Name: cryogenic liquid jets for high repetition rate discovery science
Uploaded: 2020-05-09T14:00:00
Duration: 8 min 34 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Cryogenic Liquid Jets for High Repetition Rate Discovery Science at JoVE.com

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).

<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>

ليس لدى المؤلفين ما يكشفون عنه.

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.

<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

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.

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.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61130/61130fig1.jpg"> 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. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61130/61130fig1large.jpg" target="_blank">يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61130/61130fig2.jpg"> الشكل 2: رسم عرض ثلاثي الأبعاد لتجميع المصدر المبرد. يتم تثبيت أختام الإنديوم بين الإصبع البارد وجسم المصدر ، وجسم المصدر وشفة المصدر وفتحته. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61130/61130fig2large.jpg" target="_blank">يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61130/61130fig3.jpg"> 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. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61130/61130fig3large.jpg" target="_blank">يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61130/61130fig4.jpg"> 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. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61130/61130fig4large.jpg" target="_blank">يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.</a> 
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61130/61130fig5.jpg"> 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. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61130/61130fig5large.jpg" target="_blank">يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.</a> 
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61130/61130fig6.jpg"> الشكل 6: استقرار الموضع النفاث لطائرة الهيدروجين المبردة 2 × 20 ميكرومتر2 . المعلمات هي 18 K و 60 psig و Re <img alt="Equation 27" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq27v2.jpg" style="font-size: 14px;"> 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. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61130/61130fig6large.jpg" target="_blank">يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.</a>
<img alt="Figure 7" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61130/61130fig7.jpg"> 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. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61130/61130fig7large.jpg" target="_blank">يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.</a> 
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always"><tbody><tr><td>عينة الغاز</td>
			<td>فرج</td>
			<td>درجة الحرارة (K)</td>
			<td>الضغط (psig)</td>
			<td>التدفق (sccm)</td>
		</tr><tr><td>هيدروجين</td>
			<td>Ø5 ميكرومتر أسطواني</td>
			<td>17</td>
			<td>60</td>
			<td>150</td>
		</tr><tr><td>50٪ هيدروجين, 50٪ ديوتيريوم</td>
			<td>Ø5 ميكرومتر أسطواني</td>
			<td>20</td>
			<td>30, 30</td>
			<td>130</td>
		</tr><tr><td>الديوتريوم</td>
			<td>Ø5 ميكرومتر أسطواني</td>
			<td>22</td>
			<td>75</td>
			<td>80</td>
		</tr><tr><td>هيدروجين</td>
			<td>1 ميكرومتر × 20 ميكرومتر مستو</td>
			<td>18</td>
			<td>182</td>
			<td>150</td>
		</tr><tr><td>هيدروجين</td>
			<td>2 ميكرومتر × 20 ميكرومتر مستو</td>
			<td>18</td>
			<td>218</td>
			<td>236</td>
		</tr><tr><td>هيدروجين</td>
			<td>4 ميكرومتر × 20 ميكرومتر مستو</td>
			<td>17.5</td>
			<td>140</td>
			<td>414</td>
		</tr><tr><td>الديوتريوم</td>
			<td>4 ميكرومتر × 20 ميكرومتر مستو</td>
			<td>20.5</td>
			<td>117</td>
			<td>267</td>
		</tr><tr><td>أرجون</td>
			<td>Ø5 ميكرومتر أسطواني</td>
			<td>90</td>
			<td>50</td>
			<td>18.5</td>
		</tr><tr><td>ميثان</td>
			<td>Ø5 ميكرومتر أسطواني</td>
			<td>100</td>
			<td>75</td>
			<td>46</td>
		</tr></tbody></table>الجدول 1: عينة من ظروف تشغيل النفاثة.

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

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.

نفاثات سائلة مبردة لعلم اكتشاف معدل تكرار مرتفع

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

Research

Education

JoVE Core

JoVE Journal

Mechanical Engineering

Engineering

Unit 1

Kinetics of a Particle: Force and Acceleration

SCIENTISTS IN ACTION

Synthesis and Microdiffraction at Extreme Pressures and Temperatures

التوليف وMicrodiffraction في الضغوط الشديدة ودرجات الحرارة

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

Visualization of High Speed Liquid Jet Impaction on a Moving Surface

تصور عالية السرعة السائل جيت الانحشار على السطح المتحرك

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

وبسيط ديوار / ناظم البرد لعينات حراريا توازنه في درجات الحرارة المعروفة للدقيقة القياسات التلألؤ المبردة

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

ومنصة مقرها معاوقة عالية الأداء للكشف التبخر تقييم

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

التحول الشرقي في الكريستال السائل الناجم عن النمو الديناميكي للصفائح الرطب بينية

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

قياس كثافة من النظارات المائية في درجات الحرارة المبردة

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

الكشف عن توزيع الأسمنت لصق كلوريد للذوبان في الماء بطريقة عالية الدقة

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

قياس الاستقطاب Ferroelectric ضبطها مغناطيسيا بالبلورات السائلة

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

إعداد خلايا السائل الجرافين لمراقبة المواد بطارية ليثيوم أيون

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)

Determination of Aggregate Surface Morphology at the Interfacial Transition Zone ITZ

تحديد المورفولوجية السطحية التجميعية في المنطقة الانتقالية بين الوجهين (ITZ)

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