高繰返し率発見科学のための極低温液体ジェット

このプロトコルに記載されているシステムは、陽子ビームとイオンビームの加速に大きな影響を与える結果をもたらしました。このシステムの将来の応用では、実験室の天体物理学、材料科学、および次世代の粒子加速器が探求され、ギガワットオーダーのピークパワーにつながります。特に水素ターゲットは、レーザーイオン加速に魅力的な性質を持ち、高エネルギーで純粋な陽子ビームを実現します。

私の研究室の博士課程の学生であるChristopher Schoenwaelderは、極低温ソースコンポーネントのすべての準備と組み立ては、適切なクリーンルームの衣服を使用して、クリーンな環境で行うべきであることを手順で示します。まず、間接超音波洗浄を使用して、極低温ソースコンポーネントから汚染物質を除去します。ソニケーターに蒸留水を入れ、界面活性剤を加えて表面張力を下げます。

極低温ソース部品を個々のガラスビーカーに置き、電子機器グレードのイソプロパノールに完全に浸し、ビーカーをアルミホイルでゆるく覆って蒸発を減らし、汚染を防ぎます。ビーカーをクリーニングバスケットに入れるか、ビーカースタンドをソニケーターに入れ、ソニケーターの底に触れないようにします。ソニケーターを60分間作動させ、次いで浮遊粒子または残留物について明るい白色光を用いてイソプロパノールを検査する。

粒子が見える場合は、部品をきれいなイソプロパノールですすぎ、イソプロパノール浴を交換してください。粒子や残留物が見えなくなるまで、60分周期で超音波処理します。終了したら、部品を蓋付きの清潔な面に置き、組み立てる前に最低30分間乾燥させます。

ステンレス鋼フィルター、ソースキャップ、フェルール、および組み立てネジのクリーニングプロセスを繰り返します。インジウムをカットして、極低温ソース本体とクライオスタットのコールドフィンガーとの間の接合部を最大限に覆います。次に、極低温ソースに置き、クライオスタットの冷たい指で平らに保ちます。

固定ネジを締め、インジウムが平らのままであることを確認して、コンポーネント間にサーマルシールを確立します。銅の糸は傷つきやすいので、締めすぎないでください。ねじ山付きステンレス鋼フィルターを極低温ソースフランジにねじ込みます。

インジウムガスケットをソースフランジに置き、フランジネジを使用してソースフランジを極低温ソース本体に取り付けます。次に、ネジを円周の周りで順番に締めるのではなく、斜めに締めます。フェルールをキャップの内側に置きます。

次に、清潔なピンセットを使用して、開口部をフェルールの内側に配置します。キャップをタップして、開口部をフェルールの中央に配置します。開口部の上にインジウムリングを落とします。

次に、キャップの端をもう一度タップして、インジウムリングを開口部の中央に配置します。最小限の抵抗が検出されるまで、キャップをソースフランジに手で締めます。マスフローコントローラーの流量を制限するには、設定値を毎分500標準立方センチメートルに増やし、圧力調整器のガス圧を約50PSIゲージに設定します。

レンチを使用して、流量が減少し始めるまで、開口部を一度に数度ずつ締めます。高感度リークディテクターでキャップ上部のリークレートを確認し、測定したリークレートの減少が止まったら締め付けを止めます。温度ランプを無効にし、設定温度を理論上の気液相転移温度よりかなり低い温度に変更します。

液化が始まったら、ヘリウムの流量を増やして冷却力を高め、相転移を迅速に通過させます。貯留層が完全に液化すると、ガスと液体の混合物が最初に開口部から噴霧され、連続ジェットに順次移行します。パルスサブナノ秒の発光を伴う高倍率シャドウグラフィを使用して、ジェットの安定性と層流性を視覚化します。

実験でサンプルの位置があらかじめ決まっている場合は、クライオスタットフランジ上の多軸マニピュレーターまたは真空チャンバー内の電動プッシュピンアクチュエーターを使用して、極低温ソースを平行移動します。PIDパラメータとヘリウム流量を最適化して、温度安定性がプラスマイナス0.02ケルビンよりも優れていることを確認します。ジェットの全体的な安定性は、真空チャンバーの圧力、ガスの背圧、および温度に大きく依存することに注意してください。

高倍率シャドウグラフは、ジェット運転中の層流性、位置決めジッター、および長期安定性を評価するために使用されます。パルスサブナノ秒照明を使用してジェットの瞬間的な画像を記録することは、ジェットの動きが表面の凹凸や乱流をぼやかさないようにすることが重要です。2 x 20マイクロメートルの水素ジェットの空間ジッターを、開口部からの距離の関数として、数時間にわたる1回のテストで調査しました。

各データポイントのポジショニングジッターは、10ヘルツで記録された49枚の画像から計算されました。ジェットの位置は、固定された基準位置を基準にして決定されました。例として、23ミリメートルでのジェット位置の正規化されたヒストグラムを示します。

ここでは、4 x 20 μメートルの極低温重水素ジェットの液化およびジェット運転中の一般的なシステム観測量を示します。温度、流量、サンプル背圧、真空圧を注意深く監視することで、オペレーターは不規則性を迅速に特定し、それに応じて対応することができます。ここでは、一般的な操作パラメータをまとめます。

特定のガスとアパーチャタイプに最適なパラメータが特定されると、結果として得られるジェットは高い再現性が得られます。絞りの偏差は、以前に特定された値から再最適化する必要があります。このプロトコルに従うときは、圧力または温度の急激な変化がリザーバー内の液体水素を急速に蒸発させる可能性があることに注意することが重要です。

真空システムの故障を防ぐために、オペレーターはガスの流れを制限し、敏感なハードウェアを分離する必要があります。このシステムは、他のアパーチャ形状やサンプルガスにも拡張できます。とりわけ、より重い元素は、イオン音波や物質の一相への移行(ガス巨人や太陽系外惑星の内部に存在すると予想される状態)などの基本的なプラズマプロセスを研究するために使用できます。

このターゲットシステムからの高輝度イオンビームを用いて、指向性高フラックス中性子ビームを発生させます。この技術は、材料の非破壊検査への道を開き、実験室での元素合成の研究に貢献する可能性があります。