 μm düzlemsel</td>
			<td>20.5</td>
			<td>117</td>
			<td>267</td>
		</tr><tr><td>Argon</td>
			<td>ø5 μm silindirik</td>
			<td>90</td>
			<td>50</td>
			<td>18.5</td>
		</tr><tr><td>Metan</td>
			<td>ø5 μm silindirik</td>
			<td>100</td>
			<td>75</td>
			<td>46</td>
		</tr></tbody></table>Tablo 1: Örnek jet çalışma koşulları.

Bu protokol, mikron ölçekli silindirik ve düzlemsel kriyojenik sıvı jetlerinin çalışma ve prensiplerini sunmaktadır. Şimdiye kadar bu sistem lazer-plazma deneylerinde yüksek tekrarlama oranı hedefi olarak kullanılmıştır. Beklenen disiplinler arası uygulamalar, laboratuvar astrofiziğinden malzeme bilimine ve nihayetinde yeni nesil parçacık hızlandırıcılarına kadar uzanmaktadır.

Yüksek Tekrarlama Hızı Keşif Bilimi için Kriyojenik Sıvı Jetler

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

Bu protokolde açıklanan sistem, proton ve iyon ışını ivmesi ile yüksek bir etkiye yol açmıştır. Bu sistemin gelecekteki uygulamaları, laboratuvar astrofiziğini, malzeme bilimini ve yeni nesil parçacık hızlandırıcılarını keşfedecek ve gigawatt mertebesinde en yüksek güçlere yol açacaktır. Yüksek tekrarlama oranlı lazer, sürekli hedef ihtiyacı yaratmıştır. Özellikle hidrojen hedefi, lazer iyonu hızlanması için çekici özelliklere sahiptir ve enerjik, saf proton ışınlarına yol açar.Laboratuvarım için bir doktora öğrencisi olan Christopher Schoenwaelder, prosedürde gösterilecek Kriyojenik kaynak bileşenlerinin tüm hazırlığı ve montajı, uygun temiz oda kıyafetleri ile temiz bir ortamda yapılmalıdır. Kriyojenik kaynak bileşenlerinden kirleticileri çıkarmak için dolaylı ultrasonik temizleme kullanarak başlayın. Bir sonikatörü damıtılmış suyla doldurun ve yüzey gerilimini azaltmak için bir yüzey aktif madde ekleyin.Kriyojenik kaynak parçalarını ayrı ayrı cam beherlere yerleştirin, elektronik sınıf izopropanole tamamen daldırın ve buharlaşmayı azaltmak ve kirlenmeyi önlemek için beherleri alüminyum folyo ile gevşek bir şekilde kapatın. Beherleri temizleme sepetine veya sonikatörün içindeki bir beher standına yerleştirin ve sonikatörün dibine temas etmediklerinden emin olun. Sonikatörü 60 dakika boyunca etkinleştirin, ardından izopropanolü asılı parçacıklar veya kalıntılar için parlak beyaz bir ışık kullanarak inceleyin.Parçacıklar görünüyorsa, parçaları temiz izopropanol ile durulayın ve izopropanol banyosunu değiştirin. Hiçbir parçacık veya kalıntı görünmeyene kadar 60 dakikalık döngüler halinde sonikat. Bittiğinde, montajdan önce en az 30 dakika kuruması için parçaları kapalı, temiz bir yüzeye yerleştirin.Paslanmaz çelik filtre, kaynak kapağı, yüksük ve montaj vidaları için temizleme işlemini tekrarlayın. Kriyojenik kaynak gövdesi ile kriyostatın soğuk parmağı arasındaki bağlantıyı maksimum düzeyde kaplamak için bir parça indiyum kesin. Ardından, kriyojenik kaynağın üzerine yerleştirin ve kriyostatın soğuk parmağıyla aynı hizada tutun.Bileşenler arasında termal bir sızdırmazlık sağlamak için indiyumun düz kaldığından emin olarak tespit vidalarını sıkın. Bakır iplikler kolayca zarar görebileceğinden aşırı sıkmayın. Dişli paslanmaz çelik filtreyi kriyojenik kaynak flanşına vidalayın.Kaynak flanşına bir indiyum conta yerleştirin ve flanş vidalarını kullanarak kaynak flanşını kriyojenik kaynak gövdesine takın. Ardından, vidaları çevrenin etrafında sırayla değil, çapraz olarak sıkın. Yüksüğü kapağın içine yerleştirin.Ardından, açıklığı yüksüklüğün içine yerleştirmek için temiz cımbız kullanın. Diyaframı yüksükte ortalamak için kapağa dokunun. Diyaframın üzerine bir indiyum halkası bırakın.Ardından, indiyum halkasını diyafram açıklığında ortalamak için kapağın kenarına tekrar dokunun. Minimum direnç tespit edilene kadar kapağı kaynak flanşına elle sıkın. Ayar noktasını dakikada 500 standart santimetreküpe çıkararak ve gaz basıncını basınç regülatörü üzerinde yaklaşık 50 PSI göstergesine ayarlayarak kütle akış kontrol cihazındaki akış hızını azaltın.Akış hızı azalmaya başlayana kadar açıklığı her seferinde birkaç derece sıkmak için bir anahtar kullanın. Yüksek hassasiyetli kaçak dedektörü ile kapağın üst kısmındaki kaçak oranını kontrol edin ve ölçülen kaçak oranının düşmesi durduğunda sıkmayı durdurun. Sıcaklık rampasını devre dışı bırakın ve ayar noktası sıcaklığını teorik buhar sıvı faz geçiş sıcaklığının çok altına değiştirin.Sıvılaştırmanın başlangıcında, ek soğutma gücünün faz geçişinden hızlı bir şekilde geçmesi için helyum akışını artırın. Rezervuar tamamen sıvılaştıkça, bir gaz ve sıvı karışımı başlangıçta açıklıktan püskürtülecek ve sırayla sürekli bir jete geçecektir. Jet stabilitesini ve laminerliğini görselleştirmek için darbeli nanosaniye altı aydınlatmalı yüksek büyütmeli gölge grafisi kullanın.Deneyin numune için önceden belirlenmiş bir konumu varsa, kriyojenik kaynağı, kriyostat flanşı üzerinde çok eksenli bir manipülatör veya vakum odasındaki motorlu itme pimi aktüatörleri kullanarak çevirin. Sıcaklık kararlılığının artı veya eksi 0,02 Kelvin'den daha iyi olmasını sağlamak için PID parametrelerini ve helyum akışını optimize edin. Jejetin genel stabilitesinin büyük ölçüde vakum odası basıncına, gaz destek basıncına ve sıcaklığa bağlı olduğunu unutmayın.Yüksek büyütmeli gölge grafikleri, jet çalışması sırasında laminerliği, konumlandırma titremesini ve uzun vadeli kararlılığı değerlendirmek için kullanılır. Jet hareketinin yüzey düzensizliklerini veya türbülansı bulanıklaştırmaması için jetin anlık bir görüntüsünü kaydetmek için darbeli nanosaniye altı aydınlatma kullanmak çok önemlidir. Açıklıktan uzaklığın bir fonksiyonu olarak 2 x 20 mikrometrelik bir hidrojen jetinin uzamsal titreşiminin bir çalışması, birkaç saat boyunca tek bir test sırasında gerçekleştirildi.Her veri noktası için konumlandırma seğirmesi, 10 hertz'de kaydedilen 49 görüntüden hesaplandı. Jet konumu, sabit bir referans konumuna göre belirlendi. 23 milimetredeki jet konumunun normalleştirilmiş histogramları örnek olarak gösterilmiştir.4 x 20 mikrometre kriyojenik döteryum jetinin sıvılaştırılması ve jet çalışması sırasında tipik sistem gözlemleri burada gösterilmektedir. Sıcaklığın, akışın, numune destek basıncının ve vakum basınçlarının dikkatli bir şekilde izlenmesi, operatörün herhangi bir düzensizliği hızlı bir şekilde tanımlamasına ve buna göre tepki vermesine olanak tanır. Tipik çalışma parametreleri burada özetlenmiştir.Belirli bir gaz ve açıklık tipi için en uygun parametreler belirlendikten sonra, ortaya çıkan jet yüksek oranda tekrarlanabilir. Açıklıktaki herhangi bir sapma, önceden tanımlanmış değerlerden başlayarak yeniden optimizasyon gerektirir. Bu protokolü takip ederken, basınç veya sıcaklıktaki ani değişikliklerin rezervuardaki sıvı hidrojeni hızla buharlaştırabileceğini fark etmek önemlidir.Vakum sistemi arızasını önlemek için operatör gaz akışını kısıtlamalı ve hassas donanımı izole etmelidir. Sistem ayrıca diğer açıklık geometrilerine ve numune gazlarına da genişletilebilir. Diğer şeylerin yanı sıra, daha ağır elementler, iyon akustik dalgaları veya gaz devlerinin ve ötegezegenlerin iç kısımlarında var olması beklenen bir durum olan maddenin bir fazına geçiş gibi temel plazma süreçlerini incelemek için kullanılabilir.Bu hedef sistemden gelen yüksek parlaklıktaki iyon ışınları, yönlü bir yüksek akı nötron ışını oluşturmak için kullanılır. Bu teknik, malzemelerin tahribatsız muayenesinin yolunu açmıştır ve laboratuvarda nükleosentez çalışmalarına katkıda bulunabilir.

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

Research

JoVE Journal

Engineering

Mühendislik

Yüksek hızlı hareket eden bir yüzey üzerinde sıvı jet çarpmasını incelemek için iki deneysel cihaz tanımlanmıştır: bir hava topu cihazı ve bir dönen disk cihazı. Aparatlar, ray üstü sürtünme kontrolü için ray raylarına sıvı sürtünme değiştiricinin (LFM) uygulanmasına yönelik en uygun yaklaşımları belirlemek için kullanılır.

Bir Hareketli Yüzeyde Yüksek Hızlı Sıvı Jet birikiminin Görselleştirme

Bu protokol, doğrudan sıvı azot içine sokulup çıkartılarak kas dokuları dondurarak için bir prosedür tarif eder. Bu protokol, aynı zamanda, azot gazı "battaniye etkisi" önlemek yeni cryovial vurguladığında sıvı azot temas bir numunenin doku yüzeyi.

Kas Dokular doğrudan sıvı azot içine girdikleri zaman Artifacts Donma bir çoklu-delikli dondurarak saklamaya uygun vialler ortadan kaldırır

Bir seri femtosecond zaman çözüldü kristalografisi deney başarısı verimli örnek Teslimde bağlıdır. Burada, bacteriorhodopsin microcrystals bir yüksek viskozite mikro-ekstrüzyon enjektör üzerinden ekstrüzyon optimize etmek için iletişim kuralları açıklar. Metodoloji bir roman üç yönlü bağlaştırıcı ile örnek homojenizasyon ve görselleştirme ile yüksek hızlı bir fotoğraf makinesi yararlanır.

Microcrystals yüksek viskozite ekstrüzyon için zaman karar vermek seri halinde Femtosecond kristalografisi x-ışını lazerleri iyileştirilmesi

Uzay yükü tasarımı için bir protokol, termopiller konveksiyon üzerine uzay deneyi ve deneysel veri ve görüntülerin analizleri bu makalede sunulmuştur.

SJ-10 Kurtarılabilir Uyduda Termokapiller Konveksiyon Uzay Deneyi

Burada, donmuş örneklerin dinamik nükleer polarizasyon (DNP) sihirli açı eğirme (MAS) nükleer manyetik rezonans (NMR) probuna kriyojenik transferi için bir protokol sunulmaktadır. Protokol, deneyden önce rotor depolaması için yol tariflerini ve deneyden önce ve sonra uygulanabilirlik ölçümleri için yol tariflerini içerir.

Hücresel Canlılığı Koruyan Sihirli Açı Dönen Nükleer Manyetik Rezonans Spektrometresine Kriyojenik Örnek Yükleme

Bu protokol, katı maddeler ve sıvılar gibi çeşitli yüzeylerin işlenmesi için COST-Jet'in kurulumunu, işlenmesini ve uygulanmasını karakterize etmek için sunulmuştur.

COST-Jet kullanarak Yüzeyleri Soğuk Atmosferik Basınçlı Plazma ile Tedavi Etme

Kriyojenik Odaklı İyon Işını (FIB) ve Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM) teknikleri, bozulmamış katı-sıvı arayüzlerinin kimyası ve morfolojisi hakkında önemli bilgiler sağlayabilir. Bu tür arayüzlerin yüksek kaliteli Enerji Dağıtıcı X-ışını (EDX) spektroskopik haritalarını hazırlama yöntemleri, enerji depolama cihazlarına odaklanarak detaylandırılmıştır.

Kriyo-Odaklı İyon Işını Frezelemeyi Taramalı Elektron Mikroskobu ve Spektroskopi ile Birleştirerek Sıvı-Katı Arayüzlerinin Nano Ölçekli Karakterizasyonu

Burada, hem hızlı ızgara yapımı hem de zaman çözümlenmiş deneyler yapmak için hızlı karıştırma ve dondurma için hızlı ızgara yapma cihazının kullanımı için ayrıntılı bir protokol sunuyoruz.

Zaman Çözümlü Cryo-Elektron Mikroskopisi için Hızlı Şebeke Hazırlığı

Burada sunulan protokol, sıvı kriyojende vitrifikasyondan önce en az 90 ms karıştırılan kendi kendine fitillenen nanotel ızgaraya iki ilgi örneği sunmak için yeni bir robotik sistem olan Spotiton'un kullanımını açıklamaktadır.

Yeni Bir Robotik Sistem Kullanarak Zaman Çözümlenen Çalışmalar için Kriyo-Elektron Mikroskobik Izgara Hazırlığı, Spotiton

Mevcut protokol, mikroakışkan cihazlarda mikroskobik buz kristallerinin ve klatrat hidratların kristalleşmesini tanımlamakta ve oluşan kristallerin etrafında sıvı değişimini sağlamaktadır. Bu, inhibitörlerin kristalleşme sürecini ve bağlanma mekanizmalarını incelemek için eşsiz olanaklar sağlar.

Buz ve Klatrat Hidrat Kristalizasyonunun İncelenmesi için Mikroakışkan Bir Yaklaşım

Keşfedin kriyojenik sıvı jetlerin montajını ve çalıştırılmasını yüksek tekrarlama hızlı lazer-plazma deneyleri için. Bu yöntem laboratuvar astrofiziği ve parçacık hızlandırıcıları alanlarında sürekli hedefler sağlar.

Yüksek Tekrarlama Hızı Keşif Bilimi için Kriyojenik Sıvı Jetler

Daha fazla video keşfet