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

עבודה זו נתמכה על ידי חוזה SLAC מס' של משרד האנרגיה האמריקאי. DE- AC02-76SF00515 ועל ידי משרד המדע של ארה"ב, מדעי אנרגיית היתוך תחת FWP 100182. עבודה זו נתמכה חלקית גם על ידי הקרן הלאומית למדע תחת מענק מס '1632708 ועל ידי EC H2020 LASERLAB-EUROPE/LEPP (חוזה מס '654148). C.B.C. מכיר בתמיכת מועצת המחקר למדעי הטבע וההנדסה של קנדה (NSERC). F.T. מכיר בתמיכת המינהל הלאומי לביטחון גרעיני (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>

למחברים אין מה לחשוף.

הפעלה מוצלחת של הסילון הנוזלי הקריוגני דורשת ניקיון קפדני ומעקב קפדני אחר יציבות הטמפרטורה. אחד הכשלים השכיחים והנמנעים ביותר הוא חסימה חלקית או מלאה של הצמצם בגודל מיקרון. נחושת, נירוסטה או אינדיום מהמקור או חלקיקים באוויר יכולים להיות מוצגים בכל שלב של מכלול המקור. כל הרכיבים חייבים לעבור תהליך ניקוי חזק באמצעות סוניקציה עקיפה. הרכבה ואחסון בחדר נקי Class 10,000 או יותר משפר את אחוזי ההצלחה.
שלב קריטי נוסף של ההליך הוא לייצב את טמפרטורת המקור הקריוגני. על המשתמשים לוודא כי טמפרטורת הנוזל היוצא מהמקור נמדדת באופן עצמאי מהחום המשתנה המשתחרר על ידי הנזלה רציפה במאגר. זה מושג על ידי הצבת חיישן הטמפרטורה ליד הצמצם (למשל, על אוגן המקור) או רחוק ממקור החום. יתר על כן, יש לבצע אופטימיזציה ידנית של פרמטרי P-I-D בשיטת זיגלר-ניקולס עבור כל שילוב של טמפרטורה ולחץ גב. אם תנודות הטמפרטורה הופכות גדולות מדי, ניתן לראות תנודות תקופתיות על הסילון שלעיתים מובילות להתפרקות תקופתית. יש לציין כי פונקציות כוונון אוטומטי מובנות או מסננים נמוכים לא הצליחו לייצב את הטמפרטורה במהלך פעולת הסילון.
מערכת הסילון הנוזלי הקריוגנית, למרות שהיא ניתנת להתאמה גבוהה, מאתגרת ליישום במתקנים בקנה מידה גדול עם פרוטוקולי ואקום מבוססים. לדוגמה, שלבי שאיבה דיפרנציאליים נדרשים כאשר ציוד במעלה הזרם רגיש לגז השיורי (למשל, לייזר אלקטרונים חופשיים FLASH ב- DESY או מכשיר MeV-UED ב- SLAC). בנוסף, תאי ואקום בקוטר גדול, כגון אלה עבור לייזרים מרובי PW, דורשים ככל הנראה קריוסטטים גמישים בתוך ואקום. בהשוואה לקריסטטים רגילים באורך קבוע, ניתן להפריד אותם בקלות מתנודות התא ויש להם זרוע מנוף קצרה יותר. קריוסטט גמיש בוואקום כבר יושם עם לייזר דראקו פטוואט בהלמהולץ-צנטרום דרזדן-רוזנדורף (HZDR). תצפית נוספת היא שהצמצם עלול להיפגע כאשר הסילון מוקרן על ידי לייזר בעוצמה גבוהה מדי קרוב מדי למקור. לאחרונה יושם להב מסוק מכני (הפועל ב-150 הרץ ומסונכרן עם פולס הלייזר) כדי להגן ולבודד את הצמצם מאינטראקציית הלייזר-פלזמה.
מערכת זו מייצרת סילונים נוזליים קריוגניים קריוגניים בקנה מידה מיקרוני, ניתנים לכוונון גבוה, נטולי טורבולנטים, גליליים למינריים ומישוריים. הפיתוח המתמשך של מערכת הסילון הנוזלי הקריוגני מתמקד בחומרים ועיצוב מתקדמים של צמצם, שיפורים במערכת ואקום ולוכד, וערבוב איזוטופים מתקדמים של מימן. מערכת זו תאפשר מעבר למדע של צפיפות אנרגיה גבוהה, קצב חזרות גבוה, ותסלול את הדרך לפיתוח מאיצי חלקיקים מהדור הבא.

מטרת שיטה זו היא לייצר זרימת נוזל קריוגנית במהירות גבוהה המורכבת מיסודות טהורים או תרכובות כימיות. מכיוון שנוזלים קריוגניים מתאדים בטמפרטורת הסביבה ובלחץ, דגימות שיוריות מפעולה בקצבי חזרה גבוהים (למשל, 1 קילוהרץ) יכולות להתפנות לחלוטין מתא הוואקום1. מבוסס על העבודה הראשונית של Grisenti et al.2, מערכת זו פותחה לראשונה באמצעות מימן קריוגני להאצת פרוטונים מונעת לייזרבעוצמה גבוהה 3. לאחר מכן הוא הורחב לגזים אחרים ושימש במספר ניסויים, כולל: תאוצת יונים4,5, מענה על שאלות בפיזיקת פלזמה כגון אי יציבות פלזמה6, התגבשות מהירה ומעברי פאזה במימן7 ודאוטריום, ופיזור קרני רנטגן קשיח meV8 לפתרון גלים אקוסטיים בארגון במכשיר חומר בתנאים קיצוניים (MEC) במקור האור הקוהרנטי Linac (LCLS)9.
עד כה פותחו שיטות חלופיות אחרות ליצירת דגימות מימן קריוגני מוצק ודאוטריום בקצב חזרות גבוה. גרסיה ועמיתיו פיתחו שיטה שבה מימן נוזלי ומתמצק במאגר ומובל דרך צמצם10. בשל הלחץ הגבוה הנדרש לאקסטרוזיה, עובי הדגימה המינימלי שהוכח (עד כה) הוא 62 מיקרומטר11. מערכת זו מציגה גם ריצוד מרחבי גדול12. לאחרונה, Polz et al. הפיקו סילון מימן קריוגני דרך פיית נימי זכוכית באמצעות לחץ גיבוי גז לדוגמה של 435 psig (פאונד לאינץ' מרובע, מד). הסילון הגלילי המתקבל 10 מיקרומטר הוא רציף אך נראה משוסע מאוד13.
מוצגת כאן שיטה המייצרת סילונים גליליים (קוטר = 5-10 מיקרומטר) ומישוריים עם יחסי גובה-רוחב שונים (1-7 מיקרומטר x 10-40 מיקרומטר). ריצוד ההצבעה גדל באופן ליניארי כפונקציה של המרחק מהצמצם5. תכונות הנוזל ומשוואת המצב מכתיבות את היסודות והתרכובות הכימיות שניתן להפעיל במערכת זו. לדוגמה, מתאן אינו יכול ליצור סילון רציף עקב התפרקות ריילי, אך הוא יכול לשמש כטיפות14. יתר על כן, תנאי הלחץ והטמפרטורה האופטימליים משתנים באופן משמעותי בין ממדי הצמצם. הפסקאות הבאות מספקות את התיאוריה הדרושה לייצור סילוני מימן קריוגניים למינריים, נטולי טורבולנטים. זה יכול להיות מורחב גזים אחרים.
מערכת הסילון הקריוגנית מורכבת משלוש תת-מערכות עיקריות: (1) אספקת גז דגימה, (2) ואקום, ו-(3) קריוסטט ומקור קריוגני. המערכת המתוארת באיור 1 תוכננה להיות בעלת יכולת התאמה גבוהה להתקנה בתאי ואקום שונים.
מערכת הולכת הגז מורכבת מבלון גז דחוס בעל טוהר גבוה במיוחד, וסת גז ובקר זרימת מסה. לחץ הגיבוי של גז הדגימה נקבע על ידי וסת הגז, בעוד בקר זרימת המסה משמש למדידה והגבלה של זרימת הגז המועברת למערכת. גז הדגימה מסונן תחילה במלכודת חנקן נוזלי כדי להקפיא גזים מזהמים ואדי מים. מסנן חלקיקים שני בשורה מונע מפסולת להיכנס לקטע הסופי של צינור הגז.
משאבות טורבו-מולקולריות המגובות במשאבות גלילה במהירות שאיבה גבוהה שומרות על תנאי ואקום גבוהים בתא הדגימה. לחצי הוואקום של התא והקו הקדמי מנוטרים באמצעות מדי ואקום V1 ו-V2, בהתאמה. יש לציין כי הפעלת הסילון הקריוגני מכניסה עומס גז משמעותי (פרופורציונלי לזרימת הדגימה הכוללת) למערכת הוואקום כאשר הנוזל מתאדה.
שיטה מוכחת להפחתת עומס הגז היא ללכוד את הנוזל השיורי לפני אידוי בתפזורת יכול להתרחש. מערכת לוכד הסילון מורכבת מקו ואקום עצמאי המסתיים על ידי מפתח שאיבה דיפרנציאלי של ø800 מיקרומטר הממוקם עד 20 מ"מ ממכסה המקור הקריוגני. הקו מפונה באמצעות משאבה המפגינה יעילות אופטימלית בתחום 1 x 10-2 mBar (כלומר, משאבת ואקום מפוח שורשים או משאבת טורבו מולקולרית היברידית) ומנוטרת על ידי מד ואקום V3. לאחרונה, התופס איפשר להפעיל סילוני מימן קריוגניים של עד 7 מיקרומטר x 13 מיקרומטר עם שיפור בשני סדרי גודל ללחץ תא הוואקום.
קריוסטט הליום נוזלי בעל זרימה רציפה באורך קבוע משמש לקירור המקור לטמפרטורות קריוגניות. הליום נוזלי נשאב מדיואר אספקה באמצעות קו העברה. זרימת ההחזרה מחוברת ללוח מד זרימה מתכוונן כדי לווסת את עוצמת הקירור. הטמפרטורה של האצבע הקרה והמקור הקריוגני נמדדת באמצעות ארבעה חיישני טמפרטורה של דיודת סיליקון עופרת. בקר טמפרטורה פרופורציונלי-אינטגרלי-נגזרת (P-I-D) מספק מתח משתנה לתנור חימום המותקן ליד האצבע הקרה כדי לכוונן ולייצב את הטמפרטורה. גז הדגימה נכנס לתא הוואקום דרך הזנה מותאמת אישית על אוגן ההקפאה. בתוך התא, צינור הגז עוטף את הקריוסטט כדי לקרר את הגז לפני שהוא מתחבר לקו גז קבוע במכלול המקור הקריוגני. ברגי נירוסטה ושכבה בעובי 51 מיקרומטר של אינדיום אוטמים תרמית את המקור הקריוגני לאצבע הקרה.
המקור הקריוגני (איור 2) מורכב משישה מרכיבים עיקריים: (1) קו גז דגימה, (2) גוף מקור, (3) אוגן מקור עם מסנן חלקיקים בשורה, (4) צמצם, (5) פרול ו-(6) מכסה. גוף המקור מכיל חלל, המשמש כמאגר הדגימה. מסנן נירוסטה מסונטר מסוג Swagelok 0.5 מיקרומטר מונע מלכלוך או מזהמים מוצקים להיכנס לתעלה הנוזלית ולחסום את הצמצם. טבעת אינדיום עבה יותר בעובי 76 מיקרומטר ממוקמת בין הצמצם לתעלה הנוזלית כדי להגדיל את אורך העיוות ולאטום את הצמצם בצורה אמינה. כאשר הפקק מושחל על אוגן המקור, האינדיום נדחס ליצירת אטם נוזלי ותרמי. הפרול ומכסה המקור מרכזים את הצמצם במהלך ההתקנה.
ישנם מספר שיקולים כוללים בתכנון הראשוני של מערכת לסילוני נוזל קריוגניים המופעלים במשטר למינרי רציף. המשתמשים חייבים להעריך את עוצמת הקירור הכוללת של הקריוסטט, התכונות התרמיות של תכנון המקור הקריוגני, ביצועי מערכת הוואקום והטמפרטורה והלחץ של הנוזל. להלן המסגרת התיאורטית הנדרשת.
שיקולי עוצמת קירור
1) הנזלת מימן15: ניתן להעריך באופן גס את עוצמת הקירור המינימלית הנדרשת כדי להנזיל מימן מ-300 K לטמפרטורה <img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq2v2.jpg" style="font-size: 14px;"> באמצעות המשוואה הבאה: <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq1v3.jpg">
כאשר: <img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq3v2.jpg"> הוא החום הסגולי בלחץ <img alt="Equation 4" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq4v2.jpg">קבוע , והחום <img alt="Equation 5" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq5v2.jpg"> הסמוי של אידוי H2 בטמפרטורת <img alt="Equation 6" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq6v2.jpg">הנזלה תלוית לחץ . לדוגמה, סילון מימן קריוגני הפועל בלחץ גז של 60 psig ומקורר עד 17K דורש מינימום של 4013 kJ/kg. עם זרימת גז מימן של 150 sccm (סנטימטרים מעוקבים סטנדרטיים לשנייה), זה מתאים חום של <img alt="Equation 7" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq7v2.jpg"> 0.9 W.
יש לציין כי תהליך ההנזלה תורם רק עשירית מכלל כוח הקירור הנדרש. כדי להפחית את עומס החום על ההקפאה, ניתן לקרר מראש את הגז לטמפרטורת ביניים לפני הכניסה לגוף המקור.
2) חום קרינתי: כדי לשמור על המקור הקריוגני בטמפרטורה <img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq2v2.jpg">, הקריוסטט צריך לפצות על חימום קרינתי. ניתן להעריך זאת על ידי איזון ההבדל בין קרינת הגוף השחור הנפלטת והנספגת באמצעות המשוואה הבאה: <img alt="Equation 8" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq8v2.jpg">
כאשר: A הוא האזור של גוף המקור, הוא קבוע סטפן-בולצמן, <img alt="Equation 9" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq9v2.jpg"> ו <img alt="Equation 10" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq10v2.jpg">- היא הטמפרטורה של תא הוואקום. לדוגמה, מקור סילון טיפוסי של A = 50 ס"מ 2 מקורר עד 17 K דורש עוצמת קירור מינימלית של2.3 W. <img alt="Equation 10" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq10v2.jpg"> ניתן להפחית באופן מקומי על ידי הוספת מגן קרינה מקורר באופן פעיל המכסה חלק ניכר מהמקור הקריוגני.
3) הולכת גז שיורית: למרות שהקרינה התרמית דומיננטית בתנאי ואקום גבוהים במיוחד, התרומה כתוצאה מהולכת הגז השיורי הופכת לבלתי זניחה במהלך פעולת הסילון. הסילון הנוזלי מכניס עומס גז משמעותי לתא, וכתוצאה מכך עלייה בלחץ הוואקום. אובדן החום נטו מהולכה תרמית של הגז בלחץ p מחושב באמצעות המשוואה הבאה: <img alt="Equation 11" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq11v2.jpg">
כאשר: <img alt="Equation 12" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq12v2.jpg"> הוא מקדם בהתאם למיני הגז (~ 3.85 x 10-2 W/cm 2/K/mBar עבור H2), ו<img alt="Equation 13" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq13v2.jpg">- הוא מקדם הלינה התלוי במיני הגז, הגיאומטריה של המקור והטמפרטורה של המקור והגז16,17. כאשר מפעילים סילון מימן קריוגני ב 17 K, בהנחה שגיאומטריה גלילית של המקור וכי מימן הוא הגז העיקרי הקיים בתא הריק, הולכת גז מייצרת חום שניתן להעריך באמצעות המשוואה הבאה: <img alt="Equation 14" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq14v2.jpg">
לדוגמה, הולכת גז בלחץ ואקום של 4.2 x 10-3 mBar מייצרת חום כמו קרינה תרמית. לכן, לחץ הוואקום נשמר בדרך כלל מתחת ל 1 x 10-3 mBar במהלך פעולת הסילון, ומוסיף עומס חום ~ 0.55 W למערכת (A = 50 ס"מ2).
עומס הגז שהוכנס לתא במהלך הפעולה מתקבל על ידי זרימת הסילון הקריוגני. לחץ הוואקום המתקבל נקבע לאחר מכן על ידי מהירות השאיבה האפקטיבית של מערכת הוואקום ונפח תא הוואקום.
כדי להפעיל את הסילון הקריוגני, הקריוסטט צריך לייצר עוצמת קירור מספקת כדי לפצות על מקורות החום השונים לעיל (למשל, 3.75 W), לא כולל הפסדי החום של מערכת הקריוסטט עצמה. שים לב שיעילות ההקפאה תלויה מאוד גם בטמפרטורת האצבע הקרה הרצויה.
הערכת פרמטרים סילוניים
כדי ליצור זרימה למינרית רציפה, יש לספק מספר תנאים. בקיצור, המקרה של זרימת נוזל גלילי מוצג כאן. היווצרותם של סילונים מישוריים מערבת כוחות נוספים, וכתוצאה מכך נגזרת מורכבת יותר שהיא מעבר להיקף מאמר זה18.
1) יחסי לחץ-מהירות: עבור זרימות נוזל בלתי דחיסות, שימור האנרגיה מניב את משוואת ברנולי, כדלקמן: <img alt="Equation 15" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq15v2.jpg">
כאשר: <img alt="Equation 16" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq16v2.jpg"> היא צפיפות אטומית הנוזל, היא מהירות הזורם, היא אנרגיה פוטנציאלית כבידתית, <img alt="Equation 17" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq17v2.jpg"> <img alt="Equation 18" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq18v2.jpg"> ו - p הוא הלחץ. ביישום משוואת ברנולי על פני הצמצם, ניתן להעריך את הקשר הפונקציונלי בין מהירות הסילון ולחץ גיבוי הדגימה באמצעות המשוואה הבאה: <img alt="Equation 19" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq19v2.jpg">
2) משטר פעולת סילון: ניתן להסיק משטר של סילון נוזלי גלילי באמצעות מספרי ריינולדס ואוהנסורגה. מספר ריינולדס, המוגדר כיחס בין הכוחות האינרציאליים והצמיגים בתוך הזורם, מחושב באמצעות המשוואה הבאה: <img alt="Equation 20" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq20v2.jpg">
כאשר: <img alt="Equation 16" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq16v2.jpg">, , , ו- הם הצפיפות, המהירות, <img alt="Equation 22" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq22v2.jpg"> הקוטר והצמיגות הדינמית של הנוזל, <img alt="Equation 17" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq17v2.jpg"><img alt="Equation 21" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq21v2.jpg">בהתאמה. זרימה למינרית מתרחשת כאשר מספר ריינולדס קטן מ~2,000. באופן דומה, מספר ובר משווה את הגודל היחסי של האינרציה למתח פני השטח ומחושב באמצעות המשוואה הבאה: <img alt="Equation 23" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq23v2.jpg">
איפה: σ הוא מתח הפנים של הנוזל. מספר Ohnesorge מחושב באופן הבא: <img alt="Equation 24" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq24v2.jpg">
כמות בלתי תלויה במהירות זו משמשת בשילוב עם מספר ריינולדס כדי לזהות את ארבעת משטרי הסילון הנוזלי: (1) ריילי, (2) הראשון המושרה על ידי הרוח, (3) השני המושרה על ידי הרוח, ו (4) אטומיזציה. עבור זרימה נוזלית קריוגנית ללא טורבולנטים למינריים, יש לבחור פרמטרים שיפעלו במסגרת משטר ריילי19 (כלומר, <img alt="Equation 25" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq25v2.jpg">). במשטר זה, עמוד הנוזל יישאר רציף עם משטח חלק עד מה שנקרא אורך שלם, המוערך כדלקמן20: <img alt="Equation 26" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq26v2.jpg">
פרמטרי הנוזל השונים עבור סילון מימן קריוגני גלילי בקוטר 5 מיקרומטר המופעל ב- 60 psig ו- 17 K מסוכמים באיור 3. כדי לשמור על סילון רציף למרחקים ארוכים יותר, יש לקרר את הנוזל קרוב מספיק למעבר הפאזה הנוזלי-מוצק (איור 4), כך שקירור אידוי, המתרחש ברגע שהסילון מתפשט בוואקום, ממצק את הסילון לפני תחילת פירוק ריילי 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

פרוטוקול זה מציג נוהל מפורט להפעלת סילונים נוזליים גליליים ומישוריים קריוגניים רציפים בגודל מיקרון. כאשר מופעל כמתואר כאן, המטוס מפגין למינריות גבוהה ויציבות לסנטימטרים. הפעלה מוצלחת של סילון נוזלי קריוגני במשטר ריילי דורשת הבנה בסיסית של דינמיקת נוזלים ותרמודינמיקה בטמפרטורות קריוגניות. חישובים תיאורטיים וערכים אמפיריים טיפוסיים ניתנים כמדריך לתכנון מערכת השוואה. דוח זה מזהה את החשיבות הן של ניקיון במהלך הרכבת מקור קריוגני והן של יציבות טמפרטורת המקור הקריוגני לאחר הנזלה. המערכת יכולה לשמש להאצת פרוטונים מונעת לייזר בקצב חזרות גבוה, עם יישום חזוני בטיפול בפרוטונים. יישומים אחרים כוללים אסטרופיזיקה במעבדה, מדעי החומרים ומאיצי חלקיקים מהדור הבא.

לאחר שלב 5.4, גרפים צללים בהגדלה גבוהה משמשים להערכת למינריות, ריצוד מיקום ויציבות לטווח ארוך במהלך פעולת הסילון. חיוני להשתמש בהארה פועמת תת-ננו-שנייה כדי להקליט תמונה מיידית של הסילון, כך שתנועת הסילון (~0.1 מיקרומטר/שנייה עבור H2) לא תטשטש אי סדירות פני השטח או מערבולות. תמונות לדוגמה של סילוני 2 x 20 מיקרומטר 2 H 2, 4 x 12 μm 2 H 2 ו- 4 x 20 μm 2 D 2 מוצגות באיור 5.
מערכת הדמיה נוספת בהגדלה גבוהה משמשת למיקום מדויק של סילון הנוזל הקריוגני בחלל. לשם הפשטות, מערכות ההדמיה מתוכננות לספק מבט קדמי וצדדי של המטוס. חשוב במיוחד להעריך את יציבות הסילון ולקבוע את כיוון הסילונים המישוריים. מחקר של ריצוד מרחבי של 2 x 20 מיקרומטר 2 H2 כפונקציה של מרחק מהצמצם, שבוצע במהלך בדיקה אחת במשך מספר שעות, מוצג באיור 6. ריצוד המיקום של 1σ עבור כל נקודת נתונים באיור 6A חושב מ-49 תמונות שצולמו ב-10 הרץ. כאן, מיקום הסילון נקבע ביחס למיקום ייחוס קבוע. איור 6B מראה את ההיסטוגרמות המנורמלות של מיקום הסילון ב-23 מ"מ כדוגמה. מחקר מפורט יותר ניתן למצוא Obst et al.5. בממוצע, הריצוד המרחבי גדל באופן ליניארי הרחק מהנחיר.
תצפיות אופייניות במערכת במהלך הנזלה ופעולת סילון (לפי סעיף 5) של סילון דאוטריום קריוגני בגודל 4 x 20 מיקרומטר2 מוצגות באיור 7. ניטור קפדני של הטמפרטורה, הזרימה, לחץ גיבוי הדגימה ולחצי הוואקום מאפשר למפעיל לזהות במהירות כל חריגה ולהגיב בהתאם. לדוגמה, אם הסילון עוזב את התופס, המסומן על ידי תיבה מקווקוות, תא הוואקום ולחץ הקו הקדמי גדלים באופן משמעותי. לאחר מכן יש צורך בעוצמת קירור נוספת כדי לשמור על טמפרטורת נקודת ההגדרה.
לאחר התייצבות, כל הנצפים צריכים להיות קבועים עם תנודות מינימליות. כל סחף לטווח ארוך מעיד על בעיה (למשל, דליפות, זיהום גז, ירידה בביצועי מערכת ואקום, מיקום סחף בתופס). בחירת הצמצם מכתיבה מאוד את הפרמטרים המבצעיים של המטוס במשטר ריילי. לאחר זיהוי הפרמטרים האופטימליים עבור סוג גז וצמצם נתון, הסילון המתקבל ניתן לשחזור רב; עם זאת, כל סטייה קלה בצמצם דורשת מיטוב מחדש החל מהערכים שזוהו קודם לכן. פרמטרי פעולה אופייניים מסוכמים בטבלה 1.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61130/61130fig1.jpg"> איור 1: דיאגרמת P&ID של פלטפורמת משלוח סילון נוזלי קריוגנית טיפוסית. דוגמאות גז, ואקום ותת-מערכות קריוגניות מתוארות. תא הוואקום, הקו הקדמי של משאבת הטורבו-מולקולרית ולחצי הקו הקדמי של לוכד הסילון מנוטרים באמצעות מדי ואקום V1, V2 ו-V3, בהתאמה. טמפרטורת הקריוסטט מווסתת באופן פעיל באמצעות בקר טמפרטורה P-I-D. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61130/61130fig1large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61130/61130fig2.jpg"> איור 2: ציור תלת-ממדי של מכלול המקור הקריוגני. אטמי אינדיום מותקנים בין האצבע הקרה לגוף המקור, גוף המקור והאוגן, ואוגן המקור והצמצם. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61130/61130fig2large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61130/61130fig3.jpg"> איור 3: סיכום פרמטרים של דינמיקת זורמים. פרמטרים מסופקים, בהנחה שסילון מימן קריוגני גלילי ø5 מיקרומטר מופעל ב- 60 psig ו- 17 K. ערכי הצפיפות, הצמיגות ומתח הפנים הם מ- NIST. 15. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61130/61130fig3large.jpg" target="_blank">לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61130/61130fig4.jpg"> איור 4: משוואת מימן של מצב בטמפרטורות קריוגניות15. הנקודות הקריטיות והמשולשות מסומנות על ידי עיגולים מלאים כחולים וכתומים, בהתאמה. פעולת הסילון עוקבת אחר איזובר דרך מעבר הפאזה גז-נוזל. הסילון מתמצק באמצעות קירור באידוי בתא הוואקום. הקופסה האפורה מציינת את טווח לחצי הגיבוי (40-90 psia) והטמפרטורות (17-20 K) אשר נסרקים כדי למטב את היציבות של סילון מימן קריוגני גלילי ø5 מיקרומטר. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61130/61130fig4large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.</a> 
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61130/61130fig5.jpg"> איור 5: גרפים מייצגים של צללי הגדלה פי 20 של סילוני נוזל קריוגניים למינריים נטולי טורבולנטיםבאמצעות לייזר באורך גל של 10 ps/1057 ננומטר. (A) צמצם = 2 x 20 מיקרומטר 2, גז = H2, T = 15.8 K, P = 188 psig. (ב) צמצם = 4 x 12 מיקרומטר 2, גז = H 2, T = 17.2 K, P = 80 psig. (C) צמצם = 4 x 20 מיקרומטר 2, גז: D2, T = 20 K, P = 141 psig. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61130/61130fig5large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.</a> 
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61130/61130fig6.jpg"> איור 6: יציבות מיקום הסילון עבור 2 x 20 מיקרומטר2 סילון מימן קריוגני. הפרמטרים הם 18 K, 60 psig ו - Re <img alt="Equation 27" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq27v2.jpg" style="font-size: 14px;"> 1887. (A) מיקום ריצוד כפונקציה של מרחק מהצמצם. הריצוד האורכי (לרוחב) מתאים לתנועה במקביל לציר הקצר (הארוך) של היריעה המלבנית. (B ) היסטוגרמה מנורמלת של מיקום הסילון כדי לקבוע את הריצוד הרוחבי (σ = 5.5 מיקרומטר) ואת הריצוד האורכי (σ = 8.5 מיקרומטר) 23 מ"מ מהנחיר. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61130/61130fig6large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.</a>
<img alt="Figure 7" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61130/61130fig7.jpg"> איור 7: זרימה ולחצים מייצגים במהלך פעולת סילון קריוגני. (A) משמאל: זרימת גז דגימה, מימין: לחץ גיבוי גז לדוגמה כפונקציה של זמן. חלקת יומן למחצה של לחץ תא הריק (V1; B), לחץ קו קדמי של משאבת טורבו מולקולרית (V2; C), ולחץ לוכד סילון (V3; ד) כפונקציות של זמן. מספרים מעוגלים מזהים שינויים במערכת שנצפו במהלך סעיף 5 של הפרוטוקול. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61130/61130fig7large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.</a> 
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always"><tbody><tr><td>גז לדוגמה</td>
			<td>צמצם</td>
			<td>טמפרטורה (K)</td>
			<td>לחץ (psig)</td>
			<td>זרימה (sccm)</td>
		</tr><tr><td>מימן</td>
			<td>ø5 מיקרומטר גלילי</td>
			<td>17</td>
			<td>60</td>
			<td>150</td>
		</tr><tr><td>50% מימן, 50% דאוטריום</td>
			<td>ø5 מיקרומטר גלילי</td>
			<td>20</td>
			<td>30, 30</td>
			<td>130</td>
		</tr><tr><td>דאוטריום</td>
			<td>ø5 מיקרומטר גלילי</td>
			<td>22</td>
			<td>75</td>
			<td>80</td>
		</tr><tr><td>מימן</td>
			<td>1 מיקרומטר x 20 מיקרומטר מישורי</td>
			<td>18</td>
			<td>182</td>
			<td>150</td>
		</tr><tr><td>מימן</td>
			<td>2 מיקרומטר x 20 מיקרומטר מישורי</td>
			<td>18</td>
			<td>218</td>
			<td>236</td>
		</tr><tr><td>מימן</td>
			<td>4 מיקרומטר x 20 מיקרומטר מישורי</td>
			<td>17.5</td>
			<td>140</td>
			<td>414</td>
		</tr><tr><td>דאוטריום</td>
			<td>4 מיקרומטר x 20 מיקרומטר מישורי</td>
			<td>20.5</td>
			<td>117</td>
			<td>267</td>
		</tr><tr><td>ארגון</td>
			<td>ø5 מיקרומטר גלילי</td>
			<td>90</td>
			<td>50</td>
			<td>18.5</td>
		</tr><tr><td>מתאן</td>
			<td>ø5 מיקרומטר גלילי</td>
			<td>100</td>
			<td>75</td>
			<td>46</td>
		</tr></tbody></table>טבלה 1: תנאי פעולה לדוגמה של מטוס סילון.

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

פרוטוקול זה מציג את הפעולה והעקרונות של סילוני נוזל קריוגניים גליליים ומישוריים בקנה מידה מיקרוני. עד כה, מערכת זו שימשה כמטרה בעלת קצב חזרה גבוה בניסויי לייזר-פלזמה. יישומים בין-תחומיים צפויים נעים בין אסטרופיזיקה במעבדה למדעי החומרים, ובסופו של דבר מאיצי חלקיקים מהדור הבא.

סילונים נוזליים קריוגניים לגילוי קצב חזרות גבוה

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

סינתזה וMicrodiffraction בלחצים וטמפרטורות קיצוניים

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

ויזואליזציה של High Speed ​​Liquid Jet Impaction על משטח העברה

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

פשוט דיואר / cryostat עבור דוגמאות התרמית equilibrating בטמפרטורות ידועות מדידות הארה קריוגני מדויקות

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

בעל ביצועים גבוהים פלטפורמת עכבה מבוססת איתור דרג אידוי

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

מעבר אוריינטלי בקריסטל נוזלי המופעל על ידי הצמיחה התרמודינמית של גליונות הרטבה אינטרפסיאליים

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

מדידת צפיפות של משקפיים מימיים בטמפרטורות קריוגניות

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

זיהוי ההתפלגות כלוריד מסיסים במים של מלט הדבקה בדרך ברמת דיוק גבוהה

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

מדידה מגנטית, מכוון קיטוב Ferroelectric גבישי נוזלי

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

הכנה של גראפן נוזלי תאים התצפית של חומר סוללת ליתיום-יון

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

קביעת מורפולוגיה של משטח צבירה באזור המעבר הבינפנים (ITZ)

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