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

Эта работа была поддержана Министерством энергетики США SLAC Contract No. DE- AC02-76SF00515 и Управлением науки Министерства энергетики США, Науки о термоядерной энергии в соответствии с FWP 100182. Эта работа также была частично поддержана Национальным научным фондом в рамках гранта No 1632708 и EC H2020 LASERLAB-EUROPE/LEPP (контракт No 654148). C.B.C. выражает признательность за поддержку со стороны Совета по естественным наукам и инженерным исследованиям Канады (NSERC). F.T. выражает признательность за поддержку со стороны Национального управления по ядерной безопасности (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>

Авторам раскрывать нечего.

Успешная работа струи криогенной жидкости требует тщательной чистоты и тщательного контроля температурной стабильности. Одним из наиболее частых и предотвратимых отказов является частичная или полная блокировка апертуры микронного размера. Медь, нержавеющая сталь или индий из источника или частиц в воздухе могут быть введены на любом этапе сборки источника. Все компоненты должны пройти надежный процесс очистки с использованием косвенной обработки ультразвуком. Сборка и хранение в чистом помещении класса 10 000 или выше повышает вероятность успеха.
Еще одним важным этапом процедуры является стабилизация температуры криогенного источника. Пользователи должны убедиться, что температура жидкости, выходящей из источника, измеряется независимо от переменного тепла, выделяемого при непрерывном сжижении в резервуаре. Это достигается путем размещения датчика температуры рядом с отверстием (например, на фланце источника) или вдали от источника тепла. Кроме того, параметры P-I-D должны быть оптимизированы вручную с использованием метода Циглера-Николса для каждой комбинации температуры и противодавления. Если колебания температуры становятся слишком большими, на струе могут наблюдаться периодические колебания, иногда приводящие к периодическому распаду. Следует отметить, что встроенные функции автонастройки или фильтры нижних частот не смогли стабилизировать температуру во время работы струи.
Криогенная жидкостно-струйная система, хотя и легко адаптируемая, сложна для внедрения на крупных объектах с установленными вакуумными протоколами. Например, дифференциальные ступени накачки требуются, когда оборудование, расположенное выше по потоку, чувствительно к остаточному газу (например, лазер на свободных электронах FLASH в DESY или прибор MeV-UED в SLAC). Кроме того, вакуумные камеры большого диаметра, такие как камеры для лазеров с несколькими ПВ, вероятно, требуют гибких криостатов в вакууме. По сравнению с обычными криостатами фиксированной длины, они могут быть легко отделены от вибраций камеры и имеют более короткий рычаг. Гибкий вакуумный криостат уже реализован с помощью петаваттного лазера Draco в Центре Гельмгольца Дрезден-Россендорф (HZDR). Другое наблюдение заключается в том, что апертура может быть повреждена, когда струя облучается лазером сверхвысокой интенсивности слишком близко к источнику. Недавно была реализована механическая лопатка измельчителя (работающая на частоте 150 Гц и синхронизированная с лазерным импульсом) для защиты и изоляции апертуры от лазерно-плазменного взаимодействия.
Эта система производит микронные, легко настраиваемые, свободные от турбулентности, ламинарные цилиндрические и плоские криогенные струи жидкости. Продолжающееся развитие криогенной жидкостной струйной системы сосредоточено на передовых материалах и конструкции апертуры, улучшениях вакуумной системы и улавливателя, а также на усовершенствованном смешивании изотопов водорода. Эта система позволит перейти к науке о высокой частоте повторения и высокой плотности энергии и проложит путь к разработке ускорителей частиц следующего поколения.

<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

В этом протоколе представлена подробная процедура работы непрерывных криогенных цилиндрических и плоских струй жидкости микронного размера. При эксплуатации, как описано здесь, струя проявляет высокую ламинарность и стабильность на сантиметры. Успешная работа криогенной струи жидкости в режиме Рэлея требует базового понимания гидродинамики и термодинамики при криогенных температурах. Теоретические расчеты и типичные эмпирические значения приведены в качестве руководства для проектирования сопоставимой системы. В этом отчете подчеркивается важность как чистоты во время сборки криогенного источника, так и стабильности температуры криогенного источника после сжижения. Система может быть использована для лазерного ускорения протонов с высокой частотой повторения с предполагаемым применением в протонной терапии. Другие приложения включают лабораторную астрофизику, материаловедение и ускорители частиц следующего поколения.

После шага 5.4 теневые графики с большим увеличением используются для оценки ламинарности, джиттера позиционирования и долгосрочной стабильности во время работы струи. Крайне важно использовать импульсное субнаносекундное освещение для записи мгновенного изображения струи, чтобы движение струи (~ 0,1 мкм/нс для H2) не размывало неровности поверхности или турбулентность. Примеры изображений струй 2 x 20 мкм 2 H 2, 4 x 12 мкм 2 H 2 и 4 x 20 мкм 2 D 2 показаны на рисунке 5.
Дополнительная система визуализации с большим увеличением используется для точного позиционирования криогенной струи жидкости в пространстве. Для простоты системы визуализации спроектированы таким образом, чтобы обеспечить вид спереди и сбоку от самолета. Особенно важно оценить устойчивость струи и определить ориентацию плоских струй. Исследование пространственного дрожания 2 x 20 мкм 2 H2 в зависимости от расстояния от апертуры, выполненное во время одного испытания в течение нескольких часов, показано на рисунке 6. Джиттер позиционирования 1σ для каждой точки данных на рисунке 6A был рассчитан на основе 49 изображений, записанных с частотой 10 Гц. Здесь положение струи определялось относительно фиксированного исходного положения. На рисунке 6B в качестве примера показаны нормализованные гистограммы положения струи на расстоянии 23 мм. Более подробное исследование можно найти в Obst et al.5. В среднем пространственный джиттер линейно увеличивается от сопла.
Типичные системы, наблюдаемые при сжижении и работе струи (в соответствии с разделом 5) криогенной дейтериевой струи размером 4 х 20мкм2 , показаны на рисунке 7. Тщательный контроль температуры, расхода, давления подпорки пробы и давления вакуума позволяет оператору быстро выявлять любые нарушения и реагировать соответствующим образом. Например, если струя выходит из улавливателя, обозначенного пунктирной коробкой, давление в вакуумной камере и передней линии значительно увеличивается. Затем требуется дополнительная мощность охлаждения для поддержания заданной температуры.
После стабилизации все наблюдаемые должны быть постоянными с минимальными колебаниями. Любой долгосрочный дрейф указывает на проблему (например, утечки, загазованность, снижение производительности вакуумной системы, позиционирование дрейфа в ловушке). Выбор диафрагмы сильно диктует рабочие параметры струи в режиме Рэлея. После того, как оптимальные параметры определены для данного типа газа и апертуры, результирующая струя является высоковоспроизводимой; Однако любые незначительные отклонения диафрагмы требуют переоптимизации, начиная с ранее выявленных значений. Типичные параметры работы приведены в таблице 1.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61130/61130fig1.jpg"> Рисунок 1: Схема P&ID типичной криогенной платформы подачи струи жидкости. Изображены подсистемы исследуемого газа, вакуума и криогены. Давление в вакуумной камере, форварде турбомолекулярного насоса и форсунке струйного улавливателя контролируется вакуумметрами V1, V2 и V3 соответственно. Температура криостата активно регулируется с помощью регулятора температуры P-I-D. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61130/61130fig1large.jpg" target="_blank">Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61130/61130fig2.jpg"> Рисунок 2: Трехмерный чертеж криогенного источника в разобранном виде. Индиевые уплотнения устанавливаются между холодным пальцем и корпусом источника, корпусом источника и фланцем, а также фланцем источника и отверстием. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61130/61130fig2large.jpg" target="_blank">Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61130/61130fig3.jpg"> Рисунок 3: Сводка параметров гидродинамики. Параметры приведены при условии, что цилиндрическая криогенная струя водорода ø5 мкм работает при давлении 60 фунтов на квадратный дюйм и 17 К. Значения плотности, вязкости и поверхностного натяжения взяты из NIST. 15. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61130/61130fig3large.jpg" target="_blank">Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61130/61130fig4.jpg"> Рисунок 4: Водородное уравнение состояния при криогенных температурах15. Критическая и тройная точки обозначены синими и оранжевыми закрашенными кружками соответственно. Работа струи следует за изобарой через фазовый переход газ-жидкость. Струя затвердевает за счет испарительного охлаждения в вакуумной камере. Серая рамка указывает диапазон противодавления (40-90 фунтов на квадратный дюйм) и температур (17-20 К), которые сканируются для оптимизации стабильности цилиндрической криогенной струи водорода ø5 мкм. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61130/61130fig4large.jpg" target="_blank">Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.</a>
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61130/61130fig5.jpg"> Рисунок 5: Репрезентативные теневые графики с 20-кратным увеличением ламинарных криогенных струй жидкости без турбулентностис использованием лазера с длиной волны 10 пс/1057 нм. (A) Апертура = 2 x 20мкм2, газ = H2, T = 15,8 K, P = 188 фунтов на квадратный дюйм. (В) Апертура = 4 x 12мкм2, газ = H 2, T =17,2 K, P = 80 фунтов на квадратный дюйм. (C) Апертура = 4 x 20мкм 2, газ: D2, T = 20 K, P = 141 фунт на квадратный дюйм. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61130/61130fig5large.jpg" target="_blank">Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.</a> 
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61130/61130fig6.jpg"> Рисунок 6: Стабильность положения струи для криогенной струи водорода 2 x 20мкм2.Параметры: 18 K, 60 фунтов на квадратный дюйм и Re <img alt="Equation 27" src="/files/ftp_upload/61130/61130eq27v2.jpg" style="font-size: 14px;"> 1887. (A) Позиционирование джиттера в зависимости от расстояния от диафрагмы. Продольный (боковой) джиттер соответствует движению, параллельному короткой (длинной) оси прямоугольного листа. (B) Нормализованная гистограмма положения струи для определения бокового джиттера (σ = 5,5 мкм) и продольного джиттера (σ = 8,5 мкм) на расстоянии 23 мм от сопла. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61130/61130fig6large.jpg" target="_blank">Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.</a>
<img alt="Figure 7" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61130/61130fig7.jpg"> Рисунок 7: Репрезентативный поток и давление при работе криогенной струи. (A) Слева: расход анализируемого газа, справа: давление подпорки анализируемого газа в зависимости от времени. Полулогарифмический график давления в вакуумной камере (V1; B), давление форварда турбомолекулярного насоса (V2; C) и давление струйного улавливателя (V3; Г) как функции времени. Обведенные цифры обозначают изменения в системе, наблюдаемые во время раздела 5 протокола. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61130/61130fig7large.jpg" target="_blank">Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.</a> 
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always"><tbody><tr><td>Анализируемый газ</td>
			<td>Отверстие</td>
			<td>Температура (К)</td>
			<td>Давление (psig)</td>
			<td>Расход (sccm)</td>
		</tr><tr><td>Водород</td>
			<td>Ø5 мкм цилиндрический</td>
			<td>17</td>
			<td>60</td>
			<td>150</td>
		</tr><tr><td>50% водорода, 50% дейтерия</td>
			<td>Ø5 мкм цилиндрический</td>
			<td>20</td>
			<td>30, 30</td>
			<td>130</td>
		</tr><tr><td>Дейтерий</td>
			<td>Ø5 мкм цилиндрический</td>
			<td>22</td>
			<td>75</td>
			<td>80</td>
		</tr><tr><td>Водород</td>
			<td>1 мкм x 20 мкм плоский</td>
			<td>18</td>
			<td>182</td>
			<td>150</td>
		</tr><tr><td>Водород</td>
			<td>2 мкм x 20 мкм плоский</td>
			<td>18</td>
			<td>218</td>
			<td>236</td>
		</tr><tr><td>Водород</td>
			<td>4 мкм x 20 мкм плоский</td>
			<td>17.5</td>
			<td>140</td>
			<td>414</td>
		</tr><tr><td>Дейтерий</td>
			<td>4 мкм x 20 мкм плоский</td>
			<td>20.5</td>
			<td>117</td>
			<td>267</td>
		</tr><tr><td>Аргон</td>
			<td>Ø5 мкм цилиндрический</td>
			<td>90</td>
			<td>50</td>
			<td>18.5</td>
		</tr><tr><td>Метан</td>
			<td>Ø5 мкм цилиндрический</td>
			<td>100</td>
			<td>75</td>
			<td>46</td>
		</tr></tbody></table>Таблица 1: Условия эксплуатации образца струи.

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

В этом протоколе представлены принципы работы цилиндрических и плоских криогенных струй жидкости микронного масштаба. До сих пор эта система использовалась в качестве мишени с высокой частотой повторения в лазерно-плазменных экспериментах. Ожидаемые междисциплинарные приложения варьируются от лабораторной астрофизики до материаловедения и, в конечном итоге, ускорителей частиц следующего поколения.

Криогенные жидкостные струи для открытия с высокой частотой повторения

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

Синтез и микродифракции при экстремальных давлениях и температурах

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

Визуализация Высокоскоростной струи жидкости столкновение на движущейся поверхности

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

Простой Дьюара / Криостат для Термически уравновешивания образцов при температурах Известных для получения точных криогенных люминесцентных измерений

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

Высокая производительность импеданса на основе платформы для испарения определение скорости

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

Ориентационный переход в жидком кристалле, инициированный термодинамическим ростом межфазных смачивающих листов

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

Измерение плотности водных стекол при криогенных температурах

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

Обнаружение водорастворимый хлорид распределение цементной пасты в виде высокой точности

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

Измерения в жидких кристаллов сегнетоэлектриков поляризации, магнитно настроенный

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

Подготовка клетки графена жидкость для наблюдения за литий ионный аккумулятор материала

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

Определение агрегированной морфологии поверхности в межлицкой переходной зоне (ИТС)

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