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.

공학

نفاثات سائلة مبردة لعلم اكتشاف معدل تكرار مرتفع

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

يعرض هذا البروتوكول تشغيل ومبادئ النفاثات السائلة المبردة الأسطوانية والمستوية على نطاق ميكرون. حتى الآن ، تم استخدام هذا النظام كهدف معدل تكرار مرتفع في تجارب الليزر والبلازما. تتراوح التطبيقات متعددة التخصصات المتوقعة من الفيزياء الفلكية المختبرية إلى علوم المواد ، وفي النهاية مسرعات الجسيمات من الجيل التالي.

Abstract

يقدم هذا البروتوكول إجراء مفصلا لتشغيل النفاثات السائلة الأسطوانية والمستوية المبردة المستمرة بحجم ميكرون. عند تشغيلها كما هو موضح هنا ، تظهر الطائرة صفيحة عالية وثباتا للسنتيمترات. يتطلب التشغيل الناجح لنفاثة سائلة مبردة في نظام رايلي فهما أساسيا لديناميات السوائل والديناميكا الحرارية في درجات الحرارة المبردة. يتم توفير الحسابات النظرية والقيم التجريبية النموذجية كدليل لتصميم نظام قابل للمقارنة. يحدد هذا التقرير أهمية كل من النظافة أثناء تجميع المصدر المبرد واستقرار درجة حرارة المصدر المبرد بمجرد تسييله. يمكن استخدام النظام لتسريع البروتون المدفوع بالليزر بمعدل تكرار مرتفع ، مع تطبيق متصور في العلاج بالبروتون. تشمل التطبيقات الأخرى الفيزياء الفلكية المختبرية وعلوم المواد ومسرعات الجسيمات من الجيل التالي.

Introduction

الهدف من هذه الطريقة هو إنتاج تدفق سائل مبرد عالي السرعة يتكون من عناصر نقية أو مركبات كيميائية. نظرا لأن السوائل المبردة تتبخر عند درجة الحرارة والضغط المحيطين ، يمكن إخلاء العينات المتبقية من التشغيل بمعدلات تكرار عالية (على سبيل المثال ، 1 كيلو هرتز) بالكامل من غرفة التفريغ¹. استنادا إلى العمل الأولي الذي قام به Grisenti et al.² ، تم تطوير هذا النظام لأول مرة باستخدام الهيدروجين المبرد لتسريع البروتون عالي الكثافة الذي يحركه الليزر³. وقد تم توسيعه لاحقا ليشمل غازات أخرى واستخدم في عدد من التجارب ، بما في ذلك: تسارع الأيونات ^4,5 ، والإجابة على الأسئلة في فيزياء البلازما مثل عدم استقرار البلازما⁶ ، والتبلور السريع وانتقالات الطور في الهيدروجين⁷ والديوتيريوم ، وتشتت الأشعة السينية غير المرن meV⁸ لحل الموجات الصوتية في الأرجون في أداة المادة في الظروف القاسية (MEC) في مصدر الضوء المتماسك Linac (LCLS) ⁹.

حتى الآن ، تم تطوير طرق بديلة أخرى لتوليد عينات عالية من الهيدروجين المبرد الصلب والديوتيريوم بمعدل تكرار. طور Garcia et al. طريقة يتم فيها تسييل الهيدروجين وتصلبه في خزان وبثقه من خلال فتحة¹⁰. نظرا للضغط العالي المطلوب للبثق ، فإن الحد الأدنى لسمك العينة الموضح (حتى الآن) هو 62 ميكرومتر¹¹. يعرض هذا النظام أيضا ارتعاشا مكانيا كبيرا¹². في الآونة الأخيرة ، أنتج Polz et al. نفاثة هيدروجين مبردة من خلال فوهة شعرية زجاجية باستخدام عينة من ضغط دعم الغاز يبلغ 435 رطل لكل بوصة مربعة (رطل لكل بوصة مربعة ، مقياس). النفاثة الأسطوانية الناتجة 10 ميكرومتر مستمرة ولكنها تبدو متموجة للغاية¹³.

تظهر هنا طريقة تنتج نفاثات أسطوانية (القطر = 5-10 ميكرومتر) ونفاثات مستوية بنسب عرض إلى ارتفاع مختلفة (1-7 ميكرومتر × 10-40 ميكرومتر). يزداد ارتعاش التأشير خطيا كدالة للمسافة من الفتحة⁵. تملي خصائص السوائل ومعادلة الحالة العناصر والمركبات الكيميائية التي يمكن تشغيلها في هذا النظام. على سبيل المثال ، لا يمكن أن يشكل الميثان نفاثة مستمرة بسبب تفكك رايلي ، ولكن يمكن استخدامه كقطرات¹⁴. علاوة على ذلك ، تختلف ظروف الضغط ودرجة الحرارة المثلى اختلافا كبيرا بين أبعاد الفتحة. تقدم الفقرات التالية النظرية اللازمة لإنتاج نفاثات هيدروجينية مبردة رقائقي وخالي من الاضطرابات. يمكن أن يمتد هذا إلى غازات أخرى.

يتكون النظام النفاث المبرد من ثلاثة أنظمة فرعية رئيسية: (1) توصيل عينة الغاز ، (2) الفراغ ، و (3) التبريد والمصدر المبرد. تم تصميم النظام الموضح في الشكل 1 ليكون قابلا للتكيف بدرجة كبيرة للتركيب في غرف تفريغ مختلفة.

يتكون نظام توصيل الغاز من أسطوانة غاز مضغوط فائقة النقاء ومنظم غاز ووحدة تحكم في التدفق الشامل. يتم ضبط ضغط الدعم لعينة الغاز بواسطة منظم الغاز ، بينما يتم استخدام وحدة التحكم في التدفق الشامل لقياس وتقييد تدفق الغاز الذي يتم توصيله إلى النظام. يتم ترشيح غاز العينة أولا في مصيدة النيتروجين السائل الباردة لتجميد الغازات الملوثة وبخار الماء. يمنع مرشح الجسيمات الثاني في الخط الحطام من دخول الجزء الأخير من خط الغاز.

تحافظ المضخات الجزيئية التوربينية المدعومة بمضخات تمرير عالية السرعة على ظروف فراغ عالية في غرفة العينة. تتم مراقبة ضغوط فراغ الغرفة والخط الأمامي باستخدام مقاييس الفراغ V1 و V2 ، على التوالي. وتجدر الإشارة إلى أن تشغيل النفاثة المبردة يقدم حمولة غاز كبيرة (تتناسب مع إجمالي تدفق العينة) في نظام التفريغ عندما يتبخر السائل.

تتمثل إحدى الطرق التي أثبتت جدواها لتقليل حمل الغاز في التقاط السائل المتبقي قبل حدوث التبخر السائب. يتكون نظام الماسك النفاث من خط تفريغ مستقل ينتهي بفتحة ضخ تفاضلية ø800 ميكرومتر تقع حتى 20 مم من غطاء المصدر المبرد. يتم إخلاء الخط بمضخة تظهر الكفاءة المثلى في نطاق 1 × ^10-2 ملي بار (أي مضخة تفريغ منفاخ الجذور أو مضخة توربينية جزيئية هجينة) ويتم مراقبتها بواسطة مقياس فراغ V3. في الآونة الأخيرة ، سمح الماسك بتشغيل نفاثات الهيدروجين المبردة التي تصل إلى 7 ميكرومتر × 13 ميكرومتر مع تحسين أمرين من حيث الحجم لضغط غرفة التفريغ.

يتم استخدام كريوستات الهيليوم السائل ذو الطول الثابت والتدفق المستمر لتبريد المصدر إلى درجات حرارة مبردة. يتم سحب الهيليوم السائل من ديوار الإمداد باستخدام خط النقل. يتم توصيل تدفق العودة بلوحة مقياس تدفق قابلة للتعديل لتنظيم قوة التبريد. يتم قياس درجة حرارة الإصبع البارد والمصدر المبرد باستخدام أربعة مستشعرات لدرجة حرارة صمام السيليكون الثنائي. توفر وحدة التحكم في درجة الحرارة المشتقة التكاملية النسبية (P-I-D) جهدا متغيرا لسخان مثبت بالقرب من الإصبع البارد لضبط درجة الحرارة وتثبيتها. يدخل غاز العينة إلى غرفة التفريغ من خلال تغذية مخصصة على شفة cryostat. داخل الغرفة ، يلتف خط الغاز حول المبرد لتبريد الغاز مسبقا قبل توصيله بخط غاز ثابت على مجموعة المصدر المبرد. مسامير الفولاذ المقاوم للصدأ وطبقة بسمك 51 ميكرومتر من الإنديوم تغلق حراريا المصدر المبرد للإصبع البارد.

يتكون المصدر المبرد (الشكل 2) من ستة مكونات رئيسية: (1) خط غاز عينة ، (2) جسم المصدر ، (3) شفة المصدر مع مرشح جسيمات في الخط ، (4) فتحة ، (5) الطويق ، و (6) غطاء. يحتوي جسم المصدر على فراغ يعمل كخزان عينة. يمنع مرشح الفولاذ المقاوم للصدأ Swagelok الملبد 0.5 ميكرومتر أي حطام أو ملوثات صلبة من دخول القناة السائلة وإعاقة الفتحة. يتم وضع حلقة إنديوم أكثر سمكا بسمك 76 ميكرومتر بين الفتحة والقناة السائلة لزيادة طول التشوه وإغلاق الفتحة بشكل موثوق. عندما يتم ربط الغطاء على شفة المصدر ، يتم ضغط الإنديوم لتشكيل ختم سائل وحراري. يقوم الطويق وغطاء المصدر بتوسيط الفتحة أثناء التثبيت.

هناك عدد من الاعتبارات العامة في التصميم الأولي لنظام للنفاثات السائلة المبردة التي تعمل في النظام الصفحي المستمر. يجب على المستخدمين تقدير إجمالي طاقة التبريد لجهاز التبريد ، والخصائص الحرارية لتصميم المصدر المبرد ، وأداء نظام الفراغ ، ودرجة حرارة السائل وضغطه. المقدمة أدناه هي الإطار النظري المطلوب.

اعتبارات طاقة التبريد

1) تسييل الهيدروجين¹⁵: يمكن تقدير الحد الأدنى من طاقة التبريد المطلوبة لتسييل الهيدروجين من 300 كلفن إلى درجة حرارة تقريبا باستخدام المعادلة التالية:

حيث: هي الحرارة النوعية عند ضغط ثابت ، والحرارة الكامنة لتبخير H₂عند درجة حرارة التسييل المعتمدة على الضغط. على سبيل المثال ، تتطلب طائرة الهيدروجين المبردة التي تعمل عند ضغط غاز 60 رطل لكل بوصة مربعة ويتم تبريدها إلى 17 كلفن ما لا يقل عن 4013 كيلو جول / كجم. مع تدفق غاز الهيدروجين البالغ 150 سم مكعب (سنتيمتر مكعب قياسي في الثانية) ، فإن هذا يتوافق مع حرارة 0.9 واط.

وتجدر الإشارة إلى أن عملية التسييل تساهم فقط بعشر إجمالي طاقة التبريد المطلوبة. لتقليل الحمل الحراري على جهاز التبريد ، يمكن تبريد الغاز مسبقا إلى درجة حرارة متوسطة قبل دخول جسم المصدر.

2) الحرارة الإشعاعية: للحفاظ على المصدر المبرد عند درجة حرارة ، يحتاج cryostat إلى تعويض التسخين الإشعاعي. يمكن تقدير ذلك عن طريق موازنة الفرق بين إشعاع الجسم الأسود المنبعث والممتص باستخدام المعادلة التالية:

حيث: A هي مساحة الجسم المصدر ، وهي ثابت ستيفان بولتزمان ، وهي درجة حرارة غرفة التفريغ. على سبيل المثال ، يتطلب المصدر النفاث النموذجي ل A = 50 سم 2 المبرد إلى 17 K طاقة تبريد لا تقل عن^2.3 واط. يمكن تقليله محليا عن طريق إضافة درع إشعاعي مبرد بشكل نشط يغطي جزءا كبيرا من المصدر المبرد.

3) توصيل الغاز المتبقي: على الرغم من أن الإشعاع الحراري هو المهيمن في ظروف الفراغ العالية للغاية ، فإن المساهمة الناتجة عن التوصيل في الغاز المتبقي تصبح غير مهملة أثناء التشغيل النفاث. تقدم النفاثة السائلة حمولة غاز كبيرة في الغرفة ، مما يؤدي إلى زيادة ضغط الفراغ. يتم حساب صافي فقد الحرارة من التوصيل الحراري للغاز عند ضغط p باستخدام المعادلة التالية:

حيث: هو معامل يعتمد على أنواع الغاز (~ 3.85 × ^10-2 واط / سم 2 / K / mBar ل H²) ، وهو معامل الإقامة الذي يعتمد على أنواع الغاز وهندسة المصدر ودرجة حرارة المصدر والغاز^16,17. عند تشغيل نفاثة هيدروجين مبردة عند 17 كلفن ، بافتراض هندسة أسطوانية للمصدر وأن الهيدروجين هو الغاز الرئيسي الموجود في غرفة التفريغ ، يولد توصيل الغاز حرارة يمكن تقديرها باستخدام المعادلة التالية:

على سبيل المثال ، يولد توصيل الغاز عند ضغط فراغ 4.2 × ^10-3ملي بار قدرا من الحرارة مثل الإشعاع الحراري. لذلك ، يتم الاحتفاظ بضغط الفراغ بشكل عام أقل من 1 × ^10-3 ملي بار أثناء التشغيل النفاث ، مما يضيف حمولة حرارية ~ 0.55 واط إلى النظام (A = 50 سم²).

يتم الحصول على حمل الغاز الذي يتم إدخاله في الغرفة أثناء التشغيل عن طريق تدفق النفاثة المبردة. ثم يتم تحديد ضغط الفراغ الناتج من خلال سرعة الضخ الفعالة لنظام التفريغ وحجم غرفة التفريغ.

لتشغيل النفاثة المبردة ، يجب أن يولد cryostat طاقة تبريد كافية للتعويض عن مصادر الحرارة المختلفة أعلاه (على سبيل المثال ، 3.75 واط) ، لا يشمل ذلك فقد الحرارة لنظام cryostat نفسه. لاحظ أن كفاءة cryostat تعتمد أيضا بشدة على درجة حرارة الإصبع الباردة المطلوبة.

تقدير المعلمات النفاثة

لإنشاء تدفق رقائقي مستمر ، يجب استيفاء العديد من الشروط. للإيجاز ، تظهر حالة تدفق السائل الأسطواني هنا. يتضمن تكوين النفاثات المستوية قوى إضافية ، مما يؤدي إلى اشتقاق أكثر تعقيدا يتجاوز نطاق هذه الورقة¹⁸.

1) علاقة الضغط والسرعة: بالنسبة لتدفقات السوائل غير القابلة للضغط ، ينتج عن الحفاظ على الطاقة معادلة برنولي ، على النحو التالي:

حيث: هي الكثافة الذرية للسائل ، هي سرعة السائل ، هي طاقة وضع الجاذبية ، و p هي الضغط. بتطبيق معادلة برنولي عبر الفتحة ، يمكن تقدير العلاقة الوظيفية بين سرعة النفاثة وضغط دعم العينة باستخدام المعادلة التالية:

2) نظام التشغيل النفاث: يمكن الاستدلال على نظام النفاثة السائلة الأسطوانية باستخدام أرقام رينولدز وأوهنسورج. يتم حساب رقم رينولدز ، الذي يعرف بأنه النسبة بين قوى القصور الذاتي واللزوجة داخل السائل ، باستخدام المعادلة التالية:

حيث: ، ، ، وهي الكثافة والسرعة والقطر واللزوجة الديناميكية للسائل ، على التوالي. يحدث التدفق الصفحي عندما يكون رقم رينولدز أقل من ~ 2000. وبالمثل ، يقارن رقم ويبر الحجم النسبي للقصور الذاتي بالتوتر السطحي ويتم حسابه باستخدام المعادلة التالية:

حيث: σ هو التوتر السطحي للسائل. ثم يتم حساب رقم Ohnesorge على النحو التالي:

يتم استخدام هذه الكمية المستقلة عن السرعة مع رقم رينولدز لتحديد أنظمة النفاثة السائلة الأربعة: (1) رايلي ، (2) الأول الناجم عن الرياح ، (3) الثاني الناجم عن الرياح ، و (4) الانحلال. بالنسبة لتدفق السائل المبرد الخالي من الاضطرابات الصفائحية ، يجب اختيار المعلمات للعمل ضمن نظام رايلي¹⁹ (أي ). في هذا النظام ، سيبقى عمود السائل مستمرا بسطح أملس حتى ما يسمى بالطول السليم ، المقدر على النحو التالي²⁰:

تم تلخيص معلمات السوائل المختلفة لنفاثة هيدروجين مبردة أسطوانية قطرها 5 ميكرومتر تعمل عند 60 رطل لكل بوصة مربعة و 17 كلفن في الشكل 3. للحفاظ على نفاثة مستمرة لمسافات أطول ، يجب تبريد السائل بالقرب من انتقال الطور السائل الصلب (الشكل 4) بحيث يؤدي التبريد التبخيري ، الذي يحدث بمجرد انتشار النفاثة في الفراغ ، إلى تصلب النفاثة قبل بداية تفكك رايلي ^3,21.

Protocol

يفصل البروتوكول التالي تجميع وتشغيل طائرة هيدروجين مبردة أسطوانية قطرها 5 ميكرومتر تعمل عند 17 K ، 60 psig كمثال على الحالة. يتطلب تمديد هذه المنصة إلى أنواع الفتحات والغازات الأخرى التشغيل عند ضغوط ودرجات حرارة مختلفة. كمرجع ، يتم سرد معلمات العمل للطائرات الأخرى في الجدول 1. يتم تنفيذ الأقسام 1-3 والقسم 7 في درجة الحرارة والضغط المحيطين ، بينما يتم تنفيذ الأقسام 4-6 في فراغ عالي. 1. تركيب cryostat في غرفة فراغ تنبيه: يمكن أن تكون سفينة التفريغ خطرة على الأفراد والمعدات من الانهيار أو التمزق بسبب ضغط الردم الخلفي أو الانفجار الداخلي بسبب فشل نافذة الفراغ. يجب تركيب صمامات تخفيف الضغط وأقراص الانفجار على أوعية مفرغة داخل نظام مبرد لمنع الضغط الزائد. أدخل بعناية cryostat في غرفة التفريغ. اعزل المبردات اهتزازيا عن غرفة التفريغ باستخدام منصة تثبيت. قم بإجراء اختبار فراغ لتحديد ضغط الفراغ الأساسي الذي وجدنا أنه يجب أن يكون أفضل من ~ 5 × 10-5 ملي بار. غالبا ما يكون محلل الغازات المتبقية (RGA) مفيدا في تحديد الرطوبة والغازات الملوثة الموجودة في النظام. قم بتوصيل وحدة التحكم في درجة الحرارة والسخان بجهاز التبريد وتأكيد القراءة الدقيقة في درجة الحرارة المحيطة.إذا تم قياس قيمة غير متوقعة ، فتحقق من الاستمرارية من مستشعر درجة الحرارة إلى الأطراف الصحيحة على وحدة التحكم في درجة الحرارة. خلاف ذلك ، استبدل مستشعر درجة الحرارة. قم بتوصيل خط (خطوط) إرجاع الهيليوم بلوحة مقياس تدفق قابلة للتعديل. قم بإخلاء غطاء الفراغ العازل على خط النقل إلى أفضل من 1 × 10-2 ملي بار باستخدام مضخة توربينية جزيئية مدعومة بمضخة تمرير جافة. ضع طبقة رقيقة من شحم الفراغ المبرد على الحلقة O داخل رأس جهاز التبريد. أدخل حربة ثلاجة خط النقل ببطء في cryostat حتى يلامس برغي الضبط رأس cryostat. يجب أن يكون هناك الحد الأدنى من المقاومة. أحكم ربط برغي الضبط لضبط صمام الإبرة على حربة الثلاجة على الموضع المطلوب. قم بإجراء اختبار أداء cryostat للتحقق من موثوقية مستشعر درجة الحرارة عن طريق التبريد إلى أدنى درجة حرارة يمكن بلوغها. إذا تم قياس درجات حرارة غير متوقعة أثناء التبريد ، فافحص مستشعرات درجة الحرارة بصريا للتأكد من ملامستها جيدا لجهاز التبريد. إذا لزم الأمر ، قم بإعادة وضع وتطبيق شحم الفراغ المبرد لتحسين الاتصال. قم بتجميع خط غاز العينة وفقا لمخطط P&ID في الشكل 1. استخدم كاشف تسرب عالي الحساسية لتحديد أي تسرب.تنبيه: الهيدروجين والديوتيريوم والميثان غازات شديدة الاشتعال. استخدم الأنابيب والمعدات المصممة لتحمل الضغوط والمخاطر المادية. مطلوب عادم أو تهوية محلية للحفاظ على التركيز أقل من حد الانفجار. قبل تطبيق هذا الإجراء مع أي غازات أخرى ، راجع ورقة بيانات السلامة المرتبطة (SDS). تطهير خط الغاز وفقا لتقنية التطهير المستمر بالتدفق لتخفيف الغازات الملوثة وبخار الماء إلى نقاء عينة الغاز. يعتمد الوقت الإجمالي على حجم خط الغاز وتدفق الغاز عند ضغط دعم معين.تنبيه: أثناء تطهير الخط ، تأكد من تهوية غرفة التفريغ بشكل كاف أو صيانتها تحت الفراغ لمنع تراكم الغازات القابلة للاشتعال. بعد اكتمال التطهير الأولي ، حافظ على ضغط إيجابي ثابت (على سبيل المثال ، 30 sccm عند 50 رطل لكل بوصة مربعة) على الخط للتخفيف من مخاطر دخول الغازات الملوثة إلى الخط عندما تكون غرفة التفريغ عند الضغط المحيط. 2. تركيب مكونات المصدر المبردة ملاحظة: يجب إجراء جميع عمليات التحضير والتجميع لمكونات المصدر المبرد في بيئة نظيفة باستخدام ملابس غرف الأبحاث المناسبة (مثل القفازات وشبكات الشعر ومعاطف المختبر وما إلى ذلك). استخدم التنظيف بالموجات فوق الصوتية غير المباشرة لإزالة الملوثات (مثل الإنديوم المتبقي) من مكونات المصدر المبرد.املأ جهاز صوتي بالماء المقطر وأضف خافض للتوتر السطحي لتقليل التوتر السطحي للماء. ضع أجزاء المصدر المبردة في أكواب زجاجية فردية ، واغمرها بالكامل في الأيزوبروبانول من الدرجة الإلكترونية ، وقم بتغطية الأكواب الزجاجية بورق الألمنيوم لتقليل التبخر ومنع تلوث الجسيمات. ضع الكئوس في سلة التنظيف أو حامل دورق في جهاز الصوتنة لزيادة التجويف. يجب ألا تلمس الأكواب الجزء السفلي من الصوتيات. قم بتنشيط جهاز الصوتنة لمدة 60 دقيقة. افحص الأيزوبروبانول باستخدام ضوء أبيض ساطع للجزيئات العالقة أو البقايا. إذا كانت الجسيمات مرئية ، اشطف الأجزاء باستخدام الأيزوبروبانول النظيف ، واستبدل حمام الأيزوبروبانول. Sonicate في دورات من 60 دقيقة حتى لا تظهر جزيئات أو بقايا. ضع الأجزاء على سطح مغطى ونظيف لتجف لمدة لا تقل عن 30 دقيقة قبل التجميع. كرر القسم 2.1 لمرشح الفولاذ المقاوم للصدأ ، وغطاء المصدر ، والحلقات ، ومسامير التجميع. قطع قطعة من الإنديوم لتغطية أقصى قدر من التقاطع بين جسم المصدر المبرد والإصبع البارد للكريوستات. ضع الإنديوم على المصدر المبرد وأمسكه بالإصبع البارد لجهاز التبريد. أحكم ربط مسامير التثبيت ، مع ضمان بقاء الإنديوم مسطحا ، لإنشاء ختم حراري بين المكونات. لا تفرط في الشد ، حيث تتلف الخيوط النحاسية بسهولة. قم بربط مرشح الفولاذ المقاوم للصدأ الملولب على شفة المصدر المبردة. ضع حشية الإنديوم على شفة المصدر. قم بتوصيل شفة المصدر بجسم المصدر المبرد باستخدام مسامير الشفة. أحكم ربط البراغي قطريا بدلا من التتابع حول المحيط. قم بتوصيل خط عينة الغاز الموجود على cryostat بالمصدر المبرد. تحقق من وجود تسرب باستخدام كاشف تسرب عالي الحساسية. 3. تركيب الفتحة حدد فتحة العدسة وفقا للاحتياجات التجريبية.افحص فتحة العدسة باستخدام تقنيات الفحص المجهري برايت فيلد ودارك فيلد لتحديد العيوب في الفتحة أو العوائق المادية أو مقاومة الضوء المتبقية. يمكن إزالة بعض العوائق الجسدية بسهولة عند شطفها بالإيزوبروبانول. خلاف ذلك ، تجاهل الفتحة. إذا كان هناك مقاومة ضوئية متبقية من التصنيع النانوي للفتحة ، فاستخدم حمام الأسيتون أو محلول سمكة البيرانا لإزالته.تنبيه: محلول سمكة البيرانا ، الذي يتكون من حمض الكبريتيك 3: 1 (H 2 SO4) وبيروكسيد الهيدروجين (H 2 O2) ، تآكل شديد للمواد العضوية ، بما في ذلك الجلد والجهاز التنفسي. تفاعل سمكة البيرانا مع المواد العضوية يطلق الغاز ، والذي قد يصبح متفجرا. لا تغلق أبدا الحاويات التي تحتوي على سمكة البيرانا. مطلوب درع كامل للوجه ومئزر مقاوم للمواد الكيميائية ومعطف مختبر وقفازات من النيوبرين. اشطف الفتحة باستخدام الأيزوبروبانول من الدرجة الإلكترونية لإزالة أي حطام أو تلوث سطحي. اترك الفتحة تجف على سطح نظيف ومغطى لمدة 10 دقائق قبل التثبيت. ضع الطويق داخل الغطاء. استخدم ملاقط نظيفة وناعمة لوضع الفتحة داخل الطويق. اضغط على الغطاء لتوسيط الفتحة في الطويق. قم بإسقاط حلقة إنديوم أعلى فتحة العدسة. مرة أخرى ، اضغط على حافة الغطاء لتوسيط حلقة الإنديوم على الفتحة. أحكم ربط الغطاء يدويا على شفة المصدر حتى يتم اكتشاف الحد الأدنى من المقاومة. قم بإلغاء تقييد معدل التدفق على وحدة التحكم في التدفق الشامل عن طريق زيادة نقطة الضبط إلى 500 sccm وضبط ضغط الغاز على ~ 50 رطل لكل بوصة مربعة على منظم الضغط. شد الفتحة بدقة ببضع درجات في المرة الواحدة باستخدام مفتاح ربط حتى يبدأ معدل التدفق في الانخفاض. قم بإنهاء شد الغطاء عن طريق التحقق من معدل التسرب في الجزء العلوي من الغطاء باستخدام كاشف التسرب عالي الحساسية بدلا من وحدة التحكم في التدفق الشامل. توقف عندما لم يعد الشد يقلل من معدل التسرب المقاس. إذا لم ينخفض معدل التدفق عن 50 سم مكعب تقريبا ، فتابع الخطوات التالية.استخدم كاشف التسرب للتحقق من وجود تسربات حول شفة المصدر والغطاء. أعد إحكام ربط البراغي الموجودة على شفة المصدر وأعد قياس معدل التسرب. قم بإزالة الغطاء وافحص فتحة وطرف شفة المصدر. في حالة تلف فتحة العدسة ، قم بتنظيف الغطاء وفقا للخطوة 2.2 وكرر القسم 3. إذا كانت حلقة الإنديوم مثبتة على الفتحة ، فتجاهل الفتحة وكرر القسم 3. إذا تم تثبيت حلقة الإنديوم الكاملة على الحافة ، فاستخدم شفرة حلاقة بلاستيكية نظيفة لكشط الإنديوم المتبقي ، ثم كرر الخطوات 3.2-3.10. بمرور الوقت ، قد يتراكم الإنديوم على طرف شفة المصدر مما يمنع الفتحات اللاحقة من الختم. في هذه الحالة ، قم بإزالة شفة المصدر وكرر الأقسام 2.1-2.2 متبوعة بالخطوات 2.5-2.7. كإجراء احترازي للسلامة ، قم بتغيير نقطة الضبط على وحدة التحكم في التدفق الشامل إلى 10 sccm أعلى من التدفق النهائي الذي تحدده أبعاد الفتحة. 4. إجراء التبريد تحقق من وصول ضغط غرفة التفريغ إلى خط الأساس المتوقع لتدفق غاز عينة معينة. لضمان عدم وجود غازات ملوثة ، والتي ستترسب على المصدر المبرد أثناء التبريد ، يتم ضخ غرفة التفريغ عادة لمدة 1 ساعة على الأقل بعد الوصول إلى ضغط خط الأساس. تختلف هذه المدة باختلاف مستويات الرطوبة المحلية ونظام التفريغ. قم بتشغيل سخان العادم cryostat لمنع صقيع رأس cryostat من التدفق العائد لغاز الهيليوم. قم بإلغاء تقييد تدفق الغاز على وحدة التحكم في التدفق الشامل عن طريق زيادة نقطة الضبط إلى 500 sccm. املأ المصيدة الباردة ذات الدورة المفتوحة بالنيتروجين السائل. تأكد من أن مستوى النيتروجين السائل أعلى من المرشح المضمن في جميع الأوقات. راقب وأعد التعبئة حسب الحاجة أثناء التبريد والتشغيل النفاث.تنبيه: ملامسة السوائل المبردة ، مثل النيتروجين السائل أو الهيليوم السائل ، ستحرق الجلد والوجه والعينين. عند التعامل مع كميات كبيرة من السوائل المبردة (متعددة اللترات) ، ارتد واقيا للوجه ونظارات أمان وقفازات مبردة معزولة حراريا ومئزرا مبردا وسراويل طويلة بدون أصفاد وأحذية قريبة من الأصابع. هذه السوائل قد تحل محل الأكسجين وتسبب الاختناق السريع. اضبط مقياس (عدادات) التدفق القابل للتعديل على خط (خطوط) إرجاع الهيليوم لفتحه بالكامل. قم بإزالة الضغط من ديوار الهيليوم السائل باستخدام صمام التهوية. أغلق الصمام الكروي بصمام تخفيف الضغط المنخفض على ديوار الهيليوم السائل. ضغط ديوار الموصى به أثناء التهدئة هو 10 رطل لكل بوصة مربعة. يسمح الصمام الزاوي الموجود على محول ديوار للمشغل بتقليل ضغط ديوار إذا كان هناك فائض في طاقة التبريد بعد تسييل العينة. أدخل حربة ديوار الإمداد في ديوار الهيليوم السائل بحركة واحدة سلسة. يجب أن يضغط الديوار إلى 10 رطل لكل بوصة مربعة عندما تلامس الحربة السائل.تنبيه: احتفظ بكل الجلد المكشوف بعيدا عن عنق الديوار في جميع الأوقات. تحقق من تسرب غاز الهيليوم بين محول dewar و dewar بمجرد إحكام الاتصال باستخدام كاشف التسرب. قم بتنشيط السخان على جهاز التحكم في درجة الحرارة واضبط نقطة ضبط درجة الحرارة على 295 كلفن. بمجرد أن يمتلئ خط النقل ويبرد ، ستنخفض درجة حرارة cryostat من درجة الحرارة المحيطة إلى 295 كلفن ، وعند هذه النقطة سيتم تنشيط السخان لمنع حدوث مزيد من الانخفاض في درجة الحرارة. لاحظ أن الوقت اللازم للانخفاض الأولي في درجة الحرارة يعتمد على ضغط ديوار وخط النقل الكلي وطول الكريوستات. اضبط معدل المنحدر على وحدة التحكم في درجة الحرارة على 0.1 كلفن / ثانية ونقطة الضبط على 200 كلفن. قم بتنظيم تدفق الهيليوم لمتابعة المنحدر حتى لا يتم تشغيل السخان. امسك عند 200 كلفن لجزء مسكن قصير (على سبيل المثال ، 5 دقائق) للسماح للكريوستات بالحرارة. كرر ذلك لجزأين إضافيين من المنحدر إلى 120 كلفن ثم 40 كلفن. يتم استخدام إجراء التبريد المحافظ لتجنب تدرجات الحرارة القوية على طول النظام ويسمح بمراقبة معلمات النظام عن كثب. يتم اختيار درجات حرارة المسكن بعيدا عن درجات حرارة التسامي للغازات الملوثة.إذا زاد تدفق الغاز بشكل غير متوقع ، فقد يكون ختم الإنديوم الموجود على شفة المصدر أو الفتحة قد فشل. إحباط إجراء التهدئة بالمتابعة إلى الخطوة 6.4. بمجرد تنفيس غرفة التفريغ ، افحص الأختام وارجع إلى القسم 3.10 لإعادة إحكام التثبيت والتحقق من وجود تسرب. عند 40 كلفن ، قم بضبط معلمات P-I-D للتحكم في درجة الحرارة يدويا باتباع طريقة Ziegler-Nichols22 حتى يصبح استقرار درجة الحرارة أفضل من ±0.02 كلفن. 5. التسييل والتشغيل النفاث تأكد من أن مستوى النيتروجين السائل أعلى من المرشح المضمن. قم بتعطيل منحدر درجة الحرارة وقم بتغيير درجة حرارة نقطة الضبط إلى أقل بكثير من درجة حرارة انتقال طور البخار السائل النظري (على سبيل المثال ، 20 كلفن للهيدروجين). في بداية التسييل ، سيزداد تدفق الغاز إلى الحد الأقصى وسيتم رش خليط من الغاز والسائل من الفتحة. زيادة تدفق (تدفقات) الهيليوم لتوفير طاقة تبريد إضافية للمرور بسرعة خلال انتقال الطور. استخدم مخطط الظل عالي التكبير مع إضاءة نابضة دون النانو ثانية لتصور استقرار النفاثة والتصفيح23. اختياري: إذا كان للتطبيق أو التجربة موقع محدد مسبقا للعينة (على سبيل المثال ، أجهزة الكشف المحاذية لنفس الموضع في الفضاء) ، فقم بترجمة المصدر المبرد باستخدام مناور متعدد المحاور على شفة cryostat أو مشغلات دبوس الدفع الآلية في غرفة التفريغ. ترجمة الماسك لزيادة الضغط في مقدمة الماسك. قم بتحسين معلمات P-I-D وتدفق الهيليوم لتحسين استقرار درجة الحرارة إلى أفضل من ±0.02 كلفن. لاحظ أن الاستقرار العام للطائرة يعتمد بشدة على ضغط غرفة التفريغ وضغط دعم الغاز ودرجة الحرارة. على سبيل المثال ، قد يتطلب التغيير في أقل من 1 × 10-5 ملي بار إعادة التحسين. مسح في درجة الحرارة والضغط لتحسين استقرار الطائرة والتصفيح. يتم سرد معلمات عينة النفاثة في الجدول 1.إذا انقسمت الطائرة إلى رذاذ ، فقد يكون الضغط ودرجة الحرارة في فضاء الطور قريبين جدا من منحنى التبخر. ستؤدي درجة حرارة السعة الكبيرة أو تذبذبات تدفق الهيليوم إلى اضطرابات مكانية دورية ، والتي (في الحالة القصوى) تؤدي إلى تفكك مدفوع للطائرة. تقليل تدفق الهيليوم وإعادة تحسين معلمات P-I-D لترطيب التذبذبات. إذا أظهرت الطائرة موجات عرضية (أي نظام الرياح الأولى) أو موجات طولية (أي عدم استقرار هضبة رايلي) ، فقم بتقليل درجة الحرارة لزيادة اللزوجة ، وبالتالي تقليل رقم رينولدز. إذا تعذر تحقيق الصفيحة وكانت خصائص النفاثة مستقلة عن التغيرات في درجة الحرارة والضغط ، فقد يكون هناك انسداد مادي (على سبيل المثال ، حطام مادي أو جليد) في الفتحة. قبل إجهاض الاختبار ، اتبع الخطوات 6.1-6.5 وراقب عن كثب ضغط الفراغ ودرجة حرارة cryostat. إذا تسامى غاز أو ماء ملوث على الفتحة مما تسبب في انسداد جزئي أو كامل ، فيمكن التعرف عليه من خلال درجة حرارة الغليان. كرر الخطوات 4.11-4.12 و 5.1-5.6 لتحديد ما إذا كان استقرار النفاثة يتحسن. 6. إجراء الاحماء ملاحظة: في حالة تلف الفتحة أثناء التشغيل ، حدد تدفق غاز العينة على الفور إلى 10 sccm وقلل ضغط غاز العينة إلى 30 رطل لكل بوصة مربعة. ثم انتقل مباشرة إلى الخطوة 6.5. قم بتغيير نقطة الضبط إلى 20 كلفن وقم بتقليل ضغط الغاز من ضغط التشغيل إلى 30 رطل لكل بوصة مربعة تقريبا. قم بزيادة نقطة ضبط درجة الحرارة بخطوات 1 K أثناء مراقبة الضغط على منظم الغاز. عندما يتبخر السائل في المصدر المبرد ، سيزداد الضغط في خط الغاز بسرعة وسيقرأ التدفق عبر وحدة التحكم في التدفق الكتلي 0 sccm.ملاحظة: لا تسمح لضغط الغاز بتجاوز الحد الأقصى لضغط التشغيل للمكونات على خط غاز العينة. في حالة حدوث ذلك، انتظر حتى ينخفض ضغط الخط إلى قيمة آمنة من خلال فتحة العدسة أو صمام تخفيف الضغط قبل زيادة نقطة الضبط أكثر. كرر الخطوة 6.2 حتى لا تؤدي زيادة نقطة ضبط درجة الحرارة بمقدار 1 K إلى زيادة ضغط خط الغاز. قم بتمكين منحدر درجة الحرارة ، وقم بتغيير نقطة ضبط درجة الحرارة إلى 300 كلفن ، وقم بتنظيم تدفق الهيليوم كما هو مطلوب للحفاظ على زيادة درجة الحرارة بمقدار 0.1 كلفن / ثانية. بمجرد أن تكون درجة حرارة المصدر أعلى من 100 كلفن ، أغلق مقياس (مقياسات) التدفق القابل للتعديل على خط (خطوط) عودة الهيليوم. قم بإزالة الضغط من ديوار وافتح الصمام الكروي إلى أدنى صمام تنفيس الضغط. انتظر حتى يسخن cryostat عند 300 كلفن قبل تنفيس غرفة التفريغ. سيمنع هذا بخار الماء من التكثيف على مكونات cryostat والمصدر المبرد. قم بإزالة الضغط عن ديوار ، ثم قم بإزالة حربة ديوار الإمداد. إزالة فخ النيتروجين السائل البارد. الحد من تدفق الغاز على وحدة التحكم في التدفق الشامل إلى 30 sccm. قم بإيقاف تشغيل سخان غاز العادم. قم بإلغاء تنشيط السخان على جهاز التحكم في درجة الحرارة. في حالة تلف فتحة العدسة أو الاشتباه في وجود عائق من تغيير في التدفق ، انتقل إلى القسم 7. خلاف ذلك ، لا يلزم استبدال الفتحة. 7. استبدال الفتحة قم بإزالة الغطاء وافحص فتحة وطرف شفة المصدر. إذا التصقت حلقة الإنديوم بالحافة ، فاستخدم شفرة حلاقة بلاستيكية نظيفة لكشطها باستخدام ضغط معتدل. إذا ظلت الفتحة محكمة الغلق على شفة المصدر عند إزالة الغطاء ، فحد من تدفق الغاز إلى 10 sccm وتأكد من انخفاض ضغط دعم الغاز إلى 30 رطل لكل بوصة مربعة. قم بإزالة الفتحة بعناية باستخدام شفرة حلاقة بلاستيكية. إذا تمت إزالته قبل الأوان ، فقد يؤدي الضغط الزائد في الخط إلى إتلاف الفتحة أو إخراجها. كرر القسم 3 لتثبيت فتحة عدسة جديدة.

Representative Results

باتباع الخطوة 5.4 ، يتم استخدام الرسوم البيانية ذات التكبير العالي لتقييم الصفيحة ، وارتعاش المواقع ، والاستقرار على المدى الطويل أثناء التشغيل النفاث. من الأهمية بمكان استخدام الإضاءة النبضية دون النانو ثانية لتسجيل صورة فورية للطائرة بحيث لا تطمس الحركة النفاثة (~ 0.1 ميكرومتر / ثانية ل H2) المخالفات السطحية أو الاضطراب. يوضح الشكل 5 عينات من صور 2 × 20 ميكرومتر 2 H 2 و 4 × 12 ميكرومتر 2 H 2 و 4 × 20 ميكرومتر 2 D 2. يتم استخدام نظام تصوير إضافي عالي التكبير لتحديد موضع النفاثة السائلة المبردة بدقة في الفضاء. من أجل البساطة ، تم تصميم أنظمة التصوير لتوفير مناظر أمامية وجانبية للطائرة. من المهم بشكل خاص تقييم استقرار الطائرة وتحديد اتجاه الطائرات المستوية. يوضح الشكل 6 دراسة للارتعاش المكاني ل 2 × 20 ميكرومتر 2 H2 كدالة للمسافة من الفتحة ، يتم إجراؤها خلال اختبار واحد على مدار عدة ساعات. تم حساب ارتعاش تحديد المواقع 1σ لكل نقطة بيانات في الشكل 6A من 49 صورة مسجلة عند 10 هرتز. هنا ، تم تحديد موضع الطائرة بالنسبة إلى موضع مرجعي ثابت. يوضح الشكل 6B الرسوم البيانية الطبيعية لموضع النفاثة عند 23 مم كمثال. يمكن العثور على دراسة أكثر تفصيلا في Obst et al.5. في المتوسط ، يزداد الارتعاش المكاني خطيا بعيدا عن الفوهة. يوضح الشكل 7 ملاحظات النظام النموذجية أثناء التسييل والتشغيل النفاث (وفقا للقسم 5) لنفاثة الديوتيريوم المبردة 4 × 20 ميكرومتر2. تسمح المراقبة الدقيقة لدرجة الحرارة والتدفق وضغط دعم العينة وضغوط الفراغ للمشغل بتحديد أي مخالفات بسرعة والتفاعل وفقا لذلك. على سبيل المثال ، إذا تركت الطائرة الماسك ، المشار إليه بصندوق متقطع ، فإن غرفة التفريغ والضغط الأمامي يزدادان بشكل كبير. ثم هناك حاجة إلى طاقة تبريد إضافية للحفاظ على درجة حرارة نقطة الضبط. بمجرد الاستقرار ، يجب أن تكون جميع العناصر القابلة للملاحظة ثابتة مع الحد الأدنى من التذبذبات. أي انحراف طويل الأجل يدل على وجود مشكلة (على سبيل المثال ، التسريبات ، تلوث الغاز ، انخفاض أداء نظام الفراغ ، وضع الانجراف في الماسك). يحدد اختيار الفتحة بقوة المعلمات التشغيلية للطائرة في نظام رايلي. بمجرد تحديد المعلمات المثلى لنوع معين من الغاز والفتحة ، تكون النفاثة الناتجة قابلة للتكرار بدرجة كبيرة ؛ ومع ذلك ، فإن أي انحرافات طفيفة في الفتحة تتطلب إعادة تحسين بدءا من القيم المحددة مسبقا. يتم تلخيص معلمات التشغيل النموذجية في الجدول 1. الشكل 1: مخطط P&ID لمنصة توصيل نفاثة سائلة مبردة نموذجية. يتم تصوير عينة الغاز والفراغ والأنظمة الفرعية المبردة. تتم مراقبة غرفة التفريغ ، والخط الأمامي للمضخة الجزيئية التوربينية ، وضغوط الخط الأمامي للماسك النفاث باستخدام مقاييس الفراغ V1 و V2 و V3 على التوالي. يتم تنظيم درجة حرارة cryostat بنشاط باستخدام وحدة تحكم في درجة الحرارة P-I-D. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم. الشكل 2: رسم عرض ثلاثي الأبعاد لتجميع المصدر المبرد. يتم تثبيت أختام الإنديوم بين الإصبع البارد وجسم المصدر ، وجسم المصدر وشفة المصدر وفتحته. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم. الشكل 3: ملخص معلمات ديناميكا الموائع. يتم توفير المعلمات ، بافتراض أن نفاثة هيدروجين مبردة أسطوانية ø5 ميكرومتر تعمل عند 60 رطل لكل بوصة مربعة و 17 كلفن. قيم الكثافة واللزوجة والتوتر السطحي مأخوذة من NIST. 15. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم. الشكل 4: معادلة الهيدروجين للحالة عند درجات الحرارة المبردة15. يشار إلى النقاط الحرجة والثلاثية بدوائر مملوءة باللون الأزرق والبرتقالي ، على التوالي. يتبع التشغيل النفاث متساوي القضيب من خلال انتقال طور الغاز والسائل. تتصلب الطائرة عن طريق التبريد التبخيري في غرفة التفريغ. يشير الصندوق الرمادي إلى نطاق ضغوط الدعم (40-90 رطل لكل بوصة مربعة) ودرجات الحرارة (17-20 كلفن) التي يتم مسحها ضوئيا لتحسين استقرار نفاثة الهيدروجين المبردة الأسطوانية ø5 ميكرومتر. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم. الشكل 5: تمثيلية 20x تكبير الظل للنفاثات السائلة المبردة الصفائحية الخالية من الاضطراباتباستخدام ليزر بطول موجة 10 حصان / 1057 نانومتر. (أ) الفتحة = 2 × 20 ميكرومتر 2 ، الغاز = H2 ، T = 15.8 K ، P = 188 رطل لكل بوصة مربعة. (ب) الفتحة = 4 × 12 ميكرومتر 2 ، الغاز = H 2 ، T = 17.2 K ، P = 80 رطل لكل بوصة مربعة. (ج) الفتحة = 4 × 20ميكرومتر 2 ، الغاز: D2 ، T = 20 K ، P = 141 رطل لكل بوصة مربعة. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم. الشكل 6: استقرار الموضع النفاث لطائرة الهيدروجين المبردة 2 × 20 ميكرومتر2 . المعلمات هي 18 K و 60 psig و Re 1887. (أ) وضع الارتعاش كدالة للمسافة من الفتحة. يتوافق الارتعاش الطولي (الجانبي) مع الحركة الموازية للمحور القصير (الطويل) للورقة المستطيلة. (ب ) الرسم البياني الطبيعي لموضع النفاثة لتحديد الارتعاش الجانبي (σ = 5.5 ميكرومتر) والارتعاش الطولي (σ = 8.5 ميكرومتر) 23 مم من الفوهة. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم. الشكل 7: التدفق التمثيلي والضغوط أثناء التشغيل النفاث المبرد. (أ) اليسار: تدفق الغاز للعينة، اليمين: ضغط دعم الغاز للعينة كدالة للوقت. مخطط شبه سجل لضغط غرفة التفريغ (V1 ؛ B) ، ضغط الخط الأمامي للمضخة الجزيئية التوربينية (V2 ؛ C) ، وضغط الماسك النفاث (V3 ؛ د) كوظائف للوقت. تحدد الأرقام المحاطة بدائرة التغييرات في النظام التي لوحظت خلال القسم 5 من البروتوكول. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم. عينة الغاز فرج درجة الحرارة (K) الضغط (psig) التدفق (sccm) هيدروجين Ø5 ميكرومتر أسطواني 17 60 150 50٪ هيدروجين, 50٪ ديوتيريوم Ø5 ميكرومتر أسطواني 20 30, 30 130 الديوتريوم Ø5 ميكرومتر أسطواني 22 75 80 هيدروجين 1 ميكرومتر × 20 ميكرومتر مستو 18 182 150 هيدروجين 2 ميكرومتر × 20 ميكرومتر مستو 18 218 236 هيدروجين 4 ميكرومتر × 20 ميكرومتر مستو 17.5 140 414 الديوتريوم 4 ميكرومتر × 20 ميكرومتر مستو 20.5 117 267 أرجون Ø5 ميكرومتر أسطواني 90 50 18.5 ميثان Ø5 ميكرومتر أسطواني 100 75 46 الجدول 1: عينة من ظروف تشغيل النفاثة.

Discussion

يتطلب التشغيل الناجح للطائرة السائلة المبردة نظافة دقيقة ومراقبة دقيقة لاستقرار درجة الحرارة. أحد أكثر حالات الفشل شيوعا والتي يمكن تجنبها هو الانسداد الجزئي أو الكامل للفتحة بحجم ميكرون. يمكن إدخال النحاس أو الفولاذ المقاوم للصدأ أو الإنديوم من المصدر أو الجسيمات المحمولة جوا في أي خطوة من خطوات تجميع المصدر. يجب أن تخضع جميع المكونات لعملية تنظيف قوية باستخدام صوتنة غير مباشرة. التجميع والتخزين في غرفة نظيفة من الفئة 10000 أو أفضل يحسن معدل النجاح.

خطوة أخرى حاسمة في الإجراء هي تثبيت درجة حرارة المصدر المبرد. يجب على المستخدمين التأكد من قياس درجة حرارة السائل الخارج من المصدر بشكل مستقل عن الحرارة المتغيرة المنبعثة من التسييل المستمر في الخزان. يتم تحقيق ذلك عن طريق وضع مستشعر درجة الحرارة بالقرب من الفتحة (على سبيل المثال ، على شفة المصدر) أو بعيدا عن مصدر الحرارة. علاوة على ذلك ، يجب تحسين معلمات P-I-D يدويا باستخدام طريقة Ziegler-Nichols لكل مجموعة من درجة الحرارة والضغط الداعم. إذا أصبحت تقلبات درجة الحرارة كبيرة جدا ، يمكن ملاحظة التذبذبات الدورية على الطائرة مما يؤدي في بعض الأحيان إلى تفكك دوري. وتجدر الإشارة إلى أن وظائف الضبط التلقائي المدمجة أو مرشحات الترددات المنخفضة لم تنجح في تثبيت درجة الحرارة أثناء التشغيل النفاث.

على الرغم من أن نظام النفاثة السائلة المبردة قابل للتكيف بدرجة كبيرة ، إلا أنه يمثل تحديا في التنفيذ في مرافق واسعة النطاق مع بروتوكولات فراغ راسخة. على سبيل المثال ، تكون مراحل الضخ التفاضلية مطلوبة عندما تكون معدات المنبع حساسة للغاز المتبقي (على سبيل المثال ، ليزر الإلكترون الحر FLASH في DESY أو أداة MeV-UED في SLAC). بالإضافة إلى ذلك ، من المحتمل أن تتطلب غرف التفريغ ذات القطر الكبير ، مثل تلك الخاصة بالليزر متعدد PW ، أجهزة تبريد مرنة في الفراغ. بالمقارنة مع أجهزة التبريد التقليدية ذات الطول الثابت ، يمكن فصلها بسهولة عن اهتزازات الغرفة ولها ذراع ذراع أقصر. تم بالفعل تنفيذ كريوستات مرن في الفراغ باستخدام ليزر دراكو بيتاوات في هيلمهولتز-سنتروم دريسدن-روسيندورف (HZDR). ملاحظة أخرى هي أن الفتحة يمكن أن تتلف عندما يتم تشعيع النفاثة بواسطة ليزر فائق الكثافة قريب جدا من المصدر. في الآونة الأخيرة ، تم تنفيذ شفرة مروحية ميكانيكية (تعمل عند 150 هرتز ومتزامنة مع نبضة الليزر) لحماية وعزل الفتحة عن تفاعل الليزر والبلازما.

ينتج هذا النظام نفاثات سائلة مبردة على نطاق ميكرون ، وقابلة للضبط بدرجة عالية ، وخالية من الاضطرابات ، وأسطوانية رقائقية ومستوية. يركز التطوير المستمر لنظام النفاثة السائلة المبردة على مواد الفتحة المتقدمة والتصميم ، ونظام التفريغ وتحسينات الماسك ، وخلط نظائر الهيدروجين المتقدم. سيمكن هذا النظام من الانتقال إلى علم كثافة الطاقة العالية بمعدل تكرار مرتفع ويمهد الطريق لتطوير الجيل التالي من مسرعات الجسيمات.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

تم دعم هذا العمل من قبل عقد SLAC التابع لوزارة الطاقة الأمريكية رقم DE- AC02-76SF00515 ومن قبل مكتب العلوم التابع لوزارة الطاقة الأمريكية ، علوم الطاقة الاندماجية بموجب FWP 100182. كما تم دعم هذا العمل جزئيا من قبل المؤسسة الوطنية للعلوم بموجب المنحة رقم 1632708 ومن قبل EC H2020 LASERLAB-EUROPE / LEPP (العقد رقم 654148). تعترف CBC بالدعم المقدم من مجلس أبحاث العلوم الطبيعية والهندسة في كندا (NSERC). تعترف F.T. بالدعم المقدم من الإدارة الوطنية للأمن النووي (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).