यह प्रोटोकॉल माइक्रोन-स्केल बेलनाकार और प्लानर क्रायोजेनिक तरल जेट के संचालन और सिद्धांतों को प्रस्तुत करता है। अब तक, इस प्रणाली का उपयोग लेजर-प्लाज्मा प्रयोगों में उच्च पुनरावृत्ति दर लक्ष्य के रूप में किया गया है। प्रत्याशित क्रॉस-डिसिप्लिनरी अनुप्रयोग प्रयोगशाला खगोल भौतिकी से लेकर भौतिक विज्ञान और अंततः अगली पीढ़ी के कण त्वरक तक हैं।
यह प्रोटोकॉल निरंतर, माइक्रोन आकार के क्रायोजेनिक बेलनाकार और प्लानर तरल जेट के संचालन के लिए एक विस्तृत प्रक्रिया प्रस्तुत करता है। जब यहां वर्णित के रूप में संचालित किया जाता है, तो जेट सेंटीमीटर के लिए उच्च लैमिनेरिटी और स्थिरता प्रदर्शित करता है। रेले शासन में क्रायोजेनिक तरल जेट के सफल संचालन के लिए क्रायोजेनिक तापमान पर द्रव गतिशीलता और ऊष्मप्रवैगिकी की बुनियादी समझ की आवश्यकता होती है। सैद्धांतिक गणना और विशिष्ट अनुभवजन्य मूल्यों को एक तुलनीय प्रणाली डिजाइन करने के लिए एक गाइड के रूप में प्रदान किया जाता है। यह रिपोर्ट क्रायोजेनिक स्रोत असेंबली के दौरान स्वच्छता और एक बार तरलीकृत होने के बाद क्रायोजेनिक स्रोत तापमान की स्थिरता दोनों के महत्व की पहचान करती है। सिस्टम का उपयोग प्रोटॉन थेरेपी में एक परिकल्पित अनुप्रयोग के साथ उच्च पुनरावृत्ति दर लेजर-संचालित प्रोटॉन त्वरण के लिए किया जा सकता है। अन्य अनुप्रयोगों में प्रयोगशाला खगोल भौतिकी, सामग्री विज्ञान और अगली पीढ़ी के कण त्वरक शामिल हैं।
इस विधि का लक्ष्य शुद्ध तत्वों या रासायनिक यौगिकों से युक्त एक उच्च गति, क्रायोजेनिक तरल प्रवाह का उत्पादन करना है। चूंकि क्रायोजेनिक तरल पदार्थ परिवेश के तापमान और दबाव पर वाष्पित हो जाते हैं, इसलिए उच्च पुनरावृत्ति दर (जैसे, 1 kHz) पर ऑपरेशन से अवशिष्ट नमूने वैक्यूम कक्ष1 से पूरी तरह से निकाले जा सकते हैं। ग्रिसेंटी एट अल द्वारा प्रारंभिक कार्य के आधार पर।2, इस प्रणाली को पहली बार उच्च तीव्रता लेजर संचालित प्रोटॉन त्वरण3 के लिए क्रायोजेनिक हाइड्रोजन का उपयोग करके विकसित किया गया था। इसे बाद में अन्य गैसों तक विस्तारित किया गया है और कई प्रयोगों में उपयोग किया गया है, जिनमें शामिल हैं: आयन त्वरण4,5, प्लाज्मा भौतिकी में प्रश्नों का उत्तर देना जैसे कि प्लाज्मा अस्थिरता6, हाइड्रोजन7 और ड्यूटेरियम में तेजी से क्रिस्टलीकरण और चरण संक्रमण, और लिनाक सुसंगत प्रकाश स्रोत (एलसीएलएस) 9 में मैटर इन एक्सट्रीम कंडीशंस (एमईसी) उपकरण में आर्गन में ध्वनिक तरंगों को हल करने के लिए एमईवी इनलेस्टिक एक्स-रे प्रकीर्णन8।
अब तक, उच्च पुनरावृत्ति दर ठोस क्रायोजेनिक हाइड्रोजन और ड्यूटेरियम नमूने उत्पन्न करने के लिए अन्य वैकल्पिक तरीके विकसित किए गए हैं। गार्सिया एट अल ने एक ऐसी विधि विकसित की जिसमें हाइड्रोजन को तरलीकृत किया जाता है और एक जलाशय में ठोस किया जाता है और एक एपर्चर10 के माध्यम से बाहर निकाला जाता है। एक्सट्रूज़न के लिए आवश्यक उच्च दबाव के कारण, प्रदर्शित न्यूनतम नमूना मोटाई (आज तक) 62 μm11 है। यह प्रणाली बड़े स्थानिक झटके12 को भी प्रदर्शित करती है। हाल ही में, पोल्ज़ एट अल ने 435 पीएसआईजी (पाउंड प्रति वर्ग इंच, गेज) के नमूना गैस बैकिंग दबाव का उपयोग करके ग्लास केशिका नलिका के माध्यम से एक क्रायोजेनिक हाइड्रोजन जेट का उत्पादन किया। परिणामी 10 μm बेलनाकार जेट निरंतर है लेकिन अत्यधिक तरंगित13 दिखाई देता है।
यहां प्रस्तुत एक विधि है जो बेलनाकार (व्यास = 5-10 μm) और विभिन्न पहलू अनुपात (1-7 μm x 10-40 μm) के साथ प्लानर जेट का उत्पादन करती है। पॉइंटिंग झटके एपर्चर5 से दूरी के कार्य के रूप में रैखिक रूप से बढ़ता है। द्रव गुण और राज्य का समीकरण उन तत्वों और रासायनिक यौगिकों को निर्धारित करता है जिन्हें इस प्रणाली में संचालित किया जा सकता है। उदाहरण के लिए, रेले ब्रेकअप के कारण मीथेन एक निरंतर जेट नहीं बना सकता है, लेकिन इसका उपयोग बूंदों14 के रूप में किया जा सकता है। इसके अलावा, इष्टतम दबाव और तापमान की स्थिति एपर्चर आयामों के बीच काफी भिन्न होती है। निम्नलिखित पैराग्राफ लामिनार, अशांत मुक्त क्रायोजेनिक हाइड्रोजन जेट का उत्पादन करने के लिए आवश्यक सिद्धांत प्रदान करते हैं। इसे अन्य गैसों तक बढ़ाया जा सकता है।
क्रायोजेनिक जेट सिस्टम में तीन मुख्य उपप्रणालियां होती हैं: (1) नमूना गैस वितरण, (2) वैक्यूम, और (3) क्रायोस्टेट और क्रायोजेनिक स्रोत। चित्रा 1 में चित्रित प्रणाली को विभिन्न वैक्यूम कक्षों में स्थापना के लिए अत्यधिक अनुकूलनीय होने के लिए डिज़ाइन किया गया है।
गैस वितरण प्रणाली में एक अल्ट्रा-उच्च शुद्धता संपीड़ित गैस सिलेंडर, गैस नियामक और द्रव्यमान प्रवाह नियंत्रक शामिल हैं। नमूना गैस का बैकिंग दबाव गैस नियामक द्वारा निर्धारित किया जाता है, जबकि द्रव्यमान प्रवाह नियंत्रक का उपयोग सिस्टम को वितरित गैस प्रवाह को मापने और प्रतिबंधित करने के लिए किया जाता है। दूषित गैसों और जल वाष्प को फ्रीज करने के लिए नमूना गैस को पहले तरल नाइट्रोजन कोल्ड ट्रैप में फ़िल्टर किया जाता है। एक दूसरा इन-लाइन पार्टिकुलेट फिल्टर मलबे को गैस लाइन के अंतिम खंड में प्रवेश करने से रोकता है।
उच्च पंपिंग गति स्क्रॉल पंप के साथ समर्थित टर्बोमोलेक्यूलर पंप नमूना कक्ष में उच्च वैक्यूम स्थिति बनाए रखते हैं। कक्ष और फोरलाइन वैक्यूम दबाव की निगरानी क्रमशः वैक्यूम गेज वी 1 और वी 2 का उपयोग करके की जाती है। यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि क्रायोजेनिक जेट का संचालन वैक्यूम सिस्टम में एक पर्याप्त गैस लोड (कुल नमूना प्रवाह के आनुपातिक) का परिचय देता है जब तरल वाष्पीकृत होता है।
गैस लोड को कम करने का एक सिद्ध तरीका थोक वाष्पीकरण होने से पहले अवशिष्ट तरल को पकड़ना है। जेट कैचर सिस्टम में क्रायोजेनिक स्रोत कैप से 20 मिमी तक स्थित ø800 μm अंतर पंपिंग एपर्चर द्वारा समाप्त एक स्वतंत्र वैक्यूम लाइन होती है। लाइन को एक पंप के साथ खाली किया जाता है जो 1 x 10-2 एमबार रेंज (यानी, एक रूट ब्लोअर वैक्यूम पंप या हाइब्रिड टर्बोमोलेक्यूलर पंप) में इष्टतम दक्षता प्रदर्शित करता है और वैक्यूम गेज वी 3 द्वारा निगरानी की जाती है। हाल ही में, कैचर ने 7 μm x 13 μm तक के क्रायोजेनिक हाइड्रोजन जेट को वैक्यूम चैंबर दबाव में परिमाण सुधार के दो आदेशों के साथ संचालित करने की अनुमति दी है।
क्रायोजेनिक तापमान के स्रोत को ठंडा करने के लिए एक निश्चित लंबाई, निरंतर प्रवाह तरल हीलियम क्रायोस्टैट का उपयोग किया जाता है। तरल हीलियम को स्थानांतरण लाइन का उपयोग करके आपूर्ति द्वार से खींचा जाता है। वापसी प्रवाह शीतलन शक्ति को विनियमित करने के लिए एक समायोज्य फ्लोमीटर पैनल से जुड़ा हुआ है। कोल्ड फिंगर और क्रायोजेनिक स्रोत का तापमान चार लीड सिलिकॉन डायोड तापमान सेंसर के साथ मापा जाता है। एक आनुपातिक-अभिन्न-व्युत्पन्न (पी-आई-डी) तापमान नियंत्रक तापमान को समायोजित और स्थिर करने के लिए ठंडी उंगली के पास स्थापित हीटर को परिवर्तनीय वोल्टेज प्रदान करता है। नमूना गैस क्रायोस्टैट फ्लैंज पर एक कस्टम फीडथ्रू के माध्यम से वैक्यूम कक्ष में प्रवेश करती है। कक्ष के अंदर, क्रायोजेनिक स्रोत असेंबली पर एक निश्चित गैस लाइन से जुड़ने से पहले गैस को प्रीकूल करने के लिए गैस लाइन क्रायोस्टेट के चारों ओर लपेटती है। स्टेनलेस स्टील स्क्रू और इंडियम की 51 μm मोटी परत क्रायोजेनिक स्रोत को ठंडी उंगली तक थर्मल रूप से सील करती है।
क्रायोजेनिक स्रोत (चित्रा 2) में छह मुख्य घटक होते हैं: एक (1) नमूना गैस लाइन, (2) स्रोत शरीर, (3) इन-लाइन कण फिल्टर के साथ स्रोत फ्लैंग, (4) एपर्चर, (5) फर्रूल, और (6) कैप। स्रोत शरीर में एक शून्य होता है, जो नमूना जलाशय के रूप में कार्य करता है। 0.5 μm स्टेनलेस स्टील फ़िल्टर के साथ एक थ्रेडेड स्वगेलोक किसी भी मलबे या ठोस दूषित पदार्थों को तरल चैनल में प्रवेश करने और एपर्चर को बाधित करने से रोकता है। विरूपण लंबाई बढ़ाने और एपर्चर को मज़बूती से सील करने के लिए एपर्चर और तरल चैनल के बीच एक मोटी, 76 μm मोटी इंडियम रिंग रखी जाती है। जब टोपी को स्रोत फ्लैंज पर पिरोया जाता है, तो इंडियम को तरल और थर्मल सील बनाने के लिए संपीड़ित किया जाता है। फर्रूल और सोर्स कैप इंस्टॉलेशन के दौरान एपर्चर को केंद्र में रखते हैं।
निरंतर, लामिनर शासन में संचालित क्रायोजेनिक तरल जेट के लिए एक प्रणाली के प्रारंभिक डिजाइन में कई समग्र विचार हैं। उपयोगकर्ताओं को क्रायोस्टैट की कुल शीतलन शक्ति, क्रायोजेनिक स्रोत डिजाइन के थर्मल गुणों, वैक्यूम सिस्टम प्रदर्शन, और तरल तापमान और दबाव का अनुमान लगाना चाहिए। नीचे दिए गए सैद्धांतिक ढांचे की आवश्यकता है।
शीतलन शक्ति विचार
1) द्रवीभूत हाइड्रोजन15: हाइड्रोजन को 300 K से तापमान तक द्रवित करने के लिए आवश्यक न्यूनतम शीतलन शक्ति का अनुमान निम्नलिखित समीकरण का उपयोग करके मोटे तौर पर लगाया जा सकता है:
कहाँ: निरंतर दबाव पर विशिष्ट गर्मी है, और
दबाव-निर्भर
द्रवीकरण तापमान
पर एच2 के वाष्पीकरण की अव्यक्त गर्मी है। उदाहरण के लिए, एक क्रायोजेनिक हाइड्रोजन जेट 60 पीएसआईजी गैस दबाव पर संचालित होता है और 17 K तक ठंडा हो जाता है, जिसके लिए न्यूनतम 4013 kJ / kg की आवश्यकता होती है। 150 एससीसीएम (मानक घन सेंटीमीटर प्रति सेकंड) के हाइड्रोजन गैस प्रवाह के साथ, यह 0.9 डब्ल्यू की गर्मी से मेल खाती है
।
यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि द्रवीकरण प्रक्रिया आवश्यक कुल शीतलन शक्ति का केवल दसवां हिस्सा योगदान देती है। क्रायोस्टेट पर गर्मी भार को कम करने के लिए, स्रोत शरीर में प्रवेश करने से पहले गैस को एक मध्यवर्ती तापमान पर प्रीकूल किया जा सकता है।
2) विकिरण गर्मी: क्रायोजेनिक स्रोत को तापमान पर बनाए रखने के लिए, क्रायोस्टेट को विकिरण हीटिंग की भरपाई करने की आवश्यकता होती है। निम्नलिखित समीकरण का उपयोग करके उत्सर्जित और अवशोषित ब्लैकबॉडी विकिरण के अंतर को संतुलित करके इसका अनुमान लगाया जा सकता है:
कहाँ: ए स्रोत शरीर का क्षेत्र है, स्टीफन-बोल्ट्जमैन स्थिरांक है, और
वैक्यूम कक्ष का तापमान है। उदाहरण के लिए, A = 50 सेमी 2 के एक विशिष्ट जेट स्रोत को 17 K तक ठंडा करने के लिए2.3 W की न्यूनतम शीतलन शक्ति की आवश्यकता होती है।
क्रायोजेनिक स्रोत के एक बड़े हिस्से को कवर करने वाले सक्रिय रूप से ठंडा विकिरण ढाल को जोड़कर स्थानीय रूप से कम किया जा सकता है।
3) अवशिष्ट गैस चालन: हालांकि थर्मल विकिरण अल्ट्रा-उच्च वैक्यूम स्थितियों में प्रमुख है, अवशिष्ट गैस में चालन के कारण योगदान जेट ऑपरेशन के दौरान गैर-नगण्य हो जाता है। तरल जेट कक्ष में पर्याप्त गैस भार का परिचय देता है, जिसके परिणामस्वरूप वैक्यूम दबाव में वृद्धि होती है। दबाव p पर गैस के तापीय चालन से शुद्ध गर्मी हानि की गणना निम्नलिखित समीकरण का उपयोग करके की जाती है:
कहाँ: गैस प्रजातियों के आधार पर एक गुणांक है (~ 3.85 x 10-2 W/cm2/K/mBarH2 के लिए), और आवास गुणांक है जो गैस प्रजातियों, स्रोत की ज्यामिति, और स्रोत के तापमान और
गैस16,17 पर निर्भर करता है। 17 K पर क्रायोजेनिक हाइड्रोजन जेट का संचालन करते समय, स्रोत की बेलनाकार ज्यामिति को मानते हुए और यह कि हाइड्रोजन वैक्यूम कक्ष में मौजूद मुख्य गैस है, गैस चालन गर्मी उत्पन्न करता है जिसे निम्नलिखित समीकरण का उपयोग करके अनुमान लगाया जा सकता है:
उदाहरण के लिए, 4.2 x 10-3 एमबार के वैक्यूम दबाव पर गैस चालन थर्मल विकिरण के रूप में अधिक गर्मी उत्पन्न करता है। इसलिए, वैक्यूम दबाव आमतौर पर जेट ऑपरेशन के दौरान 1 x 10-3 एमबार से नीचे रखा जाता है, सिस्टम में ~ 0.55 डब्ल्यू गर्मी भार जोड़ता है (ए = 50 सेमी2)।
ऑपरेशन के दौरान चैंबर में पेश किया गया गैस लोड क्रायोजेनिक जेट के प्रवाह से प्राप्त होता है। परिणामी वैक्यूम दबाव तब वैक्यूम सिस्टम की प्रभावी पंपिंग गति और वैक्यूम कक्ष की मात्रा द्वारा निर्धारित किया जाता है।
क्रायोजेनिक जेट को संचालित करने के लिए, क्रायोस्टैट को ऊपर के विभिन्न गर्मी स्रोतों (जैसे, 3.75 डब्ल्यू) की भरपाई के लिए पर्याप्त शीतलन शक्ति उत्पन्न करनी होगी, जिसमें क्रायोस्टैट सिस्टम के गर्मी के नुकसान शामिल नहीं हैं। ध्यान दें कि क्रायोस्टेट दक्षता भी वांछित ठंडे उंगली के तापमान पर दृढ़ता से निर्भर करती है।
जेट मापदंडों का आकलन
निरंतर लामिनर प्रवाह स्थापित करने के लिए, कई शर्तों को पूरा किया जाना चाहिए। संक्षिप्तता के लिए, एक बेलनाकार तरल प्रवाह का मामला यहां दिखाया गया है। प्लानर जेट के गठन में अतिरिक्त बल शामिल होते हैं, जिसके परिणामस्वरूप एक अधिक जटिल व्युत्पत्ति होती है जो इस पेपर18 के दायरे से परे है।
1) दबाव-गति संबंध: असंगत तरल प्रवाह के लिए, ऊर्जा का संरक्षण बर्नौली समीकरण उत्पन्न करता है, निम्नानुसार:
कहां: द्रव परमाणु घनत्व है, द्रव वेग है, गुरुत्वाकर्षण क्षमता ऊर्जा है,
और पी दबाव है। एपर्चर में बर्नौली समीकरण को लागू करते हुए, जेट वेग और नमूना बैकिंग दबाव के बीच कार्यात्मक संबंध का अनुमान निम्नलिखित समीकरण का उपयोग करके लगाया जा सकता है:
2) जेट ऑपरेशन शासन: रेनॉल्ड्स और ओहनेसोर्ग संख्याओं का उपयोग करके एक बेलनाकार तरल जेट के शासन का अनुमान लगाया जा सकता है। रेनॉल्ड्स संख्या, जिसे द्रव के भीतर जड़त्वीय और चिपचिपा बलों के बीच अनुपात के रूप में परिभाषित किया गया है, की गणना निम्नलिखित समीकरण का उपयोग करके की जाती है:
जहां: , , और क्रमशः द्रव की घनत्व,
गति,
व्यास और
गतिशील चिपचिपाहट हैं। लामिनार प्रवाह तब होता है जब रेनॉल्ड्स संख्या ~ 2,000 से कम होती है। इसी तरह, वेबर संख्या जड़ता के सापेक्ष परिमाण की तुलना सतह तनाव से करती है और निम्नलिखित समीकरण का उपयोग करके गणना की जाती है:
कहां: तरल की सतह का तनाव σ है। ओहनेसोर्ज संख्या की गणना निम्नानुसार की जाती है:
इस वेग-स्वतंत्र मात्रा का उपयोग रेनॉल्ड्स संख्या के साथ संयोजन में चार तरल जेट व्यवस्थाओं की पहचान करने के लिए किया जाता है: (1) रेले, (2) पहली पवन-प्रेरित, (3) दूसरी पवन-प्रेरित, और (4) परमाणुकरण। लामिनर अशांत मुक्त क्रायोजेनिक तरल प्रवाह के लिए, रेले शासन19 (यानी, ) के भीतर संचालित करने के लिए मापदंडों का चयन किया जाना चाहिए। इस शासन में, द्रव स्तंभ तथाकथित बरकरार लंबाई तक एक चिकनी सतह के साथ निरंतर रहेगा, जिसका अनुमान निम्नानुसारहै 20:
60 psig और 17K पर संचालित 5 μm व्यास बेलनाकार क्रायोजेनिक हाइड्रोजन जेट के लिए विभिन्न द्रव मापदंडों को चित्र 3 में संक्षेपित किया गया है। लंबी दूरी के लिए एक निरंतर जेट को बनाए रखने के लिए, तरल को तरल-ठोस चरण संक्रमण (चित्रा 4) के करीब पर्याप्त रूप से ठंडा किया जाना चाहिए ताकि बाष्पीकरणीय शीतलन, जो वैक्यूम में जेट के फैलने के बाद होता है, रेले ब्रेकअप 3,21 की शुरुआत से पहले जेट को ठोस बनाता है।
क्रायोजेनिक तरल जेट के सफल संचालन के लिए सावधानीपूर्वक स्वच्छता और तापमान स्थिरता की सावधानीपूर्वक निगरानी की आवश्यकता होती है। सबसे लगातार और परिहार्य विफलताओं में से एक माइक्रोन-आकार के एपर्चर का आंशिक या पूर्ण अवरोध है। स्रोत या हवाई कणों से तांबा, स्टेनलेस स्टील, या इंडियम को स्रोत असेंबली के किसी भी चरण में पेश किया जा सकता है। सभी घटकों को अप्रत्यक्ष सोनिकेशन का उपयोग करके एक मजबूत सफाई प्रक्रिया से गुजरना चाहिए। कक्षा -10,000 क्लीनरूम में असेंबली और स्टोरेज या बेहतर सफलता दर में सुधार करता है।
प्रक्रिया का एक और महत्वपूर्ण कदम क्रायोजेनिक स्रोत तापमान को स्थिर करना है। उपयोगकर्ताओं को यह सुनिश्चित करना चाहिए कि स्रोत से बाहर निकलने वाले तरल का तापमान जलाशय में निरंतर द्रवीकरण द्वारा जारी परिवर्तनीय गर्मी से स्वतंत्र रूप से मापा जाता है। यह तापमान सेंसर को एपर्चर (जैसे, स्रोत फ्लैंज पर) या गर्मी स्रोत से दूर रखकर पूरा किया जाता है। इसके अलावा, पी-आई-डी मापदंडों को तापमान और बैकिंग दबाव के प्रत्येक संयोजन के लिए ज़िगलर-निकोल्स विधि का उपयोग करके मैन्युअल रूप से अनुकूलित किया जाना चाहिए। यदि तापमान में उतार-चढ़ाव बहुत बड़ा हो जाता है, तो जेट पर आवधिक दोलन देखे जा सकते हैं जिससे कभी-कभी आवधिक ब्रेकअप होता है। यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि अंतर्निहित ऑटोट्यूनिंग फ़ंक्शन या लो-पास फिल्टर जेट ऑपरेशन के दौरान तापमान को स्थिर करने में सफल नहीं रहे हैं।
क्रायोजेनिक तरल जेट प्रणाली, जबकि अत्यधिक अनुकूलनीय है, स्थापित वैक्यूम प्रोटोकॉल के साथ बड़े पैमाने पर सुविधाओं में लागू करना चुनौतीपूर्ण है। उदाहरण के लिए, अंतर पंपिंग चरणों की आवश्यकता होती है जब अपस्ट्रीम उपकरण अवशिष्ट गैस के प्रति संवेदनशील होता है (उदाहरण के लिए, डीईएसवाई में फ्लैश फ्री-इलेक्ट्रॉन लेजर या एसएलएसी में एमईवी-यूईडी उपकरण)। इसके अलावा, बड़े व्यास वाले वैक्यूम कक्षों, जैसे कि मल्टी-पीडब्ल्यू लेजर के लिए, संभवतः इन-वैक्यूम लचीले क्रायोस्टैट्स की आवश्यकता होती है। पारंपरिक निश्चित लंबाई क्रायोस्टैट्स की तुलना में, उन्हें कक्ष कंपन से आसानी से अलग किया जा सकता है और एक छोटा लीवर हाथ होता है। हेल्महोल्ट्ज़-जेंट्रम ड्रेसडेन-रॉसेनडॉर्फ (एचजेडडीआर) में ड्रैको पेटावाट लेजर के साथ एक लचीला इन-वैक्यूम क्रायोस्टैट पहले से ही लागू किया गया है। एक अन्य अवलोकन यह है कि एपर्चर क्षतिग्रस्त हो सकता है जब जेट को स्रोत के बहुत करीब अल्ट्रा-हाई इंटेंसिटी लेजर द्वारा विकिरणित किया जाता है। हाल ही में, लेजर-प्लाज्मा इंटरैक्शन से एपर्चर की रक्षा और अलग करने के लिए एक मैकेनिकल चॉपर ब्लेड (150 हर्ट्ज पर काम कर रहा है और लेजर पल्स के साथ सिंक्रनाइज़ किया गया है) लागू किया गया है।
यह प्रणाली माइक्रोन-स्केल, अत्यधिक अक्षम, अशांत-मुक्त, लामिनर बेलनाकार और प्लानर क्रायोजेनिक तरल जेट का उत्पादन करती है। क्रायोजेनिक तरल जेट प्रणाली का चल रहा विकास उन्नत एपर्चर सामग्री और डिजाइन, वैक्यूम सिस्टम और कैचर सुधार और उन्नत हाइड्रोजन आइसोटोप मिश्रण पर केंद्रित है। यह प्रणाली उच्च पुनरावृत्ति दर, उच्च ऊर्जा घनत्व विज्ञान में संक्रमण को सक्षम करेगी और अगली पीढ़ी के कण त्वरक के विकास का मार्ग प्रशस्त करेगी।
The authors have nothing to disclose.
इस काम को अमेरिकी ऊर्जा विभाग एसएलएसी अनुबंध संख्या 10द्वारा समर्थित किया गया था। डीई-एसी02-76एसएफ00515 और एफडब्ल्यूपी 100182 के तहत यूएस डीओई ऑफिस ऑफ साइंस, फ्यूजन एनर्जी साइंसेज द्वारा। इस कार्य को अनुदान संख्या 1632708 के तहत राष्ट्रीय विज्ञान फाउंडेशन द्वारा और ईसी एच 2020 लेजरलैब-यूरोप / एलईपीपी (अनुबंध संख्या 654148) द्वारा आंशिक रूप से समर्थित किया गया था। सीबीसी कनाडा के प्राकृतिक विज्ञान और इंजीनियरिंग अनुसंधान परिषद (एनएसईआरसी) से समर्थन स्वीकार करता है। एफटी राष्ट्रीय परमाणु सुरक्षा प्रशासन (NNSA) से समर्थन स्वीकार करता है।
Cryogenic apron | Tempshield | Cryo-apron | Core body protection from cryogenic liquids |
Cryogenic face shield | 3M | 82783-00000 | ANSI Z87.1 rated for full face protection from cryogenic liquids |
Cryogenic gloves | Tempshield | Cryo-gloves MA | Hand protection from cryogenic liquids |
Cryogenic source components | SLAC National Accelerator Laboratory | Custom | Components are made of Oxygen-free Copper (OFC) to maximize thermal conductivity at cryogenic temperatures. |
Cryostat and transfer line | Advanced Research Systems | LT-3B | 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. |
Cylindrical apertures | SPI Supplies | P2005-AB | Commercial cylindrical apertures can be purchased individually |
Electronic-grade isopropanol | Sigma Aldrich | 733458-4L | 99.999%, minimal particulates/trace metals, dries residue free |
Flammable gas regulator | Matheson | M3816A-350 | Pressure control of sample gas (e.g. hydrogen, deuterium) |
Indium | Indium Corporation | Custom | 99.99%, 50-75µm thick, for thermal and liquid seals in cryogenic source |
Jet catcher system | SLAC National Accelerator Laboratory | Custom | Consists of skimmer, vacuum hardware and feedthroughs, vacuum gauge, roots vacuum pump |
Laboratory-grade acetone | Sigma Aldrich | 179973-4L | Used to remove grease and photoresist from components. Purity and grade not critical since final cleaning will use electronic-grade isopropanol |
Leak detector | Matheson | SEQ8067 | To ensure jet apertures have sealed before pumping down |
Liquid helium | Airgas | HE 100LT | Top-loading dewar, Consumption depends on cryostat, source dimensions, and total gas flow. Typically 3-5 L/h. |
Liquid nitrogen | Airgas | NI 160LT22 | Total cold trap volume 4 L, consumption approximately 2L/h during jet operation |
LN dewar flask (4 L) | ThermoFisher Scientific | 4150-4000 | For the liquid nitrogen cold trap |
LN transfer hose | Cryofab | CFUL series | Uninsulated cryogenic hose with a phase separator to transfer LN from storage dewar to LN dewar flask for the cold trap |
Manual XY manipulator | Pfeiffer Vacuum | 420MXY100-25 | Course adjustment (+/- 12.5 mm) of cryogenic source. |
Manual Z manipulator | McAllister Technical Services | ZA12 | Course adjustment of cryostat length for interchangeability on different vacuum vessels. Additionally, retracting cryogenic source from interaction point. |
Mass flow controller | MKS Instruments | P9B, GM50A | To control and monitor gas flow |
Planar apertures | Norcada | Custom | Custom nanofabrication of planar apertures |
Positioning actuators | Newport | LTAHLPPV6, 8303-V | High-precision (<2µm), motorized jet positioning |
Rotation stage | McAllister Technical Services | DPRF600 | Precision alignment of jet orientation |
Safety glasses | 3M | S1101SGAF | ANSI Z87.1 rated for work with compressed gases |