Name: cryogenic liquid jets for high repetition rate discovery science
Uploaded: 2020-05-09T14:00:00
Duration: 8 min 34 s
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Ce travail a été soutenu par le contrat SLAC No. DE- AC02-76SF00515 et par le U.S. DOE Office of Science, Fusion Energy Sciences under FWP 100182. Ce travail a également été partiellement soutenu par la National Science Foundation dans le cadre de la subvention n ° 1632708 et par EC H2020 LASERLAB-EUROPE / LEPP (Contrat n ° 654148). C.B.C. reconnaît l’appui du Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie du Canada (CRSNG). F.T. reconnaît le soutien de la National Nuclear Security Administration (NNSA).

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Les auteurs n’ont rien à divulguer.

Le bon fonctionnement du jet de liquide cryogénique nécessite une propreté méticuleuse et une surveillance attentive de la stabilité de la température. L’une des défaillances les plus fréquentes et les plus évitables est un blocage partiel ou total de l’ouverture de la taille d’un micron. Le cuivre, l’acier inoxydable ou l’indium de la source ou des particules en suspension dans l’air peuvent être introduits à n’importe quelle étape de l’assemblage source. Tous les composants doivent subir un processus de nettoyage robuste utilisant la sonication indirecte. L’assemblage et le stockage dans une salle blanche de classe 10 000 ou mieux améliorent le taux de réussite.
Une autre étape critique de la procédure consiste à stabiliser la température de la source cryogénique. Les utilisateurs doivent s’assurer que la température du liquide sortant de la source est mesurée indépendamment de la chaleur variable dégagée par liquéfaction continue dans le réservoir. Ceci est accompli en plaçant le capteur de température près de l’ouverture (par exemple, sur la bride de la source) ou loin de la source de chaleur. De plus, les paramètres P-I-D doivent être optimisés manuellement à l’aide de la méthode Ziegler-Nichols pour chaque combinaison de température et de pression de recul. Si les fluctuations de température deviennent trop importantes, des oscillations périodiques peuvent être observées sur le jet conduisant parfois à une rupture périodique. Il convient de noter que les fonctions de réglage automatique intégrées ou les filtres passe-bas n’ont pas réussi à stabiliser la température pendant le fonctionnement du jet.
Le système cryogénique à jet de liquide, bien que hautement adaptable, est difficile à mettre en œuvre dans des installations à grande échelle dotées de protocoles de vide établis. Par exemple, des étapes de pompage différentiel sont nécessaires lorsque l’équipement en amont est sensible au gaz résiduel (par exemple, laser à électrons libres FLASH chez DESY ou instrument MeV-UED au SLAC). En outre, les chambres à vide de grand diamètre, telles que celles des lasers multi-PW, nécessitent probablement des cryostats flexibles sous vide. Par rapport aux cryostats conventionnels de longueur fixe, ils peuvent être facilement découplés des vibrations de la chambre et ont un bras de levier plus court. Un cryostat flexible sous vide a déjà été mis en œuvre avec le laser Draco Petawatt au Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR). Une autre observation est que l’ouverture peut être endommagée lorsque le jet est irradié par un laser de très haute intensité trop proche de la source. Récemment, une lame de hacheur mécanique (fonctionnant à 150 Hz et synchronisée avec l’impulsion laser) a été mise en œuvre pour protéger et isoler l’ouverture de l’interaction laser-plasma.
Ce système produit des jets de liquide cryogéniques à l’échelle du micron, hautement accordables, sans turbulences, cylindriques laminaires et planaires. Le développement continu du système cryogénique à jet de liquide est axé sur les matériaux et la conception avancés de l’ouverture, les améliorations du système de vide et de capteur, et le mélange avancé des isotopes de l’hydrogène. Ce système permettra une transition vers la science à haute densité énergétique à taux de répétition élevé et ouvrira la voie au développement d’accélérateurs de particules de nouvelle génération.

Le but de cette méthode est de produire un flux liquide cryogénique à grande vitesse composé d’éléments purs ou de composés chimiques. Étant donné que les liquides cryogéniques s’évaporent à température et pression ambiantes, les échantillons résiduels provenant du fonctionnement à des taux de répétition élevés (p. ex. 1 kHz) peuvent être entièrement évacués de la chambre à vide1. D’après les premiers travaux de Grisenti et al.2, ce système a d’abord été développé en utilisant de l’hydrogène cryogénique pour l’accélération de protons à haute intensitéentraînée par laser 3. Il a ensuite été étendu à d’autres gaz et utilisé dans un certain nombre d’expériences, notamment: l’accélération ionique4,5, répondant à des questions de physique des plasmas telles que les instabilités du plasma6, la cristallisation rapide et les transitions de phase dans l’hydrogène7 et le deutérium, et la diffusion inélastique des rayons XmeV 8 pour résoudre les ondes acoustiques dans l’argon dans l’instrument Matter in Extreme Conditions (MEC) de la source de lumière cohérente Linac (LCLS)9.
Jusqu’à présent, d’autres méthodes alternatives ont été développées pour générer des échantillons d’hydrogène cryogénique solide et de deutérium à taux de répétition élevé. Garcia et al. ont développé une méthode dans laquelle l’hydrogène est liquéfié et solidifié dans un réservoir et extrudé à travers une ouverture10. En raison de la pression élevée requise pour l’extrusion, l’épaisseur minimale de l’échantillon démontrée (à ce jour) est de 62 μm11. Ce système présente également une grande gigue spatiale12. Plus récemment, Polz et coll. ont produit un jet d’hydrogène cryogénique à travers une buse capillaire en verre en utilisant une pression de soutien de gaz d’échantillon de 435 psig (livres par pouce carré, jauge). Le jet cylindrique de 10 μm qui en résulte est continu mais semble fortement ondulé13.
Présentée ici est une méthode qui produit des jets cylindriques (diamètre = 5-10 μm) et planaires avec différents rapports d’aspect (1-7 μm x 10-40 μm). La gigue de pointage augmente linéairement en fonction de la distance par rapport à l’ouverture5. Les propriétés du fluide et l’équation d’état dictent les éléments et les composés chimiques qui peuvent être utilisés dans ce système. Par exemple, le méthane ne peut pas former un jet continu en raison de la rupture de Rayleigh, mais il peut être utilisé comme gouttelettes14. De plus, les conditions optimales de pression et de température varient considérablement selon les dimensions d’ouverture. Les paragraphes suivants fournissent la théorie nécessaire pour produire des jets d’hydrogène cryogéniques laminaires et sans turbulence. Cela peut être étendu à d’autres gaz.
Le système de jet cryogénique se compose de trois sous-systèmes principaux: (1) l’administration de gaz d’échantillon, (2) le vide et (3) le cryostat et la source cryogénique. Le système illustré à la figure 1 a été conçu pour être hautement adaptable à l’installation dans différentes chambres à vide.
Le système d’alimentation en gaz est composé d’une bouteille de gaz comprimé de très haute pureté, d’un régulateur de gaz et d’un régulateur de débit massique. La pression de secours du gaz échantillon est réglée par le régulateur de gaz, tandis que le régulateur de débit massique est utilisé pour mesurer et restreindre le débit de gaz fourni au système. Le gaz de l’échantillon est d’abord filtré dans un piège à froid à azote liquide pour geler les gaz contaminants et la vapeur d’eau. Un deuxième filtre à particules en ligne empêche les débris de pénétrer dans le segment final de la conduite de gaz.
Les pompes turbomoléculaires soutenues par des pompes scroll à vitesse de pompage élevée maintiennent des conditions de vide élevé dans la chambre d’échantillonnage. Les pressions de vide de la chambre et de la ligne avant sont surveillées à l’aide des jauges à vide V1 et V2, respectivement. Il convient de noter que le fonctionnement du jet cryogénique introduit une charge de gaz importante (proportionnelle au débit total de l’échantillon) dans le système de vide lorsque le liquide se vaporise.
Une méthode éprouvée pour réduire la charge de gaz consiste à capturer le liquide résiduel avant que la vaporisation en vrac ne puisse se produire. Le système de capteurs à jet se compose d’une conduite de vide indépendante terminée par une ouverture de pompage différentielle de ø800 μm située jusqu’à 20 mm du bouchon de la source cryogénique. La ligne est évacuée avec une pompe qui présente une efficacité optimale dans la gamme 1 x 10-2 mBar (c’est-à-dire une pompe à vide de soufflante de racines ou une pompe turbomoléculaire hybride) et est surveillée par une jauge à vide V3. Plus récemment, le collecteur a permis de faire fonctionner des jets d’hydrogène cryogéniques allant jusqu’à 7 μm x 13 μm avec deux ordres de grandeur d’amélioration de la pression de la chambre à vide.
Un cryostat à hélium liquide à flux continu de longueur fixe est utilisé pour refroidir la source à des températures cryogéniques. L’hélium liquide est extrait d’un débrouillard d’alimentation à l’aide d’une ligne de transfert. Le flux de retour est connecté à un panneau de débitmètre réglable pour réguler la puissance de refroidissement. La température du doigt froid et de la source cryogénique est mesurée à l’aide de quatre capteurs de température à diode en silicium au plomb. Un régulateur de température proportionnel-intégral-dérivé (P-I-D) fournit une tension variable à un appareil de chauffage installé près du doigt froid pour ajuster et stabiliser la température. Le gaz de l’échantillon pénètre dans la chambre à vide par une alimentation personnalisée sur la bride du cryostat. À l’intérieur de la chambre, la conduite de gaz s’enroule autour du cryostat pour prérefroidir le gaz avant de se connecter à une conduite de gaz fixe sur l’ensemble source cryogénique. Des vis en acier inoxydable et une couche d’indium de 51 μm d’épaisseur scellent thermiquement la source cryogénique au doigt froid.
La source cryogénique (figure 2) se compose de six composants principaux : une conduite de gaz d’échantillon, 2) un corps source, 3) une bride de source avec filtre à particules en ligne, 4) une ouverture, 5) une virole et 6) un bouchon. Le corps source contient un vide, qui agit comme le réservoir de l’échantillon. Un filtre fileté en acier inoxydable fritté Swagelok de 0,5 μm empêche tout débris ou contaminant solidifié de pénétrer dans le canal liquide et d’obstruer l’ouverture. Un anneau d’indium plus épais de 76 μm d’épaisseur est placé entre l’ouverture et le canal liquide pour augmenter la longueur de déformation et sceller de manière fiable l’ouverture. Lorsque le bouchon est fileté sur la bride source, l’indium est comprimé pour former un joint liquide et thermique. La virole et le capuchon source centrent l’ouverture lors de l’installation.
La conception initiale d’un système pour jets de liquides cryogéniques fonctionnant en régime laminaire continu comporte un certain nombre de considérations générales. Les utilisateurs doivent estimer la puissance de refroidissement totale du cryostat, les propriétés thermiques de la conception de la source cryogénique, les performances du système de vide, ainsi que la température et la pression du liquide. Vous trouverez ci-dessous le cadre théorique requis.
Considérations relatives à la puissance frigorifique
1) Liquéfaction de l’hydrogène15 : la puissance frigorifique minimale requise pour liquéfier l’hydrogène de 300 K à une température <img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq2v2.jpg" style="font-size: 14px;"> peut être approximativement estimée à l’aide de l’équation suivante : <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq1v3.jpg">
Où : <img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq3v2.jpg"> est la chaleur spécifique à pression constante et <img alt="Equation 5" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq5v2.jpg"> la chaleur latente de vaporisation deH2 à la température <img alt="Equation 6" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq6v2.jpg">de liquéfaction dépendante de la pression <img alt="Equation 4" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq4v2.jpg">. Par exemple, un jet d’hydrogène cryogénique fonctionnant à une pression de gaz de 60 psig et refroidi à 17 K nécessite un minimum de 4013 kJ / kg. Avec un débit d’hydrogène gazeux de 150 sccm (centimètres cubes standard par seconde), cela correspond à une chaleur de <img alt="Equation 7" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq7v2.jpg"> 0,9 W.
Il convient de noter que le processus de liquéfaction ne contribue qu’à un dixième de la puissance de refroidissement totale requise. Pour réduire la charge thermique sur le cryostat, le gaz peut être prérefroidi à une température intermédiaire avant d’entrer dans le corps source.
2) Chaleur radiative: pour maintenir la source cryogénique à une température <img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq2v2.jpg">, le cryostat doit compenser le chauffage radiatif. Ceci peut être estimé en équilibrant la différence de rayonnement du corps noir émis et absorbé à l’aide de l’équation suivante: <img alt="Equation 8" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq8v2.jpg">
Où: A est l’aire du corps source, <img alt="Equation 9" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq9v2.jpg"> est la constante de Stefan-Boltzmann et <img alt="Equation 10" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq10v2.jpg"> est la température de la chambre à vide. Par exemple, une source de jet typique de A = 50 cm 2 refroidie à 17 K nécessite une puissance de refroidissement minimale de2,3 W. <img alt="Equation 10" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq10v2.jpg"> peut être localement diminué en ajoutant un écran anti-rayonnement activement refroidi couvrant une partie substantielle de la source cryogénique.
3) Conduction des gaz résiduels: bien que le rayonnement thermique soit dominant dans des conditions de vide ultra-poussé, la contribution due à la conduction dans le gaz résiduel devient non négligeable pendant le fonctionnement du jet. Le jet de liquide introduit une charge de gaz importante dans la chambre, ce qui entraîne une augmentation de la pression de vide. La perte de chaleur nette due à la conduction thermique du gaz à une pression p est calculée à l’aide de l’équation suivante: <img alt="Equation 11" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq11v2.jpg">
Où : <img alt="Equation 12" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq12v2.jpg"> est un coefficient dépendant de l’espèce de gaz (~3,85 x 10-2 W/cm2/K/mBar pourH2), et est le coefficient d’accommodation qui dépend de l’espèce de gaz, de la géométrie de la source, et de la température de la source et <img alt="Equation 13" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq13v2.jpg"> du gaz16,17. Lors du fonctionnement d’un jet d’hydrogène cryogénique à 17 K, en supposant une géométrie cylindrique de la source et que l’hydrogène est le gaz principal présent dans la chambre à vide, la conduction gazeuse génère de la chaleur qui peut être estimée à l’aide de l’équation suivante: <img alt="Equation 14" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq14v2.jpg">
Par exemple, la conduction gazeuse à une pression de vide de 4,2 x 10-3 mBar génère autant de chaleur que le rayonnement thermique. Par conséquent, la pression de vide est généralement maintenue en dessous de 1 x 10-3 mBar pendant le fonctionnement du jet, ajoutant une charge thermique de ~0,55 W au système (A = 50 cm2).
La charge gazeuse introduite dans la chambre pendant le fonctionnement est obtenue par le flux du jet cryogénique. La pression de vide résultante est ensuite déterminée par la vitesse de pompage effective du système de vide et le volume de la chambre à vide.
Pour faire fonctionner le jet cryogénique, le cryostat doit générer une puissance de refroidissement suffisante pour compenser les différentes sources de chaleur au-dessus (par exemple, 3,75 W), sans compter les pertes de chaleur du système cryostat lui-même. Notez que l’efficacité du cryostat dépend également fortement de la température souhaitée du doigt froid.
Estimation des paramètres du jet
Pour établir un écoulement laminaire continu, plusieurs conditions doivent être remplies. Par souci de concision, le cas d’un écoulement de liquide cylindrique est illustré ici. La formation de jets planaires implique des forces supplémentaires, ce qui entraîne une dérivation plus complexe qui dépasse le cadre de cet article18.
1) Relation pression-vitesse : pour les écoulements de liquides incompressibles, la conservation de l’énergie donne l’équation de Bernoulli, comme suit : <img alt="Equation 15" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq15v2.jpg">
Où: <img alt="Equation 16" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq16v2.jpg"> est la densité atomique du fluide, est la vitesse du fluide, est l’énergie potentielle gravitationnelle, <img alt="Equation 17" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq17v2.jpg"> <img alt="Equation 18" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq18v2.jpg"> et p est la pression. En appliquant l’équation de Bernoulli à travers l’ouverture, la relation fonctionnelle entre la vitesse du jet et la pression de recul de l’échantillon peut être estimée à l’aide de l’équation suivante: <img alt="Equation 19" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq19v2.jpg">
2) Régime de fonctionnement du jet: le régime d’un jet liquide cylindrique peut être déduit en utilisant les nombres de Reynolds et d’Ohnesorge. Le nombre de Reynolds, défini comme le rapport entre les forces d’inertie et visqueuses dans le fluide, est calculé à l’aide de l’équation suivante: <img alt="Equation 20" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq20v2.jpg">
Où : <img alt="Equation 16" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq16v2.jpg">, , et sont respectivement la densité, <img alt="Equation 17" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq17v2.jpg"><img alt="Equation 21" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq21v2.jpg">la vitesse, le diamètre et <img alt="Equation 22" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq22v2.jpg"> la viscosité dynamique du fluide. L’écoulement laminaire se produit lorsque le nombre de Reynolds est inférieur à ~2 000. De même, le nombre de Weber compare l’amplitude relative de l’inertie à la tension superficielle et est calculé à l’aide de l’équation suivante: <img alt="Equation 23" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq23v2.jpg">
Où : σ est la tension superficielle du liquide. Le nombre d’Ohnesorge est alors calculé comme suit: <img alt="Equation 24" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq24v2.jpg">
Cette quantité indépendante de la vitesse est utilisée en combinaison avec le nombre de Reynolds pour identifier les quatre régimes de jets liquides: (1) Rayleigh, (2) premier induit par le vent, (3) deuxième induit par le vent et (4) atomisation. Pour l’écoulement cryogénique laminaire sans turbulence, les paramètres doivent être choisis pour fonctionner dans le régime de Rayleigh19 (c.-à-d. <img alt="Equation 25" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq25v2.jpg">). Dans ce régime, la colonne de fluide restera continue avec une surface lisse jusqu’à la longueur dite intacte, estimée comme suit20: <img alt="Equation 26" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq26v2.jpg">
Les différents paramètres de fluide pour un jet d’hydrogène cryogénique cylindrique de 5 μm de diamètre fonctionnant à 60 psig et 17 K sont résumés à la figure 3. Pour maintenir un jet continu sur de plus longues distances, le liquide doit être refroidi suffisamment près de la transition de phase liquide-solide (figure 4) de sorte que le refroidissement par évaporation, se produisant une fois que le jet se propage dans le vide, solidifie le jet avant le début de la rupture de Rayleigh 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

Ce protocole présente une procédure détaillée pour le fonctionnement de jets de liquide cylindriques et planaires cryogéniques continus de la taille d’un micron. Lorsqu’il est utilisé comme décrit ici, le jet présente une laminarité et une stabilité élevées pendant quelques centimètres. Le fonctionnement réussi d’un jet de liquide cryogénique dans le régime de Rayleigh nécessite une compréhension de base de la dynamique des fluides et de la thermodynamique à des températures cryogéniques. Des calculs théoriques et des valeurs empiriques typiques sont fournis à titre de guide pour la conception d’un système comparable. Ce rapport identifie l’importance de la propreté lors de l’assemblage de la source cryogénique et de la stabilité de la température de la source cryogénique une fois liquéfiée. Le système peut être utilisé pour une accélération de protons à taux de répétition élevé entraînée par laser, avec une application envisagée en protonthérapie. D’autres applications incluent l’astrophysique de laboratoire, la science des matériaux et les accélérateurs de particules de nouvelle génération.

Après l’étape 5.4, des graphiques d’ombres à fort grossissement sont utilisés pour évaluer la laminarité, la gigue de positionnement et la stabilité à long terme pendant le fonctionnement du jet. Il est essentiel d’utiliser un éclairage pulsé inférieur à la nanoseconde pour enregistrer une image instantanée du jet afin que le mouvement du jet (~0,1 μm/ns pour H2) ne floue pas les irrégularités de surface ou la turbulence. Des exemples d’images de 2 jets 2 x 20 μm 2 H 2, 4 x 12 μm 2 H 2 et 4 x 20 μm 2 D 2 sont présentés à la figure 5.
Un système d’imagerie supplémentaire à fort grossissement est utilisé pour positionner avec précision le jet de liquide cryogénique dans l’espace. Pour plus de simplicité, les systèmes d’imagerie sont conçus pour fournir des vues avant et latérales du jet. Il est particulièrement important d’évaluer la stabilité du jet et de déterminer l’orientation des jets planaires. Une étude de la gigue spatiale d’un 2 x 20 μm2 H2 en fonction de la distance à l’ouverture, réalisée au cours d’un seul essai sur plusieurs heures, est représentée à la figure 6. La gigue de positionnement 1σ pour chaque point de données de la figure 6A a été calculée à partir de 49 images enregistrées à 10 Hz. Ici, la position du jet a été déterminée par rapport à une position de référence fixe. La figure 6B montre les histogrammes normalisés de la position du jet à 23 mm à titre d’exemple. Une étude plus détaillée peut être trouvée dans Obst et al.5. En moyenne, la gigue spatiale augmente linéairement loin de la buse.
Les observables typiques du système pendant la liquéfaction et le fonctionnement par jet (conformément à la section 5) d’un jet de deutérium cryogénique de 4 x 20 μm2 sont présentés à la figure 7. Une surveillance attentive de la température, du débit, de la pression de secours de l’échantillon et des pressions de vide permet à l’opérateur d’identifier rapidement toute irrégularité et de réagir en conséquence. Par exemple, si le jet quitte le capteur, indiqué par une boîte en pointillés, la chambre à vide et la pression de la ligne avant augmentent considérablement. Une puissance de refroidissement supplémentaire est alors nécessaire pour maintenir la température de consigne.
Une fois stabilisées, toutes les observables doivent être constantes avec un minimum d’oscillations. Toute dérive à long terme indique un problème (p. ex., fuites, contamination par le gaz, diminution du rendement du système de vide, dérive de positionnement dans le capteur). Le choix de l’ouverture dicte fortement les paramètres opérationnels du jet dans le régime Rayleigh. Une fois que les paramètres optimaux sont identifiés pour un type de gaz et d’ouverture donné, le jet résultant est hautement reproductible; Cependant, tout écart mineur dans l’ouverture nécessite une réoptimisation à partir des valeurs précédemment identifiées. Les paramètres de fonctionnement typiques sont résumés dans le tableau 1.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61130/61130fig1.jpg"> Figure 1 : Diagramme P&ID d’une plate-forme de livraison de jet de liquide cryogénique typique. Les sous-systèmes de gaz échantillon, de vide et cryogéniques sont représentés. Les pressions de la chambre à vide, de la pompe turbomoléculaire et de la ligne avant du capteur de jet sont surveillées avec des jauges à vide V1, V2 et V3, respectivement. La température du cryostat est activement régulée à l’aide d’un régulateur de température P-I-D. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61130/61130fig1large.jpg" target="_blank">Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61130/61130fig2.jpg"> Figure 2 : Dessin tridimensionnel en vue éclatée de l’assemblage de la source cryogénique. Des joints d’étanchéité à l’indium sont installés entre le doigt froid et le corps source, le corps source et la bride, ainsi que la bride et l’ouverture de la source. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61130/61130fig2large.jpg" target="_blank">Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61130/61130fig3.jpg"> Figure 3 : Résumé des paramètres de la dynamique des fluides. Les paramètres sont fournis, en supposant un jet d’hydrogène cryogénique cylindrique de ø5 μm fonctionnant à 60 psig et 17 K. Les valeurs de densité, de viscosité et de tension superficielle proviennent du NIST. 15. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61130/61130fig3large.jpg" target="_blank">Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61130/61130fig4.jpg"> Figure 4: Équation d’état de l’hydrogène aux températures cryogéniques15. Les points critique et triple sont indiqués respectivement par des cercles remplis de bleu et d’orange. Le fonctionnement du jet suit une isobare à travers la transition de phase gaz-liquide. Le jet se solidifie par refroidissement par évaporation dans la chambre à vide. La case grise indique la plage de pressions de recul (40-90 psia) et de températures (17-20 K) qui sont balayées pour optimiser la stabilité d’un jet d’hydrogène cryogénique cylindrique de ø5 μm. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61130/61130fig4large.jpg" target="_blank">Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.</a>
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61130/61130fig5.jpg"> Figure 5 : Shadowgraphes d’ombres de grossissement 20x représentatifs de jets de liquides cryogéniques laminaires sans turbulenceà l’aide d’un laser de longueur d’onde de 10 ps/1057 nm. (A) Ouverture = 2 x 20 μm 2, gaz = H2, T = 15,8 K, P = 188 psig. (B) Ouverture = 4 x 12 μm 2, gaz = H 2, T = 17,2 K, P = 80 psig. (C) Ouverture = 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">Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.</a> 
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61130/61130fig6.jpg"> Figure 6 : Stabilité de la position du jet pour 2 x 20 μm2 jets d’hydrogène cryogénique. Les paramètres sont 18 K, 60 psig et Re <img alt="Equation 27" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq27v2.jpg" style="font-size: 14px;"> 1887. (A) Positionnement de la gigue en fonction de la distance par rapport à l’ouverture. La gigue longitudinale (latérale) correspond au mouvement parallèle à l’axe court (long) de la feuille rectangulaire. (B) Histogramme normalisé de la position du jet pour déterminer la gigue latérale (σ = 5,5 μm) et la gigue longitudinale (σ = 8,5 μm) à 23 mm de la buse. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61130/61130fig6large.jpg" target="_blank">Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.</a>
<img alt="Figure 7" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61130/61130fig7.jpg"> Figure 7 : Débit et pressions représentatifs pendant le fonctionnement par jet cryogénique. (A) A gauche: débit de gaz de prélèvement, droite: pression de secours du gaz d’échantillonnage en fonction du temps. Diagramme semi-logarithmique de la pression de la chambre à vide (V1; B), la pression d’avant-ligne de la pompe turbomoléculaire (V2; C) et la pression du capteur de jet (V3; D) en tant que fonctions du temps. Les nombres encerclés identifient les changements dans le système observés au cours de la section 5 du protocole. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61130/61130fig7large.jpg" target="_blank">Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.</a> 
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always"><tbody><tr><td>Gaz d’échantillon</td>
			<td>Ouverture</td>
			<td>Température (K)</td>
			<td>Pression (psig)</td>
			<td>Débit (sccm)</td>
		</tr><tr><td>Hydrogène</td>
			<td>Ø5 μm cylindrique</td>
			<td>17</td>
			<td>60</td>
			<td>150</td>
		</tr><tr><td>50% hydrogène, 50% deutérium</td>
			<td>Ø5 μm cylindrique</td>
			<td>20</td>
			<td>30, 30</td>
			<td>130</td>
		</tr><tr><td>Deutérium</td>
			<td>Ø5 μm cylindrique</td>
			<td>22</td>
			<td>75</td>
			<td>80</td>
		</tr><tr><td>Hydrogène</td>
			<td>1 μm x 20 μm planaire</td>
			<td>18</td>
			<td>182</td>
			<td>150</td>
		</tr><tr><td>Hydrogène</td>
			<td>2 μm x 20 μm planaire</td>
			<td>18</td>
			<td>218</td>
			<td>236</td>
		</tr><tr><td>Hydrogène</td>
			<td>4 μm x 20 μm planaire</td>
			<td>17.5</td>
			<td>140</td>
			<td>414</td>
		</tr><tr><td>Deutérium</td>
			<td>4 μm x 20 μm planaire</td>
			<td>20.5</td>
			<td>117</td>
			<td>267</td>
		</tr><tr><td>Argon</td>
			<td>Ø5 μm cylindrique</td>
			<td>90</td>
			<td>50</td>
			<td>18.5</td>
		</tr><tr><td>Méthane</td>
			<td>Ø5 μm cylindrique</td>
			<td>100</td>
			<td>75</td>
			<td>46</td>
		</tr></tbody></table>Tableau 1 : Exemples de conditions de fonctionnement des jets.

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Cryogenic Liquid Jets for High Repetition Rate Discovery Science

Ce protocole présente le fonctionnement et les principes des jets de liquides cryogéniques cylindriques et planaires à l’échelle du micron. Jusqu’à présent, ce système a été utilisé comme cible à taux de répétition élevé dans les expériences laser-plasma. Les applications interdisciplinaires prévues vont de l’astrophysique de laboratoire à la science des matériaux, et éventuellement aux accélérateurs de particules de nouvelle génération.

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