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/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=High+repetition+rate,+multi-MeV+proton+source+from+cryogenic+hydrogen+jets.">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/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Cryogenic+microjet+for+exploration+of+superfluidity+in+highly+supercooled+molecular+hydrogen.">Cryogenic microjet for exploration of superfluidity in highly supercooled molecular hydrogen.</a> Europhysics Letters. 73, 540-546 (2006).</li><li>Kim, J. B., G&#246;de, S., Glenzer, S. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Development+of+a+cryogenic+hydrogen+microjet+for+high-intensity,+high+repetition+rate+experiments.">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/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=High-intensity+laser-accelerated+ion+beam+produced+from+cryogenic+micro-jet+target.">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/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Efficient+laser-driven+proton+acceleration+from+cylindrical+and+planar+cryogenic+hydrogen+jets.">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/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Relativistic+Electron+Streaming+Instabilities+Modulate+Proton+Beams+Accelerated+in+Laser-Plasma+Interactions.">Relativistic Electron Streaming Instabilities Modulate Proton Beams Accelerated in Laser-Plasma Interactions.</a> Physical Review Letters. 118, 194801 (2017).</li><li>K&#252;hnel, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Time-Resolved+Study+of+Crystallization+in+Deeply+Cooled+Liquid+Parahydrogen.">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/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&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.">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/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Matter+under+extreme+conditions+experiments+at+the+Linac+Coherent+Light+Source.">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/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Continuous+production+of+a+thin+ribbon+of+solid+hydrogen.">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/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Proton+Acceleration+Driven+by+a+Nanosecond+Laser+from+a+Cryogenic+Thin+Solid-Hydrogen+Ribbon.">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/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=First+demonstration+of+multi-MeV+proton+acceleration+from+a+cryogenic+hydrogen+ribbon+target.">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/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Efficient+Laser-Driven+Proton+Acceleration+from+a+Cryogenic+Solid+Hydrogen+Target.">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/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Development+and+characterization+of+liquid+argon+and+methane+microjets+for+high-rep-rate+laser-plasma+experiments.">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://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> NIST Standard Reference Database Number 69. , (2018).</li><li>Corruccini, R. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Gaseous+heat+conduction+at+low+pressures+and+temperatures.">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://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Technology and Uses of Liquid Hydrogen. , (1964).</li><li>Ha, B., DePonte, D., Santiago, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Device+design+and+flow+scaling+for+liquid+sheet+jets.">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/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Physics+of+liquid+jets.">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/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Review+of+Stability+of+Liquid+Jets+and+the+Influence+of+Nozzle+Design.">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/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Evidence+for+ultra-fast+heating+in+intense+laser+irradiated+reduced-mass+targets.">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/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Optimum+Settings+for+Automatic+Controllers.">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/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Optical+probing+of+high+intensity+laser+interaction+with+micron-sized+cryogenic+hydrogen+jets.">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 border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" style="width:1149px;" width="1148">
	<tbody>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;width:219px;">Cryogenic apron</td>
			<td style="width:182px;">Tempshield</td>
			<td style="width:123px;">Cryo-apron</td>
			<td style="width:626px;">Core body protection from cryogenic liquids</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;width:219px;">Cryogenic face shield</td>
			<td style="width:182px;">3M</td>
			<td style="width:123px;">82783-00000</td>
			<td style="width:626px;">ANSI Z87.1 rated for full face protection from cryogenic liquids</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;width:219px;">Cryogenic gloves</td>
			<td style="width:182px;">Tempshield</td>
			<td style="width:123px;">Cryo-gloves MA</td>
			<td style="width:626px;">Hand protection from cryogenic liquids</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;width:219px;">Cryogenic source components</td>
			<td style="width:182px;">SLAC National Accelerator Laboratory</td>
			<td style="width:123px;">Custom</td>
			<td style="width:626px;">Components are made of Oxygen-free Copper (OFC) to maximize thermal conductivity at cryogenic temperatures.</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;width:219px;">Cryostat and transfer line</td>
			<td style="width:182px;">Advanced Research Systems</td>
			<td style="width:123px;">LT-3B</td>
			<td style="width:626px;">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.</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;width:219px;">Cylindrical apertures</td>
			<td style="width:182px;">SPI Supplies</td>
			<td style="width:123px;">P2005-AB</td>
			<td style="width:626px;">Commercial cylindrical apertures can be purchased individually</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;">Electronic-grade isopropanol</td>
			<td style="width:182px;">Sigma Aldrich</td>
			<td style="width:123px;">733458-4L</td>
			<td>99.999%, minimal particulates/trace metals, dries residue free</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;width:219px;">Flammable gas regulator</td>
			<td style="width:182px;">Matheson</td>
			<td style="width:123px;">M3816A-350</td>
			<td style="width:626px;">Pressure control of sample gas (e.g. hydrogen, deuterium)</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;">Indium</td>
			<td style="width:182px;">Indium Corporation</td>
			<td style="width:123px;">Custom</td>
			<td>99.99%, 50-75&#181;m thick, for thermal and liquid seals in cryogenic source</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;width:219px;">Jet catcher system</td>
			<td style="width:182px;">SLAC National Accelerator Laboratory</td>
			<td style="width:123px;">Custom</td>
			<td style="width:626px;">Consists of skimmer, vacuum hardware and feedthroughs, vacuum gauge, roots vacuum pump</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;">Laboratory-grade acetone</td>
			<td style="width:182px;">Sigma Aldrich</td>
			<td style="width:123px;">179973-4L</td>
			<td style="width:626px;">Used to remove grease and photoresist from components. Purity and grade not critical since final cleaning will use electronic-grade isopropanol</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;width:219px;">Leak detector</td>
			<td style="width:182px;">Matheson</td>
			<td style="width:123px;">SEQ8067</td>
			<td style="width:626px;">To ensure jet apertures have sealed before pumping down</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;">Liquid helium</td>
			<td style="width:182px;">Airgas</td>
			<td style="width:123px;">HE 100LT</td>
			<td>Top-loading dewar, Consumption depends on cryostat, source dimensions, and total gas flow. Typically 3-5 L/h.</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;">Liquid nitrogen</td>
			<td style="width:182px;">Airgas</td>
			<td style="width:123px;">NI 160LT22</td>
			<td>Total cold trap volume 4 L, consumption approximately 2L/h during jet operation</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;width:219px;">LN dewar flask (4 L)</td>
			<td style="width:182px;">ThermoFisher Scientific</td>
			<td style="width:123px;">4150-4000</td>
			<td style="width:626px;">For the liquid nitrogen cold trap</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;width:219px;">LN transfer hose</td>
			<td style="width:182px;">Cryofab</td>
			<td style="width:123px;">CFUL series</td>
			<td style="width:626px;">Uninsulated cryogenic hose with a phase separator to transfer LN from storage dewar to LN dewar flask for the cold trap</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;width:219px;">Manual XY manipulator</td>
			<td style="width:182px;">Pfeiffer Vacuum</td>
			<td style="width:123px;">420MXY100-25</td>
			<td style="width:626px;">Course adjustment (+/- 12.5 mm) of cryogenic source.&#160;</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;width:219px;">Manual Z manipulator</td>
			<td style="width:182px;">McAllister Technical Services</td>
			<td style="width:123px;">ZA12</td>
			<td style="width:626px;">Course adjustment of cryostat length for interchangeability on different vacuum vessels. Additionally, retracting cryogenic source from interaction point.</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;width:219px;">Mass flow controller</td>
			<td style="width:182px;">MKS Instruments</td>
			<td style="width:123px;">P9B, GM50A</td>
			<td style="width:626px;">To control and monitor gas flow</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;width:219px;">Planar apertures</td>
			<td style="width:182px;">Norcada</td>
			<td style="width:123px;">Custom</td>
			<td style="width:626px;">Custom nanofabrication of planar apertures</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;width:219px;">Positioning actuators</td>
			<td style="width:182px;">Newport</td>
			<td style="width:123px;">LTAHLPPV6, 8303-V</td>
			<td style="width:626px;">High-precision (&#60;2&#181;m), motorized jet positioning</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;width:219px;">Rotation stage</td>
			<td style="width:182px;">McAllister Technical Services</td>
			<td style="width:123px;">DPRF600</td>
			<td style="width:626px;">Precision alignment of jet orientation</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;width:219px;">Safety glasses</td>
			<td style="width:182px;">3M</td>
			<td style="width:123px;">S1101SGAF</td>
			<td style="width:626px;">ANSI Z87.1 rated for work with compressed gases</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

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&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>%50 Hidrojen, %50 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.

Watch this Scientific Journal Video about Cryogenic Liquid Jets for High Repetition Rate Discovery Science at JoVE.com

Cryogenic Liquid Jets for High Repetition Rate Discovery Science

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 ...

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

Research

Education

JoVE Core

JoVE Journal

Mechanical Engineering

Engineering

Unit 1

Kinetics of a Particle: Force and Acceleration

SCIENTISTS IN ACTION

2.9K Görüntüleme.  SLAC National Accelerator Laboratory. 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.

Video: Cryogenic Liquid Jets for High Repetition Rate Discovery Science

Synthesis and Microdiffraction at Extreme Pressures and Temperatures

High pressure compounds and polymorphs are investigated for a broad range of purposes such as determine structures and processes of deep planetary interiors, design materials with novel properties, understand the mechanical behavior of materials exposed to very high stresses as in explosions or impacts. Synthesis and structural analysis of materials at extreme conditions of pressure and temperature entails remarkable technical challenges. In the laser heated diamond anvil cell (LH-DAC), very high pressure is generated between the tips of two opposing diamond anvils forced against each other; focused infrared laser beams, shined through the diamonds, allow to reach very high temperatures on samples absorbing the laser radiation. When the LH-DAC is installed in a synchrotron beamline that provides extremely brilliant x-ray radiation, the structure of materials under extreme conditions can be probed in situ. LH-DAC samples, although very small, can show highly variable grain size, phase and chemical composition. In order to obtain the high resolution structural analysis and the most comprehensive characterization of a sample, we collect diffraction data in 2D grids and combine powder, single crystal and multigrain diffraction techniques. Representative results obtained in the synthesis of a new iron oxide, Fe4O5 1 will be shown.

The laser heated diamond anvil cell combined with synchrotron micro-diffraction techniques allows researchers to explore the nature and properties of new phases of matter at extreme pressure and temperature (PT) conditions. Heterogeneous samples can be characterized in situ under high pressure by 2D mapping and combined powder, single-crystal and multigrain diffraction approaches.

Aşırı basınç ve Sıcaklıklarda sentezi ve mikrodifraksiyon

High pressure compounds and polymorphs are investigated for a broad range of purposes such as determine structures and processes of deep planetary ...

Mühendislik

Visualization of High Speed Liquid Jet Impaction on a Moving Surface

Two apparatuses for examining liquid jet impingement on a high-speed moving surface are described: an air cannon device (for examining surface speeds between 0 and 25 m/sec) and a spinning disk device (for examining surface speeds between 15 and 100 m/sec). The air cannon linear traverse is a pneumatic energy-powered system that is designed to accelerate a metal rail surface mounted on top of a wooden projectile. A pressurized cylinder fitted with a solenoid valve rapidly releases pressurized air into the barrel, forcing the projectile down the cannon barrel. The projectile travels beneath a spray nozzle, which impinges a liquid jet onto its metal upper surface, and the projectile then hits a stopping mechanism. A camera records the jet impingement, and a pressure transducer records the spray nozzle backpressure. The spinning disk set-up consists of a steel disk that reaches speeds of 500 to 3,000 rpm via a variable frequency drive (VFD) motor. A spray system similar to that of the air cannon generates a liquid jet that impinges onto the spinning disc, and cameras placed at several optical access points record the jet impingement. Video recordings of jet impingement processes are recorded and examined to determine whether the outcome of impingement is splash, splatter, or deposition. The apparatuses are the first that involve the high speed impingement of low-Reynolds-number liquid jets on high speed moving surfaces. In addition to its rail industry applications, the described technique may be used for technical and industrial purposes such as steelmaking and may be relevant to high-speed 3D printing.

Two experimental devices for examining liquid jet impingement on a high-speed moving surface are described: an air cannon device and a spinning disk device. The apparatuses are used to determine optimal approaches to the application of liquid friction modifier (LFM) onto rail tracks for top-of-rail friction control.

Bir Hareketli Yüzeyde Yüksek Hızlı Sıvı Jet birikiminin Görselleştirme

Two apparatuses for examining liquid jet impingement on a high-speed moving surface are described: an air cannon device (for examining surface speeds ...

A Simple Dewar/Cryostat for Thermally Equilibrating Samples at Known Temperatures for Accurate Cryogenic Luminescence Measurements

The design and operation of a simple liquid nitrogen Dewar/cryostat apparatus based upon a small fused silica optical Dewar, a thermocouple assembly, and a CCD spectrograph are described. The experiments for which this Dewar/cryostat is designed require fast sample loading, fast sample freezing, fast alignment of the sample, accurate and stable sample temperatures, and small size and portability of the Dewar/cryostat cryogenic unit. When coupled with the fast data acquisition rates of the CCD spectrograph, this Dewar/cryostat is capable of supporting cryogenic luminescence spectroscopic measurements on luminescent samples at a series of known, stable temperatures in the 77-300 K range. A temperature-dependent study of the oxygen quenching of luminescence in a rhodium(III) transition metal complex is presented as an example of the type of investigation possible with this Dewar/cryostat. In the context of this apparatus, a stable temperature for cryogenic spectroscopy means a luminescent sample that is thermally equilibrated with either liquid nitrogen or gaseous nitrogen at a known measureable temperature that does not vary (&#916;T &#60; 0.1 K) during the short time scale (~1-10 sec) of the spectroscopic measurement by the CCD. The Dewar/cryostat works by taking advantage of the positive thermal gradient dT/dh that develops above liquid nitrogen level in the Dewar where h is the height of the sample above the liquid nitrogen level. The slow evaporation of the liquid nitrogen results in a slow increase in h over several hours and a consequent slow increase in the sample temperature T over this time period. A quickly acquired luminescence spectrum effectively catches the sample at a constant, thermally equilibrated temperature.

A simple liquid nitrogen Dewar/cryostat apparatus comprised of a small fused silica optical Dewar, a thermocouple, and a charge-coupled device (CCD) spectrograph are described. The experiments for which this Dewar/cryostat is designed require fast sample loading, freezing, and alignment, accurate and stable sample temperatures, and small size/portability.

Doğru Kriyojenik Lüminesans Ölçümleri için bilinen Sıcaklıklarda Isı dengeleyici Örnekleri Basit Dewar / Kriyostat

The design and operation of a simple liquid nitrogen Dewar/cryostat apparatus based upon a small fused silica optical Dewar, a thermocouple assembly, and ...

A High Performance Impedance-based Platform for Evaporation Rate Detection

This paper describes the method of a novel impedance-based platform for the detection of the evaporation rate. The model compound hyaluronic acid was employed here for demonstration purposes. Multiple evaporation tests on the model compound as a humectant with various concentrations in solutions were conducted for comparison purposes. A conventional weight loss approach is known as the most straightforward, but time-consuming, measurement technique for evaporation rate detection. Yet, a clear disadvantage is that a large volume of sample is required and multiple sample tests cannot be conducted at the same time. For the first time in literature, an electrical impedance sensing chip is successfully applied to a real-time evaporation investigation in a time sharing, continuous and automatic manner. Moreover, as little as 0.5 ml of test samples is required in this impedance-based apparatus, and a large impedance variation is demonstrated among various dilute solutions. The proposed high-sensitivity and fast-response impedance sensing system is found to outperform a conventional weight loss approach in terms of evaporation rate detection.

This paper presents an impedance-based apparatus for evaporation rate detection of solutions. It offers clear advantages over a conventional weight loss approach: a fast response, high-sensitivity detection, a small sample requirement, multiple sample measurements, and easy disassembly for cleaning and reuse purposes.

Buharlaşma Hızı Algılama için bir Yüksek Performanslı Empedans tabanlı Platformu

This paper describes the method of a novel impedance-based platform for the detection of the evaporation rate. The model compound hyaluronic acid was ...

Orientational Transition in a Liquid Crystal Triggered by the Thermodynamic Growth of Interfacial Wetting Sheets

In liquid crystal (LC) physical chemistry, molecules near the surface play a great role in controlling bulk orientation. Thus far, mainly to achieve desired molecular orientation states in LC displays, the "static" surface property of LCs, so-called surface anchoring, has been intensively studied. As a rule of thumb, once the initial orientation of LCs is "locked" by specific surface treatments, such as rubbing or treatment with a specific alignment layer, it hardly changes with temperature. Here, we present a system exhibiting an orientational transition upon temperature variation, which conflicts with the consensus. Right on the transition, the bulk LC molecules experience the orientational rotation, with 90&#176; between the planar (P) orientation at high temperatures and the vertical (V) orientation at low temperatures in the first-order transitional manner. We have tracked thermodynamic surface anchoring behavior by means of polarizing optical microscopy (POM), dielectric spectroscopy (DS), high-resolution differential scanning calorimetry (HR-DSC), and grazing incidence X-ray diffraction (GI-XRD) and reached a plausible physical explanation: that the transition is triggered by a growth of surface wetting sheets, which impose the V orientation locally against the P orientation in the bulk. This landscape would provide a general link explaining how the equilibrium bulk orientation is affected by surface-localized orientation in many LC systems. In our characterization, POM and DS are advantageous by offering information on the spatial distribution of the orientation of LC molecules. HR-DSC gives information about the precise thermodynamic information on transitions, which cannot be addressed by conventional DSC instruments due to limited resolution. GI-XRD provides information on surface-specific molecular orientation and short-range orderings. The goal of this paper is to present a protocol for preparing a sample that exhibits the transition and to demonstrate how the thermodynamic structural variation, both in the bulk and on surfaces, can be analyzed through the abovementioned methods.

Here, we present a protocol to trigger an orientational transition of a liquid crystal in response to temperature. Methodologies are described for preparing a sample in order to observe the transition and the detailed transitional evolution.

Yüzey Islatma Levhalarının Termodinamik Büyümesi ile tetiklenen Sıvı Kristalde Oryantasyon Geçişi

In liquid crystal (LC) physical chemistry, molecules near the surface play a great role in controlling bulk orientation. Thus far, mainly to achieve ...

Measuring the Densities of Aqueous Glasses at Cryogenic Temperatures

We demonstrate a method for determining the vitreous phase cryogenic temperature densities of aqueous mixtures, and other samples that require rapid cooling, to prepare the desired cryogenic temperature phase. Microliter to picoliter size drops are cooled by projection into a liquid nitrogen-argon (N2-Ar) mixture. The cryogenic temperature phase of the drop is evaluated using a visual assay that correlates with X-ray diffraction measurements. The density of the liquid N2-Ar mixture is adjusted by adding N2 or Ar until the drop becomes neutrally buoyant. The density of this mixture and thus of the drop is determined using a test mass and Archimedes principle. With appropriate care in drop preparation, management of gas above the liquid cryogen mixture to minimize icing, and regular mixing of the cryogenic mixture to prevent density stratification and phase separation, densities accurate to &#60;0.5% of drops as small as 50 pL can readily be determined. Measurements on aqueous cryoprotectant mixtures provide insight into cryoprotectant action, and provide quantitative data to facilitate thermal contraction matching in biological cryopreservation.

A protocol for determining the vitreous phase densities of micro- to pico-liter size drops of aqueous mixtures at cryogenic temperatures is described.

Kriyojenik Sıcaklıklarda Sulu Camların Yoğunluğunun Ölçülmesi

We demonstrate a method for determining the vitreous phase cryogenic temperature densities of aqueous mixtures, and other samples that require rapid ...

Detecting the Water-soluble Chloride Distribution of Cement Paste in a High-precision Way

To improve the accuracy of the chloride distribution along the depth of cement paste under cyclic wet-dry conditions, a new method is proposed to obtain a high-precision chloride profile. Firstly, paste specimens are molded, cured, and exposed to cyclic wet-dry conditions. Then, powder samples at different specimen depths are grinded when the exposure age is reached. Finally, the water-soluble chloride content is detected using a silver nitrate titration method, and chloride profiles are plotted. The key to improving the accuracy of the chloride distribution along the depth is to exclude the error in the powderization, which is the most critical step for testing the distribution of chloride. Based on the above concept, the grinding method in this protocol can be used to grind powder samples automatically layer by layer from the surface inward, and it should be noted that a very thin grinding thickness (less than 0.5 mm) with a minimum error less than 0.04 mm can be obtained. The chloride profile obtained by this method better reflects the chloride distribution in specimens, which helps researchers to capture the distribution features that are often overlooked. Furthermore, this method can be applied to studies in the field of cement-based materials, which require high chloride distribution accuracy.

A protocol for obtaining a water-soluble chloride profile by using a high precision milling method is presented.

Çimento hamuru suda çözünebilir klorür dağılımı bir yüksek-tamlık şekilde tespit

To improve the accuracy of the chloride distribution along the depth of cement paste under cyclic wet-dry conditions, a new method is proposed to obtain a ...

Measuring Magnetically-Tuned Ferroelectric Polarization in Liquid Crystals

Materials showing coupling phenomena between magnetism and (ferro)electricity, i.e., magnetoelectric effects, have attracted a great deal of attention due to their potential applications for future device technologies such as sensors and storage. However, conventional approaches, which usually utilize materials containing magnetic metal ions (or radicals), have a major problem: only a few materials have been found to show the coupling phenomena at room temperature. Recently, we proposed a new approach to achieve room-temperature magnetoelectrics. In contrast to conventional approaches, our alternative proposal focuses on a completely different material, a &#34;liquid crystal&#34;, free from magnetic metal ions. In such liquid crystals, a magnetic field can be utilized to control the orientational state of constituent molecules and the corresponding electric polarization through magnetic anisotropy of the molecules; it is an unprecedented mechanism of the magnetoelectric effect. In this context, this paper provides a protocol to measure ferroelectric properties induced by a magnetic field, that is, the direct magnetoelectric effect, in a liquid crystal. With the method detailed here, we successfully detected magnetically-tuned electric polarization in the chiral smectic C phase of a liquid crystal at room temperature. Taken together with the flexibility of constituent molecules, which directly affects the magnetoelectric responses, the introduced method will serve to allow liquid crystal cells to acquire more functions as room-temperature magnetoelectrics and associated optical materials.

In this report, we present a protocol to examine direct magnetoelectric effects, i.e., induction of ferroelectric polarization by applying magnetic fields, in liquid crystals. This protocol provides a unique approach, supported by the softness of liquid crystals, to achieve room-temperature magnetoelectrics.

Manyetik olarak ayarlı ölçüm Ferroelectric polarizasyon sıvı kristaller içinde

Materials showing coupling phenomena between magnetism and (ferro)electricity, i.e., magnetoelectric effects, have attracted a great deal of attention due ...

Preparation of Graphene Liquid Cells for the Observation of Lithium-ion Battery Material

In this work, we introduce the preparation of graphene liquid cells (GLCs), encapsulating both electrode materials and organic liquid electrolytes between two graphene sheets, and the facile synthesis of one-dimensional nanostructures using electrospinning. The GLC enables in situ transmission electron microscopy (TEM) for the lithiation dynamics of electrode materials. The in situ GLC-TEM using an electron beam for both imaging and lithiation can utilize not only realistic battery electrolytes, but also the high-resolution imaging of various morphological, phase, and interfacial transitions.

Here, we present a protocol for the fabrication and preparation of a graphene liquid cell for in situ transmission electron microscopy observation, along with a synthesis of electrode materials and electrochemical battery cell tests.

Lityum-iyon pil malzeme gözlenmesi için Graphene sıvı hücreleri hazırlanması

In this work, we introduce the preparation of graphene liquid cells (GLCs), encapsulating both electrode materials and organic liquid electrolytes between ...

Determination of Aggregate Surface Morphology at the Interfacial Transition Zone (ITZ)

Here, we present a comprehensive method to illustrate the uneven distribution of the interfacial transition zone (ITZ) around the aggregate and the effect of aggregate surface morphology on the formation of ITZ. First, a model concrete sample is prepared with a spherical ceramic particle in roughly the central part of the cement matrix, acting as a coarse aggregate used in common concrete/mortar. After curing until the designed age, the sample is scanned by X-ray computed tomography to determine the relative location of the ceramic particle inside the cement matrix. Three locations of the ITZ are chosen: above the aggregate, on the side of the aggregate, and below the aggregate. After a series of treatments, the samples are scanned with a SEM-BSE detector. The resultant images were further processed using a digital image processing method (DIP) to obtain quantitative characteristics of the ITZ. The surface morphology is characterized at the pixel level based on the digital image. Thereafter, K-means clustering method is used to illustrate the effect of surface roughness on ITZ formation.

Determination of Aggregate Surface Morphology at the Interfacial Transition Zone ITZ

Hereby, we proposed a protocol to illustrate the effect of aggregate surface morphology on the ITZ microstructure. The SEM-BSE image were quantitatively analyzed to obtain ITZ's porosity gradient via digital image processing and a K-means clustering algorithm was further employed to establish a relationship between porosity gradient and surface roughness.

İnterasiyal Geçiş Bölgesinde (ITZ) Agrega Yüzey Morfolojisinin Belirlenmesi

Here, we present a comprehensive method to illustrate the uneven distribution of the interfacial transition zone (ITZ) around the aggregate and the effect ...