Cryogenic Liquid Jets for High Repetition Rate Discovery Science

Chandra  B. Curry; Christopher Schoenwaelder; Sebastian Goede; Jongjin  B. Kim; Martin Rehwald; Franziska Treffert; Karl Zeil; Siegfried  H. Glenzer; Maxence Gauthier

doi:10.3791/61130

JoVE Journal > Engineering

Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.

工程学

Cryogene vloeistofstralen voor ontdekkingswetenschap met hoge herhalingssnelheid

Published: May 09, 2020

doi:

10.3791/61130

Chandra B. Curry*^1,2, Christopher Schoenwaelder*^1,3, Sebastian Goede⁴, Jongjin B. Kim¹, Martin Rehwald^5,6, Franziska Treffert^1,7, Karl Zeil⁵, Siegfried H. Glenzer¹, Maxence Gauthier¹

¹SLAC National Accelerator Laboratory, ²University of Alberta, ³Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg, ⁴European XFEL, ⁵Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf, ⁶Technische Universität Dresden, ⁷Technische Universität Darmstadt

Summary

Dit protocol presenteert de werking en principes van cilindrische en planaire cryogene vloeistofstralen op micronschaal. Tot nu toe werd dit systeem gebruikt als een doelwit met een hoge herhalingsfrequentie in laser-plasma-experimenten. Verwachte multidisciplinaire toepassingen variëren van laboratoriumastrofysica tot materiaalkunde en uiteindelijk deeltjesversnellers van de volgende generatie.

Abstract

Dit protocol presenteert een gedetailleerde procedure voor de werking van continue, micron-formaat cryogene cilindrische en vlakke vloeistofstralen. Bij gebruik zoals hier beschreven, vertoont de jet een hoge laminariteit en stabiliteit gedurende centimeters. Succesvolle werking van een cryogene vloeistofstraal in het Rayleigh-regime vereist een basiskennis van vloeistofdynamica en thermodynamica bij cryogene temperaturen. Theoretische berekeningen en typische empirische waarden worden gegeven als leidraad voor het ontwerpen van een vergelijkbaar systeem. Dit rapport identificeert het belang van zowel reinheid tijdens cryogene bronassemblage als stabiliteit van de cryogene brontemperatuur eenmaal vloeibaar. Het systeem kan worden gebruikt voor lasergestuurde protonversnelling met hoge herhalingssnelheid, met een beoogde toepassing in protontherapie. Andere toepassingen zijn laboratoriumastrofysica, materiaalkunde en deeltjesversnellers van de volgende generatie.

Introduction

Het doel van deze methode is om een snelle, cryogene vloeistofstroom te produceren die bestaat uit zuivere elementen of chemische verbindingen. Aangezien cryogene vloeistoffen verdampen bij omgevingstemperatuur en -druk, kunnen restmonsters van bedrijf met hoge herhalingssnelheden (bijv. 1 kHz) volledig uit de vacuümkamer worden geëvacueerd¹. Gebaseerd op het eerste werk van Grisenti et al.², werd dit systeem voor het eerst ontwikkeld met behulp van cryogene waterstof voor hoge intensiteit laseraangedreven protonversnelling³. Het is vervolgens uitgebreid naar andere gassen en gebruikt in een aantal experimenten, waaronder: ionenversnelling^4,5, het beantwoorden van vragen in de plasmafysica zoals plasma-instabiliteiten⁶, snelle kristallisatie en faseovergangen in waterstof⁷ en deuterium^, en meV inelastische röntgenverstrooiing⁸ om akoestische golven in argon op te lossen in het Matter in Extreme Conditions (MEC) -instrument bij de Linac Coherent Light Source (LCLS)⁹.

Tot nu toe zijn andere alternatieve methoden ontwikkeld om vaste cryogene waterstof- en deuteriummonsters met een hoge herhalingssnelheid te genereren. Garcia et al. ontwikkelden een methode waarbij waterstof vloeibaar wordt gemaakt en gestold in een reservoir en geëxtrudeerd door een opening¹⁰. Vanwege de hoge druk die nodig is voor extrusie, is de minimale monsterdikte (tot op heden) 62 μm¹¹. Dit systeem vertoont ook grote ruimtelijke jitter¹². Meer recent produceerden Polz et al. een cryogene waterstofstraal door een glazen capillair mondstuk met behulp van een monstergasbackingdruk van 435 psig (pond per vierkante inch, meter). De resulterende cilindrische straal van 10 μm is continu, maar lijkt sterk gerimpeld¹³.

Hier wordt een methode gepresenteerd die cilindrische (diameter = 5-10 μm) en vlakke jets produceert met verschillende beeldverhoudingen (1-7 μm x 10-40 μm). De aanwijsjitter neemt lineair toe als functie van de afstand tot het diafragma⁵. Vloeistofeigenschappen en de toestandsvergelijking dicteren de elementen en chemische verbindingen die in dit systeem kunnen worden gebruikt. Methaan kan bijvoorbeeld geen continue straal vormen als gevolg van het uiteenvallen van Rayleigh, maar het kan worden gebruikt als druppels¹⁴. Bovendien variëren de optimale druk- en temperatuuromstandigheden aanzienlijk tussen de afmetingen van de opening. De volgende paragrafen bieden de theorie die nodig is om laminaire, turbulent-vrije cryogene waterstofjets te produceren. Dit kan worden uitgebreid naar andere gassen.

Het cryogene straalsysteem bestaat uit drie hoofdsubsystemen: (1) monstergasafgifte, (2) vacuüm en (3) cryostaat en cryogene bron. Het in figuur 1 afgebeelde systeem is ontworpen om zeer aanpasbaar te zijn voor installatie in verschillende vacuümkamers.

Het gastoevoersysteem bestaat uit een gecomprimeerde gasfles met ultrahoge zuiverheid, een gasregelaar en een massflowregelaar. De backingdruk van het monstergas wordt ingesteld door de gasregelaar, terwijl de massastroomregelaar wordt gebruikt om de gasstroom die aan het systeem wordt geleverd te meten en te beperken. Het monstergas wordt eerst gefilterd in een koude val met vloeibare stikstof om verontreinigingsgassen en waterdamp te bevriezen. Een tweede in-line roetfilter voorkomt dat vuil het laatste segment van de gasleiding binnendringt.

Turbomoleculaire pompen met scrollpompen met hoge pompsnelheid handhaven hoge vacuümcondities in de monsterkamer. De vacuümdrukken van de kamer en de voorlijn worden bewaakt met behulp van respectievelijk vacuümmeters V1 en V2. Opgemerkt moet worden dat het bedienen van de cryogene straal een aanzienlijke gasbelasting (evenredig met de totale monsterstroom) in het vacuümsysteem introduceert wanneer de vloeistof verdampt.

Een beproefde methode om de gasbelasting te verminderen is het opvangen van de restvloeistof voordat bulkverdamping kan optreden. Het straalvangersysteem bestaat uit een onafhankelijke vacuümleiding die wordt afgesloten door een differentiële pompopening van ø800 μm op maximaal 20 mm van de cryogene brondop. De lijn wordt geëvacueerd met een pomp die een optimaal rendement vertoont in het bereik van 1 x ^10-2 mBar (d.w.z. een wortelblowervacuümpomp of hybride turbomoleculaire pomp) en wordt bewaakt door een vacuümmeter V3. Meer recent heeft de vanger cryogene waterstofstralen tot 7 μm x 13 μm kunnen bedienen met twee ordes van grootte verbetering van de vacuümkamerdruk.

Een vaste lengte, continue stroom vloeibaar helium cryostaat wordt gebruikt om de bron af te koelen tot cryogene temperaturen. Vloeibaar helium wordt met behulp van een transferlijn uit een toevoerdewar gehaald. De retourstroom is aangesloten op een regelbaar debietmeterpaneel om het koelvermogen te regelen. De temperatuur van de koude vinger en cryogene bron wordt gemeten met vier temperatuursensoren van de loodsiliciumdiode. Een proportioneel-integraal-afgeleide (P-I-D) temperatuurregelaar levert variabele spanning aan een kachel die in de buurt van de koude vinger is geïnstalleerd om de temperatuur aan te passen en te stabiliseren. Het monstergas komt de vacuümkamer binnen via een aangepaste doorvoer op de cryostatenflens. In de kamer wikkelt de gasleiding zich rond de cryostaat om het gas voor te koelen voordat deze wordt aangesloten op een vaste gasleiding op de cryogene bronassemblage. Roestvrijstalen schroeven en een 51 μm dikke laag indium sluiten de cryogene bron thermisch af voor de koude vinger.

De cryogene bron (figuur 2) bestaat uit zes hoofdcomponenten: een (1) monstergasleiding, (2) bronlichaam, (3) bronflens met in-line deeltjesfilter, (4) diafragma, (5) ferrule en (6) dop. Het bronlichaam bevat een leegte, die fungeert als het monsterreservoir. Een Swagelok sinter 0,5 μm roestvrijstalen filter met schroefdraad voorkomt dat vuil of gestolde verontreinigingen het vloeistofkanaal binnendringen en de opening belemmeren. Een dikkere, 76 μm dikke indiumring wordt tussen de opening en het vloeistofkanaal geplaatst om de vervormingslengte te vergroten en de opening betrouwbaar af te dichten. Wanneer de dop op de bronflens wordt geregen, wordt het indium samengeperst om een vloeibare en thermische afdichting te vormen. De ferrule en brondop centreren het diafragma tijdens de installatie.

Er zijn een aantal algemene overwegingen bij het initiële ontwerp van een systeem voor cryogene vloeistofstralen die in het continue, laminaire regime worden gebruikt. Gebruikers moeten het totale koelvermogen van de cryostaat, de thermische eigenschappen van het cryogene bronontwerp, de prestaties van het vacuümsysteem en de vloeistoftemperatuur en -druk schatten. Hieronder vindt u het vereiste theoretische kader.

Overwegingen met betrekking tot koelvermogen

1) Vloeibaar maken van waterstof¹⁵: het minimale koelvermogen dat nodig is om waterstof vloeibaar te maken van 300 K tot een temperatuur kan ruwweg worden geschat met behulp van de volgende vergelijking:

Waarbij: is de soortelijke warmte bij constante druk , en de latente verdampingswarmte van H₂bij de drukafhankelijke liquefactietemperatuur . Een cryogene waterstofstraal die werkt bij een gasdruk van 60 psig en wordt afgekoeld tot 17 K vereist bijvoorbeeld minimaal 4013 kJ/kg. Bij een waterstofgasstroom van 150 sccm (standaard kubieke centimeter per seconde) komt dit overeen met een warmte van 0,9 W.

Opgemerkt moet worden dat het liquefactieproces slechts een tiende van het totale benodigde koelvermogen bijdraagt. Om de warmtebelasting op de cryostaat te verminderen, kan het gas worden voorgekoeld tot een tussentemperatuur voordat het het bronlichaam binnengaat.

2) Stralingswarmte: om de cryogene bron op een temperatuur te houden, moet de cryostaat compenseren voor stralingsverwarming. Dit kan worden geschat door het verschil tussen uitgezonden en geabsorbeerde blackbody-straling in evenwicht te brengen met behulp van de volgende vergelijking:

Waarbij: A de oppervlakte van het bronlichaam is, de constante van Stefan-Boltzmann en de temperatuur van de vacuümkamer is. Een typische straalbron van A = 50 cm 2 afgekoeld tot 17 K vereist bijvoorbeeld een minimaal koelvermogen van^2,3 W. kan lokaal worden verminderd door een actief gekoeld stralingsscherm toe te voegen dat een aanzienlijk deel van de cryogene bron bedekt.

3) Restgasgeleiding: hoewel thermische straling dominant is in ultrahoge vacuümomstandigheden, wordt de bijdrage als gevolg van geleiding in het restgas niet te verwaarlozen tijdens de straalwerking. De vloeistofstraal introduceert een aanzienlijke gasbelasting in de kamer, wat resulteert in een toename van de vacuümdruk. Het netto warmteverlies door thermische geleiding van het gas bij een druk p wordt berekend met behulp van de volgende vergelijking:

Waarbij: is een coëfficiënt afhankelijk van de gassoort (~3,85 x ^10-2 W/cm 2/K/mBar voor H₂), en is de accommodatiecoëfficiënt die afhankelijk is van de gassoort, geometrie van de bron en temperatuur van de bron en het gas^16,17. Bij het gebruik van een cryogene waterstofstraal bij 17 K, uitgaande van een cilindrische geometrie van de bron en dat waterstof het belangrijkste gas is dat aanwezig is in de vacuümkamer, genereert gasgeleiding warmte die kan worden geschat met behulp van de volgende vergelijking:

Gasgeleiding bij een vacuümdruk van 4,2 x ^10-3mBar genereert bijvoorbeeld evenveel warmte als thermische straling. Daarom wordt de vacuümdruk over het algemeen onder 1 x ^10-3 mBar gehouden tijdens het gebruik van de straal, waardoor een warmtebelasting van ~ 0,55 W aan het systeem wordt toegevoegd (A = 50 cm²).

De gasbelasting die tijdens bedrijf in de kamer wordt geïntroduceerd, wordt verkregen door de stroom van de cryogene straal. De resulterende vacuümdruk wordt vervolgens bepaald door de effectieve pompsnelheid van het vacuümsysteem en het volume van de vacuümkamer.

Om de cryogene straal te laten werken, moet de cryostaat voldoende koelvermogen genereren om de verschillende warmtebronnen hierboven te compenseren (bijvoorbeeld 3,75 W), exclusief de warmteverliezen van het cryostaatsysteem zelf. Merk op dat de cryostaat efficiëntie ook sterk afhankelijk is van de gewenste koude vingertemperatuur.

Straalparameters schatten

Om een continue laminaire stroming tot stand te brengen, moet aan verschillende voorwaarden worden voldaan. Kortheidshalve wordt hier het geval van een cilindrische vloeistofstroom weergegeven. De vorming van vlakke jets brengt extra krachten met zich mee, wat resulteert in een complexere afleiding die buiten het bestek van dit artikel^{valt 18}.

1) Druk-snelheidsrelatie: voor niet-samendrukbare vloeistofstromen levert behoud van energie de Bernoulli-vergelijking op, als volgt:

Waarbij: de vloeibare atomaire dichtheid is, de vloeistofsnelheid is, de zwaartekrachtpotentiaalenergie is en p de druk. Door de Bernoulli-vergelijking over het diafragma toe te passen, kan de functionele relatie tussen de straalsnelheid en de backingdruk van het monster worden geschat met behulp van de volgende vergelijking:

2) Jet operation regime: het regime van een cilindrische vloeibare jet kan worden afgeleid met behulp van de Reynolds en de Ohnesorge nummers. Het Reynoldsgetal, gedefinieerd als de verhouding tussen de traagheids- en viskeuze krachten in de vloeistof, wordt berekend met behulp van de volgende vergelijking:

Waarbij: , , , en respectievelijk de dichtheid, snelheid, diameter en dynamische viscositeit van de vloeistof zijn. Laminaire stroming treedt op wanneer het Reynoldsgetal kleiner is dan ~ 2.000. Op dezelfde manier vergelijkt het Weber-getal de relatieve grootte van de traagheid met de oppervlaktespanning en wordt het berekend met behulp van de volgende vergelijking:

Waarbij: σ is de oppervlaktespanning van de vloeistof. Het Ohnesorge-getal wordt dan als volgt berekend:

Deze snelheidsonafhankelijke grootheid wordt gebruikt in combinatie met het Reynoldsgetal om de vier vloeibare straalregimes te identificeren: (1) Rayleigh, (2) eerste windgeïnduceerde, (3) tweede windgeïnduceerde en (4) verstuiving. Voor laminaire turbulent-vrije cryogene vloeistofstroom moeten parameters worden geselecteerd om te werken binnen het Rayleigh-regime¹⁹ (d.w.z. ). In dit regime blijft de vloeistofkolom continu met een glad oppervlak tot de zogenaamde intacte lengte, geschat als volgt²⁰:

De verschillende vloeistofparameters voor een cilindrische cryogene waterstofstraal met een diameter van 5 μm bij 60 psig en 17 K zijn samengevat in figuur 3. Om een continue straal gedurende langere afstanden te behouden, moet de vloeistof voldoende dicht bij de overgang tussen vloeistof en vaste stof worden afgekoeld (figuur 4), zodat verdampingskoeling, die optreedt zodra de straal zich in vacuüm voortplant, de straal stolt vóór het begin van rayleighbreuk ^3,21.

Protocol

Het volgende protocol beschrijft de assemblage en werking van een cilindrische cryogene waterstofstraal met een diameter van 5 μm die werkt bij 17 K, 60 psig als voorbeeldgeval. Een uitbreiding van dit platform naar andere diafragmatypen en gassen vereist werking bij verschillende drukken en temperaturen. Als referentie zijn de werkparameters voor andere jets vermeld in tabel 1. Secties 1-3 en sectie 7 worden uitgevoerd bij omgevingstemperatuur en -druk, terwijl secties 4-6 worden uitgevoerd bij hoog vacuüm. 1. Installatie van de cryostaat in de vacuümkamer LET OP: Een vacuümvat kan gevaarlijk zijn voor personeel en apparatuur door instorting, breuk als gevolg van back-fill druk of implosie als gevolg van het falen van het vacuümvenster. Overdrukventielen en barstschijven moeten op vacuümvaten in een cryogeen systeem worden geïnstalleerd om overdruk te voorkomen. Steek de cryostaat voorzichtig in de vacuümkamer. Isoleer de cryostaat trillingsmatig uit de vacuümkamer met behulp van een stabilisatieplatform. Voer een vacuümtest uit om de basisvacuümdruk te bepalen die, zoals we hebben gevonden, beter moet zijn dan ~ 5 x 10-5 mBar. Een restgasanalysator (RGA) is vaak nuttig om vocht en verontreinigende gassen in het systeem te identificeren. Sluit de temperatuurregelaar en verwarming aan op de cryostaat en bevestig een nauwkeurige meting bij omgevingstemperatuur.Als er een onverwachte waarde wordt gemeten, controleert u de continuïteit van de temperatuursensor naar de juiste aansluitingen op de temperatuurregelaar. Vervang anders de temperatuursensor. Sluit de heliumretourleiding(en) aan op een instelbaar debietmeterpaneel. Evacueer de isolerende vacuümmantel op de overdrachtsleiding tot beter dan 1 x 10-2 mBar met behulp van een turbomoleculaire pomp ondersteund door een droge scrollpomp. Breng een dunne laag cryogeen vacuümvet aan op de O-ring in de kop van de cryostaat. Steek de bajonet van de transferlijn langzaam in de cryostaat totdat de stelschroef contact maakt met de cryostatenop. Er moet minimale weerstand zijn. Draai de stelschroef vast om de naaldklep op de bajonet van de koelkast in de gewenste positie te zetten. Voer een cryostaat prestatietest uit om de betrouwbaarheid van de temperatuursensor te controleren door af te koelen tot de laagst haalbare temperatuur. Als er tijdens het afkoelen onverwachte temperaturen worden gemeten, inspecteer dan visueel de temperatuursensoren op goed contact met de cryostaat. Indien nodig, herpositioneer en breng cryogeen vacuümvet aan om het contact te verbeteren. Monteer de monstergasleiding volgens het P&ID-diagram in figuur 1. Gebruik een lekdetector met hoge gevoeligheid om eventuele lekken te identificeren.LET OP: Waterstof, deuterium en methaan zijn zeer licht ontvlambare gassen. Gebruik leidingen en apparatuur die zijn ontworpen om de druk en fysieke gevaren te weerstaan. Lokale afzuiging of ventilatie zijn nodig om de concentratie onder de explosiegrens te houden. Voordat u deze procedure met andere gassen toepast, raadpleegt u het bijbehorende veiligheidsinformatieblad (SDS). Spoel de gasleiding volgens de continue stroomzuiveringstechniek om verontreinigingsgassen en waterdamp te verdunnen tot de zuiverheid van het monstergas. De totale tijd is afhankelijk van het volume van de gasleiding en de gasstroom bij een bepaalde steundruk.LET OP: Zorg er tijdens het spoelen van de leiding voor dat de vacuümkamer voldoende wordt geventileerd of onder vacuüm wordt gehouden om ophoping van brandbare gassen te voorkomen. Nadat de eerste zuivering is voltooid, handhaaft u een constante positieve druk (bijv. 30 sccm bij 50 psig) op de lijn om het risico te beperken dat verontreinigende gassen de leiding binnendringen wanneer de vacuümkamer op omgevingsdruk staat. 2. Installatie van de cryogene broncomponenten OPMERKING: Alle voorbereiding en montage van de cryogene broncomponenten moet worden uitgevoerd in een schone omgeving met de juiste cleanroomkleding (d.w.z. handschoenen, haarnetten, laboratoriumjassen, enz.). Gebruik indirecte ultrasone reiniging om verontreinigingen (bijv. Resterend indium) uit de cryogene broncomponenten te verwijderen.Vul een sonicator met gedestilleerd water en voeg een oppervlakteactieve stof toe om de oppervlaktespanning van het water te verminderen. Plaats cryogene brondelen in individuele glazen bekers, dompel ze volledig onder in isopropanol van elektronicakwaliteit en bedek de bekers losjes met aluminiumfolie om verdamping te verminderen en deeltjesverontreiniging te voorkomen. Plaats de bekers in de reinigingsmand of een bekerstandaard in de sonicator om cavitatie te maximaliseren. Bekers mogen de onderkant van de sonicator niet raken. Activeer de sonicator gedurende 60 minuten. Inspecteer de isopropanol met behulp van een helder wit licht op zwevende deeltjes of residu. Als er deeltjes zichtbaar zijn, spoel de onderdelen dan af met schoon isopropanol en vervang het isopropanolbad. Soniceer in cycli van 60 minuten totdat er geen deeltjes of residu zichtbaar zijn. Plaats de onderdelen op een afgedekt, schoon oppervlak om uit te drogen gedurende minimaal 30 minuten vóór de montage. Herhaal punt 2.1 voor het roestvrijstalen filter, de brondop, de ferrule en de montageschroeven. Snijd een stuk indium om de overgang tussen het cryogene bronlichaam en de koude vinger van de cryostaat maximaal te bedekken. Plaats het indium op de cryogene bron en houd het gelijk met de koude vinger van de cryostaat. Draai de borgschroeven vast, zodat het indium vlak blijft, om een thermische afdichting tussen de componenten tot stand te brengen. Niet te strak aandraaien, want de koperen draden raken gemakkelijk beschadigd. Schroef het roestvrijstalen filter met schroefdraad op de cryogene bronflens. Plaats een indium pakking op de bronflens. Bevestig de bronflens aan het cryogene bronlichaam met behulp van de flensschroeven. Draai de schroeven diagonaal vast in plaats van sequentieel rond de omtrek. Sluit de monstergasleiding op de cryostaat aan op de cryogene bron. Controleer op lekken met behulp van een lekdetector met hoge gevoeligheid. 3. Installatie van diafragma Selecteer een diafragma op basis van experimentele behoeften.Inspecteer het diafragma met behulp van brightfield- en darkfield-microscopietechnieken om onvolkomenheden in het diafragma, fysieke obstakels of resterende fotoresist te identificeren. Sommige fysieke obstakels kunnen gemakkelijk worden verwijderd wanneer ze worden gespoeld met isopropanol. Gooi anders het diafragma weg. Als er fotoresist overblijft van de nanofabricage van het diafragma, gebruik dan een acetonbad of piranha-oplossing om het te verwijderen.LET OP: Piranha-oplossing, bestaande uit 3:1 zwavelzuur (H 2 SO4) en waterstofperoxide (H 2 O2), is extreem corrosief voor organisch materiaal, inclusief de huid en luchtwegen. Bij de reactie van Piranha met organisch materiaal komt gas vrij, dat explosief kan worden. Verzegel nooit containers die Piranha bevatten. Een volledig gelaatsscherm, chemisch bestendig schort, laboratoriumjas en neopreenhandschoenen zijn vereist. Spoel het diafragma af met isopropanol van elektronische kwaliteit om vuil of oppervlakteverontreiniging te verwijderen. Laat het diafragma 10 minuten drogen op een schoon en bedekt oppervlak voordat u het installeert. Plaats de ferrule in de dop. Gebruik een schoon pincet met zachte punt om het diafragma in de ferrule te plaatsen. Tik op de dop om het diafragma in de ferrule te centreren. Laat een indiumring bovenop het diafragma vallen. Tik nogmaals op de rand van de dop om de indiumring op het diafragma te centreren. Draai de dop met de hand vast op de bronflens totdat minimale weerstand wordt gedetecteerd. Beperk het debiet op de massflowregelaar door het instelpunt te verhogen tot 500 sccm en stel de gasdruk in op ~50 psig op de drukregelaar. Draai het diafragma voorzichtig een paar graden per keer vast met een moersleutel totdat het debiet begint af te nemen. Voltooi het aandraaien van de dop door de leksnelheid aan de bovenkant van de dop te controleren met de zeer gevoelige lekdetector in plaats van de massastroomregelaar. Stop wanneer het aandraaien de gemeten leksnelheid niet langer verlaagt. Als het debiet niet onder ongeveer 50 sccm daalt, gaat u verder met de volgende stappen.Gebruik de lekdetector om te controleren op lekken rond de bronflens en -dop. Draai de schroeven op de bronflens opnieuw vast en meet de leksnelheid opnieuw. Verwijder de dop en inspecteer de opening en de punt van de bronflens. Als de opening beschadigd is, reinigt u de dop volgens stap 2.2 en herhaalt u sectie 3. Als de indiumring aan het diafragma is bevestigd, gooit u het diafragma weg en herhaalt u sectie 3. Als de volledige indiumring aan de flens is bevestigd, gebruikt u een schoon plastic scheermesje om rest-indium af te schrapen en herhaalt u stap 3.2-3.10. Na verloop van tijd kan indium zich ophopen op de punt van de bronflens, waardoor latere openingen niet kunnen worden afgedicht. Verwijder in dit geval de bronflens en herhaal secties 2.1-2.2 gevolgd door stap 2.5-2.7. Verander uit veiligheidsoverwegingen het instelpunt op de massflowregelaar naar 10 sccm hoger dan de uiteindelijke stroom die wordt bepaald door de afmetingen van het diafragma. 4. Afkoelprocedure Controleer of de vacuümkamerdruk de verwachte basislijn voor een bepaalde monstergasstroom heeft bereikt. Om de afwezigheid van verontreinigende gassen te garanderen, die zich tijdens het afkoelen op de cryogene bron zullen afzetten, wordt de vacuümkamer meestal gedurende ten minste 1 uur na het bereiken van de basisdruk gepompt. Deze duur varieert met de lokale luchtvochtigheid en het vacuümsysteem. Schakel de cryostaat uitlaatverwarming in om te voorkomen dat de cryostaatkop bevriest door de retourstroom van heliumgas. Beperk de gasstroom op de massastroomregelaar door het instelpunt te verhogen tot 500 sccm. Vul de open-cyclus koudeval met vloeibare stikstof. Zorg ervoor dat het niveau van vloeibare stikstof te allen tijde boven het in-line filter ligt. Bewaak en vul indien nodig bij tijdens het afkoelen en het gebruik van de straal.LET OP: Contact met cryogene vloeistoffen, zoals vloeibare stikstof of vloeibaar helium, zal de huid, het gezicht en de ogen verbranden. Draag bij het hanteren van grote hoeveelheden cryogene vloeistoffen (meerdere liters) een gelaatsscherm, een veiligheidsbril, thermisch geïsoleerde cryogene handschoenen, cryogene schort, een lange broek zonder manchetten en schoenen met dichte tenen. Dergelijke vloeistoffen kunnen zuurstof verdringen en snelle verstikking veroorzaken. Stel de instelbare flowmeter(s) op de heliumretourleiding(en) in op volledig open. Depressurize de vloeibare helium dewar met behulp van de ontluchtingsklep. Sluit de kogelkraan aan de lagedrukontlastklep op de vloeibare heliumdewar. De aanbevolen dewardruk tijdens het afkoelen is 10 psig. Een hoekklep op de dewar-adapter stelt de operator in staat om de dewar-druk te verlagen als er een overschot aan koelvermogen is na het vloeibaar maken van het monster. Steek de toevoer dewar bajonet in de vloeibare helium dewar in één vloeiende beweging. De dewar moet onder druk komen te staan tot 10 psig wanneer de bajonet in contact komt met de vloeistof.LET OP: Houd alle blootgestelde huid te allen tijde uit de buurt van de nek van de dewar. Controleer op heliumgaslekken tussen de dewar- en dewar-adapter zodra de verbinding is aangedraaid met behulp van een lekdetector. Activeer de verwarming op de temperatuurregelaar en stel het temperatuurinstelpunt in op 295 K. Zodra de overdrachtsleiding zich vult en afkoelt, daalt de cryostaattemperatuur van de omgevingstemperatuur naar 295 K, waarna de kachel wordt geactiveerd om een verdere temperatuurdaling te voorkomen. Merk op dat de tijd die nodig is voor de eerste temperatuurdaling afhankelijk is van de dewardruk en de totale overdrachtsleiding en cryostaatlengte. Stel de hellingsnelheid op de temperatuurregelaar in op 0,1 K/s en het instelpunt op 200 K. Regel de heliumstroom om de oprijplaat te volgen zodat de verwarming niet wordt ingeschakeld. Houd 200 K vast voor een kort verblijfsegment (bijv. 5 min) om de cryostaat te laten thermiseren. Herhaal dit voor twee extra oprijsegmenten tot 120 K en vervolgens 40 K. Een conservatieve afkoelprocedure wordt gebruikt om sterke temperatuurgradiënten langs het systeem te voorkomen en maakt het mogelijk om de systeemparameters nauwlettend te volgen. De verblijftemperaturen worden uit de buurt van sublimatietemperaturen voor verontreinigingsgassen geselecteerd.Als de gasstroom onverwacht toeneemt, kan de indiumafdichting op de bronflens of opening zijn mislukt. Breek de afkoelprocedure af door verder te gaan met stap 6.4. Zodra de vacuümkamer is geventileerd, inspecteert u de afdichtingen en raadpleegt u punt 3.10 om opnieuw vast te maken en te controleren op lekken. Bij 40 K stemt u de parameters van de temperatuurregelaar P-I-D handmatig af volgens de Ziegler-Nichols-methode22 totdat de temperatuurstabiliteit beter is dan ±0,02 K. 5. Liqueficatie en straalwerking Controleer of het vloeibare stikstofgehalte boven het in-line filter ligt. Schakel de temperatuurhelling uit en verander de insteltemperatuur tot ver onder de theoretische damp-vloeistoffaseovergangstemperatuur (bijv. 20 K voor waterstof). Bij het begin van de liquefactie zal de gasstroom maximaal toenemen en zal een mengsel van gas en vloeistof uit de opening spuiten. Verhoog de heliumstroom (en) om extra koelvermogen te leveren om snel door de faseovergang te gaan. Gebruik schaduwografie met hoge vergroting met gepulseerde, sub-nanoseconde verlichting om de straalstabiliteit en laminariteit te visualiseren23. Optioneel: Als een toepassing of experiment een vooraf bepaalde locatie voor het monster heeft (bijvoorbeeld detectoren die op dezelfde positie in de ruimte zijn uitgelijnd), vertaalt u de cryogene bron met behulp van een meerassige manipulator op de cryostaatflens of gemotoriseerde punaactuatoren in de vacuümkamer. Vertaal de catcher om de druk in de catcher foreline te maximaliseren. Optimaliseer de P-I-D-parameters en de heliumstroom om de temperatuurstabiliteit te verbeteren tot beter dan ±0,02 K. Merk op dat de algehele stabiliteit van de straal sterk afhankelijk is van de vacuümkamerdruk, gasrugdruk en temperatuur. Een verandering in slechts 1 x 10-5 mBar kan bijvoorbeeld heroptimalisatie vereisen. Scan in temperatuur en druk om de straalstabiliteit en laminariteit te optimaliseren. De parameters van de voorbeeldstraal zijn vermeld in tabel 1.Als de straal uiteenvalt in een spray, kunnen de druk en temperatuur in de faseruimte te dicht bij de verdampingscurve liggen. Grote amplitudetemperatuur of heliumstroomoscillaties zullen resulteren in periodieke ruimtelijke verstoringen, die (in het extreme geval) resulteren in het gedreven uiteenvallen van de straal. Verminder de heliumstroom en optimaliseer P-I-D-parameters opnieuw om de oscillaties te dempen. Als de jet transversale (d.w.z. eerstewindregime) of longitudinale golven (d.w.z. Plateau-Rayleigh-instabiliteit) vertoont, verlaagt u de temperatuur om de viscositeit te verhogen, waardoor het Reynolds-getal wordt verminderd. Als laminariteit niet kan worden bereikt en de straalkarakteristieken onafhankelijk zijn van veranderingen in temperatuur en druk, kan er een fysieke obstructie (bijvoorbeeld fysiek puin of ijs) in de opening zijn. Voordat u de test afbreekt, volgt u stap 6.1-6.5 en controleert u de vacuümdruk en cryostaattemperatuur nauwlettend. Als een verontreinigingsgas of water op de opening is gesublimeerd waardoor een gedeeltelijke of volledige verstopping ontstaat, kan dit worden geïdentificeerd aan de hand van de afkooktemperatuur. Herhaal stap 4.11-4.12 en 5.1-5.6 om te bepalen of de stabiliteit van de straal verbetert. 6. Opwarmprocedure OPMERKING: Als de opening tijdens bedrijf wordt beschadigd, beperk dan onmiddellijk de monstergasstroom tot 10 sccm en verlaag de monstergasdruk tot 30 psig. Ga vervolgens direct verder met stap 6.5. Verander het instelpunt naar 20 K en verlaag de gasdruk van de bedrijfsdruk naar ongeveer 30 psig. Verhoog het instelpunt van de temperatuur in stappen van 1 K terwijl u de druk op de gasregelaar bewaakt. Naarmate de vloeistof in de cryogene bron verdampt, zal de druk in de gasleiding snel toenemen en zal de stroom over de massastroomregelaar 0 sccm lezen.OPMERKING: Laat de gasdruk de maximale bedrijfsdruk van de componenten op de monstergasleiding niet overschrijden. Als dit gebeurt, wacht dan totdat de lijn via de opening of het overdrukventiel onder druk staat tot een veilige waarde voordat u het instelpunt verder verhoogt. Herhaal stap 6.2 totdat het verhogen van het instelpunt van de temperatuur met 1 K niet leidt tot een toename van de gasleidingdruk. Schakel de temperatuurstijging in, wijzig het temperatuurinstelpunt in 300 K en regel de heliumstroom zoals vereist om een temperatuurstijging van 0,1 K / s te handhaven. Zodra de brontemperatuur hoger is dan 100 K, sluit u de instelbare flowmeter(s) op de heliumretourleiding(en). Druk de dewar af en open de kogelkraan naar het laagste overdrukventiel. Wacht tot de cryostaat thermaliseert bij 300 K voordat u de vacuümkamer ontlucht. Dit voorkomt dat waterdamp condenseert op de cryostaat en cryogene broncomponenten. Depressuriseer de dewar en verwijder vervolgens de toevoer dewar bajonet. Verwijder de koude val met vloeibare stikstof. Beperk de gasstroom op de massflowregelaar tot 30 sccm. Zet de uitlaatgaskachel uit. Deactiveer de verwarming op de temperatuurregelaar. Als de opening is beschadigd of als een obstructie wordt vermoed door een verandering in de stroom, gaat u verder met rubriek 7. Anders hoeft het diafragma niet te worden vervangen. 7. Vervanging van diafragma Verwijder de dop en inspecteer de opening en de punt van de bronflens. Als de indiumring aan de flens kleeft, gebruik dan een schoon plastic scheermesje om het eraf te schrapen met matige druk. Als de opening afgedicht blijft op de bronflens wanneer de dop wordt verwijderd, beperk dan de gasstroom tot 10 sccm en controleer of de gassteundruk is gedaald tot 30 psig. Verwijder het diafragma voorzichtig met een plastic scheermesje. Indien voortijdig verwijderd, kan overdruk in de lijn het diafragma beschadigen of uitwerpen. Herhaal sectie 3 om een nieuw diafragma te installeren.

Representative Results

Na stap 5.4 worden schaduwgrafieken met hoge vergroting gebruikt om laminariteit, positioneringsjitter en stabiliteit op lange termijn tijdens jet-operatie te beoordelen. Het is van cruciaal belang om gepulseerde, sub-nanoseconde verlichting te gebruiken om een onmiddellijk beeld van de jet op te nemen, zodat de straalbeweging (~ 0,1 μm / ns voor H2) geen onregelmatigheden of turbulentie aan het oppervlak vervaagt. Voorbeeldafbeeldingen van 2 x 20 μm 2 H 2, 4 x 12 μm 2 H 2 en 4 x 20 μm 2 D 2 jets zijn weergegeven in figuur 5. Een extra beeldvormingssysteem met hoge vergroting wordt gebruikt om de cryogene vloeistofstraal nauwkeurig in de ruimte te positioneren. Voor de eenvoud zijn de beeldvormingssystemen ontworpen om voor- en zijaanzichten van de jet te bieden. Het is vooral belangrijk om de straalstabiliteit te beoordelen en de oriëntatie van de vlakke stralen te bepalen. Een studie van de ruimtelijke jitter van een 2 x 20 μm 2 H2 als functie van de afstand tot het diafragma, uitgevoerd tijdens een enkele test gedurende meerdere uren, is weergegeven in figuur 6. De 1σ positioneringsjitter voor elk datapunt in figuur 6A werd berekend op basis van 49 beelden opgenomen op 10 Hz. Hier werd de straalpositie bepaald ten opzichte van een vaste referentiepositie. Figuur 6B toont als voorbeeld de genormaliseerde histogrammen van de straalpositie op 23 mm. Een meer gedetailleerde studie is te vinden in Obst et al.5. Gemiddeld neemt de ruimtelijke jitter lineair toe weg van het mondstuk. Typische systeemwaarnemingen tijdens het vloeibaar maken en stralen (volgens rubriek 5) van een cryogene deuteriumstraal van 4 x 20 μm2 zijn weergegeven in figuur 7. Zorgvuldige bewaking van de temperatuur, het debiet, de druk van de monsterbacking en de vacuümdruk stelt de operator in staat om eventuele onregelmatigheden snel te identificeren en dienovereenkomstig te reageren. Als de straal bijvoorbeeld de vanger verlaat, aangegeven door een onderbroken doos, nemen de vacuümkamer en de voorlijndruk aanzienlijk toe. Er is dan extra koelvermogen nodig om de insteltemperatuur op peil te houden. Eenmaal gestabiliseerd, moeten alle observabelen constant zijn met minimale oscillaties. Elke langdurige drift is indicatief voor een probleem (bijv. lekken, gasverontreiniging, afname van de prestaties van het vacuümsysteem, positioneringsdrift in de vanger). De keuze van het diafragma dicteert sterk de operationele parameters van de jet in het Rayleigh-regime. Zodra de optimale parameters voor een bepaald gas- en diafragmatype zijn geïdentificeerd, is de resulterende straal zeer reproduceerbaar; Kleine afwijkingen in het diafragma vereisen echter een heroptimalisatie op basis van de eerder geïdentificeerde waarden. Typische bedrijfsparameters zijn samengevat in tabel 1. Figuur 1: P&ID-diagram van een typisch cryogene vloeistofstraalafgifteplatform. De monstergas-, vacuüm- en cryogene subsystemen worden afgebeeld. De vacuümkamer, turbomoleculaire pompvoorlijn en jetvanger voorlijndrukken worden bewaakt met respectievelijk vacuümmeters V1, V2 en V3. De cryostaat temperatuur wordt actief geregeld met behulp van een P-I-D temperatuurregelaar. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken. Figuur 2: Driedimensionale exploded-view tekening van de cryogene bronassemblage. Indiumafdichtingen worden geïnstalleerd tussen de koude vinger en het bronlichaam, het bronlichaam en de flens, en de bronflens en het diafragma. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken. Figuur 3: Samenvatting van vloeistofdynamicaparameters. Parameters worden verstrekt, uitgaande van een ø5 μm cilindrische cryogene waterstofstraal die werkt bij 60 psig en 17 K. Waarden voor dichtheid, viscositeit en oppervlaktespanning zijn van NIST. 15. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken. Figuur 4: Waterstofvergelijking van toestand bij cryogene temperaturen15. De kritische en drievoudige punten worden aangegeven door respectievelijk blauwe en oranje gevulde cirkels. De straalwerking volgt een isobar door de gas-vloeistoffaseovergang. De straal stolt via verdampingskoeling in de vacuümkamer. Het grijze vak geeft het bereik van de steundrukken (40-90 psia) en temperaturen (17-20 K) aan die worden gescand om de stabiliteit van een cilindrische cryogene waterstofstraal van ø5 μm te optimaliseren. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken. Figuur 5:Representatieve 20x vergrotingsschaduwen van turbulent-vrije, laminaire cryogene vloeistofstralenmet behulp van een 10 ps/1057 nm golflengte laser. (A) Diafragma = 2 x 20 μm 2, gas = H2, T = 15,8 K, P = 188 psig. b) Diafragma = 4 x 12 μm 2, gas = H 2, T = 17,2 K, P = 80 psig. (C) Diafragma = 4 x 20 μm 2, gas: D2, T = 20 K, P = 141 psig. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken. Figuur 6: Jetpositiestabiliteit voor 2 x 20 μm2 cryogene waterstofstraal. Parameters zijn 18 K, 60 psig en Re 1887. (A) Positioneringsjitter als functie van de afstand tot het diafragma. De longitudinale (laterale) jitter komt overeen met beweging evenwijdig aan de korte (lange) as van de rechthoekige plaat. (B ) Genormaliseerd histogram van de straalpositie om de laterale jitter (σ = 5,5 μm) en longitudinale jitter (σ = 8,5 μm) op 23 mm van het mondstuk te bepalen. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken. Figuur 7: Representatieve stroming en drukken tijdens cryogene straalwerking. (A) Links: monstergasstroom, rechts: monstergasbackingdruk als functie van de tijd. Semi-log plot van de vacuümkamerdruk (V1; B), voorlijndruk turbomoleculaire pomp (V2; C), en straalvangerdruk (V3; D) als functies van de tijd. Omcirkelde getallen identificeren veranderingen in het systeem die zijn waargenomen tijdens sectie 5 van het protocol. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken. Monstergas Opening Temperatuur (K) Druk (psig) Stroming (sccm) Waterstof ø5 μm cilindrisch 17 60 150 50% waterstof, 50% deuterium ø5 μm cilindrisch 20 30, 30 130 Deuterium ø5 μm cilindrisch 22 75 80 Waterstof 1 μm x 20 μm vlak 18 182 150 Waterstof 2 μm x 20 μm vlak 18 218 236 Waterstof 4 μm x 20 μm vlak 17.5 140 414 Deuterium 4 μm x 20 μm vlak 20.5 117 267 Argon ø5 μm cilindrisch 90 50 18.5 Methaan ø5 μm cilindrisch 100 75 46 Tabel 1: Bedrijfsomstandigheden van de monsterstraal.

Discussion

Succesvolle werking van de cryogene vloeistofstraal vereist nauwgezette reinheid en zorgvuldige bewaking van de temperatuurstabiliteit. Een van de meest voorkomende en vermijdbare storingen is een gedeeltelijke of volledige blokkering van het diafragma ter grootte van een micron. Koper, roestvrij staal of indium van de bron of deeltjes in de lucht kunnen bij elke stap van de bronassemblage worden geïntroduceerd. Alle componenten moeten een robuust reinigingsproces ondergaan met behulp van indirecte ultrasoonapparaat. Montage en opslag in een klasse-10.000 cleanroom of beter verbetert het slagingspercentage.

Een andere cruciale stap van de procedure is het stabiliseren van de cryogene brontemperatuur. De gebruikers moeten ervoor zorgen dat de temperatuur van de vloeistof die de bron verlaat, onafhankelijk wordt gemeten van de variabele warmte die vrijkomt door continue vloeibaarmaking in het reservoir. Dit wordt bereikt door de temperatuursensor in de buurt van het diafragma te plaatsen (bijvoorbeeld op de bronflens) of ver van de warmtebron. Bovendien moeten P-I-D-parameters handmatig worden geoptimaliseerd met behulp van de Ziegler-Nichols-methode voor elke combinatie van temperatuur en steundruk. Als de temperatuurschommelingen te groot worden, kunnen periodieke oscillaties op de jet worden waargenomen, wat soms leidt tot periodieke breuk. Opgemerkt moet worden dat ingebouwde autotuning-functies of low-pass filters niet succesvol zijn geweest in het stabiliseren van de temperatuur tijdens straalbedrijf.

Het cryogene vloeistofstraalsysteem, hoewel zeer aanpasbaar, is een uitdaging om te implementeren op grootschalige faciliteiten met gevestigde vacuümprotocollen. Differentiële pompfasen zijn bijvoorbeeld vereist wanneer upstream-apparatuur gevoelig is voor het restgas (bijv. FLASH-vrije-elektronenlaser bij DESY of MeV-UED-instrument bij SLAC). Bovendien vereisen vacuümkamers met een grote diameter, zoals die voor multi-PW-lasers, waarschijnlijk flexibele cryostaten in vacuüm. In vergelijking met conventionele cryostaten met een vaste lengte kunnen ze gemakkelijk worden losgekoppeld van kamertrillingen en hebben ze een kortere hefboomarm. Een flexibele in-vacuüm cryostaat is al geïmplementeerd met de Draco Petawatt laser bij Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR). Een andere observatie is dat het diafragma kan worden beschadigd wanneer de jet wordt bestraald door een ultrahoge intensiteit laser te dicht bij de bron. Onlangs is een mechanisch hakmesje (werkend op 150 Hz en gesynchroniseerd met de laserpuls) geïmplementeerd om het diafragma te beschermen en te isoleren van de laser-plasma-interactie.

Dit systeem produceert micron-schaal, zeer instelbare, turbulent-vrije, laminaire cilindrische en planaire cryogene vloeistofstralen. De voortdurende ontwikkeling van het cryogene vloeistofstraalsysteem is gericht op geavanceerde diafragmamaterialen en -ontwerp, verbeteringen in het vacuümsysteem en de opvang en geavanceerde waterstofisotopenmenging. Dit systeem zal een overgang naar wetenschap met een hoge herhalingssnelheid en hoge energiedichtheid mogelijk maken en de weg vrijmaken voor de ontwikkeling van deeltjesversnellers van de volgende generatie.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Dit werk werd ondersteund door het SLAC-contract nr. van het Amerikaanse ministerie van Energie. DE- AC02-76SF00515 en door het Amerikaanse DOE Office of Science, Fusion Energy Sciences onder FWP 100182. Dit werk werd ook gedeeltelijk ondersteund door de National Science Foundation onder Grant No. 1632708 en door EC H2020 LASERLAB-EUROPE/LEPP (Contract No. 654148). C.B.C. erkent de steun van de Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada (NSERC). F.T. erkent de steun van de National Nuclear Security Administration (NNSA).

Materials

Cryogenic apron	Tempshield	Cryo-apron	Core body protection from cryogenic liquids
Cryogenic face shield	3M	82783-00000	ANSI Z87.1 rated for full face protection from cryogenic liquids
Cryogenic gloves	Tempshield	Cryo-gloves MA	Hand protection from cryogenic liquids
Cryogenic source components	SLAC National Accelerator Laboratory	Custom	Components are made of Oxygen-free Copper (OFC) to maximize thermal conductivity at cryogenic temperatures.
Cryostat and transfer line	Advanced Research Systems	LT-3B	Available in custom lengths up to 1250 mm for compatibility with existing vacuum vessels. Transfer line length and style can be selected based on system or laboratory space constraints.
Cylindrical apertures	SPI Supplies	P2005-AB	Commercial cylindrical apertures can be purchased individually
Electronic-grade isopropanol	Sigma Aldrich	733458-4L	99.999%, minimal particulates/trace metals, dries residue free
Flammable gas regulator	Matheson	M3816A-350	Pressure control of sample gas (e.g. hydrogen, deuterium)
Indium	Indium Corporation	Custom	99.99%, 50-75µm thick, for thermal and liquid seals in cryogenic source
Jet catcher system	SLAC National Accelerator Laboratory	Custom	Consists of skimmer, vacuum hardware and feedthroughs, vacuum gauge, roots vacuum pump
Laboratory-grade acetone	Sigma Aldrich	179973-4L	Used to remove grease and photoresist from components. Purity and grade not critical since final cleaning will use electronic-grade isopropanol
Leak detector	Matheson	SEQ8067	To ensure jet apertures have sealed before pumping down
Liquid helium	Airgas	HE 100LT	Top-loading dewar, Consumption depends on cryostat, source dimensions, and total gas flow. Typically 3-5 L/h.
Liquid nitrogen	Airgas	NI 160LT22	Total cold trap volume 4 L, consumption approximately 2L/h during jet operation
LN dewar flask (4 L)	ThermoFisher Scientific	4150-4000	For the liquid nitrogen cold trap
LN transfer hose	Cryofab	CFUL series	Uninsulated cryogenic hose with a phase separator to transfer LN from storage dewar to LN dewar flask for the cold trap
Manual XY manipulator	Pfeiffer Vacuum	420MXY100-25	Course adjustment (+/- 12.5 mm) of cryogenic source.
Manual Z manipulator	McAllister Technical Services	ZA12	Course adjustment of cryostat length for interchangeability on different vacuum vessels. Additionally, retracting cryogenic source from interaction point.
Mass flow controller	MKS Instruments	P9B, GM50A	To control and monitor gas flow
Planar apertures	Norcada	Custom	Custom nanofabrication of planar apertures
Positioning actuators	Newport	LTAHLPPV6, 8303-V	High-precision (<2µm), motorized jet positioning
Rotation stage	McAllister Technical Services	DPRF600	Precision alignment of jet orientation
Safety glasses	3M	S1101SGAF	ANSI Z87.1 rated for work with compressed gases

References

Gauthier, M., et al. High repetition rate, multi-MeV proton source from cryogenic hydrogen jets. Applied Physics Letters. 111, 114102 (2017).
Grisenti, R. E., et al. Cryogenic microjet for exploration of superfluidity in highly supercooled molecular hydrogen. Europhysics Letters. 73, 540-546 (2006).
Kim, J. B., Göde, S., Glenzer, S. H. Development of a cryogenic hydrogen microjet for high-intensity, high repetition rate experiments. Review of Scientific Instruments. 87, 328 (2016).
Gauthier, M., et al. High-intensity laser-accelerated ion beam produced from cryogenic micro-jet target. Review of Scientific Instruments. 87, 827 (2016).
Obst, L., et al. Efficient laser-driven proton acceleration from cylindrical and planar cryogenic hydrogen jets. Scientific Reports. 7, 10248 (2017).
Goede, S., et al. Relativistic Electron Streaming Instabilities Modulate Proton Beams Accelerated in Laser-Plasma Interactions. Physical Review Letters. 118, 194801 (2017).
Kühnel, M., et al. Time-Resolved Study of Crystallization in Deeply Cooled Liquid Parahydrogen. Physical Review Letters. 106, 245301 (2011).
McBride, E. E., et al. 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. Review of Scientific Instruments. 2018, 104 (2018).
Glenzer, S. H., et al. Matter under extreme conditions experiments at the Linac Coherent Light Source. Journal of Physics B: Atomic, Molecular and Optical Physics. 49, 9 (2016).
Garcia, S., Chatain, D., Perin, J. P. Continuous production of a thin ribbon of solid hydrogen. Laser and Particle Beams. 32, 569-575 (2014).
Margarone, D., et al. Proton Acceleration Driven by a Nanosecond Laser from a Cryogenic Thin Solid-Hydrogen Ribbon. Physical Review X. 6, 041030 (2016).
Kraft, S., et al. First demonstration of multi-MeV proton acceleration from a cryogenic hydrogen ribbon target. Plasma Physics and Controlled Fusion. 60, 044010 (2018).
Polz, J., et al. Efficient Laser-Driven Proton Acceleration from a Cryogenic Solid Hydrogen Target. Scientific Reports. 9, 16534 (2019).
Kim, J. B., Schoenwaelder, C., Glenzer, S. H. Development and characterization of liquid argon and methane microjets for high-rep-rate laser-plasma experiments. Review of Scientific Instruments. 89, 105 (2018).
NIST Standard Reference Database. . NIST Standard Reference Database Number 69. , (2018).
Corruccini, R. J. Gaseous heat conduction at low pressures and temperatures. Vacuum. 7-8, 19-29 (1959).
Scott, R. B., Denton, W. H., Nicholls, C. M. . Technology and Uses of Liquid Hydrogen. , (1964).
Ha, B., DePonte, D., Santiago, G. Device design and flow scaling for liquid sheet jets. Physical Review Fluids. 3, 114202 (2018).
Eggers, J., Villermaux, E. Physics of liquid jets. Rep. Prog. Phys. 71, 036601 (2008).
McCarthy, M. J., Molloy, N. A. Review of Stability of Liquid Jets and the Influence of Nozzle Design. Chemical Engineering Journal. 7, 1-20 (1974).
Neumayer, P., et al. Evidence for ultra-fast heating in intense laser irradiated reduced-mass targets. Physics of Plasmas. 19, 122708 (2012).
Ziegler, J. G., Nichols, N. B. Optimum Settings for Automatic Controllers. Transactions of the American Society of Mechanical Engineers. 64, 759-768 (1942).
Ziegler, T., et al. Optical probing of high intensity laser interaction with micron-sized cryogenic hydrogen jets. Plasma Physics and Controlled Fusion. 60, 074003 (2018).

Play Video

PDF

DOI

DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite This Article

Curry, C. B., Schoenwaelder, C., Goede, S., Kim, J. B., Rehwald, M., Treffert, F., Zeil, K., Glenzer, S. H., Gauthier, M. Cryogenic Liquid Jets for High Repetition Rate Discovery Science. J. Vis. Exp. (159), e61130, doi:10.3791/61130 (2020).