Ultrasonic pulse generation by a piezoelectric transducer at cryogenic temperatures

Abstract

The use of cryogenic liquid propellants such as liquid hydrogen or liquid oxygen has arisen a problem for future space missions. As a result of long storage periods bubbles are formed in propellant tanks due to boil-off. In order to eliminate these bubbles that can be harmful to the engines, it has been proposed an innovative cryogenic technique: the control of bubbles by means of ultrasonic waves generated by piezoelectric ceramic transducers. In this project, a simple approach for studying this issue has been proposed. A so called transducer-rod system is built to test the possibility of using piezoelectric ceramics to generate ultrasonic pulses at cryogenic temperatures. This simple system consists in an Aluminum rod with two transducers, made with piezoelectric ceramics, at each end of the rod. From this, the propagation through the medium of the pulse generated by the transducer has been studied. The measurements were obtained in a closed-loop cryogenic system. Liquid Helium is recirculated through all the system, cooling down a so called cold-finger. Through thermal contact the cold-finger is able to cool the cryogenic chamber to temperatures around T=20 K. The results show that none of the tested piezoelectric ceramics is able to work at cryogenic temperatures of around T=20 K. However, one of the piezoelectric materials available was able to preserve its properties until T=200 K and to keep working until T=130 K. It can be concluded that our chosen piezoelectric ceramic is not able to work at cryogenic temperatures. However, other interesting results were achieved. The first result is that the resonance frequency of the studied ceramics does not depend on temperature. That means there is no need of changing the initial pulse perturbation through all the experimental process. The second result is that the speed of sound in Aluminum slightly increases as temperature decreases, thereby confirming that Aluminum is a good material for ultrasound propagation at cryogenic temperatures. Lastly, the amplitude of the received pulse decreases as temperature decreases. With that last result we can determine the lower working temperature for the piezoelectric ceramic transducers.

La reciente utilización de combustibles criogénicos líquidos, como el hidrogeno u oxígeno líquido, ha generado una nueva problemática para las futuras misiones espaciales. Dentro de los tanques de combustible de los cohetes se forman burbujas debido a un fenómeno de ebullición. Esas burbujas pueden ser dañinas para los motores y para eliminarlas se propone una innovadora tecnología criogénica: controlar las burbujas mediante ondas ultrasónicas generadas por un transductor formado por una cerámica piezoeléctrica. En este proyecto pretende estudiar la posibilidad de utilizar esa tecnología a temperaturas criogénicas de manera simplificada. El sistema propuesto consiste en una barra de Aluminio a la cual se le unen dos transductores hechos de cerámicas piezoeléctricas a cada lado. Una vez montado el sistema, se envía un pulso al primer transductor que a su vez generará una onda ultrasónica que será recibida por el segundo transductor. El objeto de nuestro estudio se centra en la onda ultrasónica recibida al segundo transductor. Los resultados han sido obtenidos en un sistema criogénico por el cual Helio líquido circula por un circuito cerrado, enfriando de esta manera lo que se llama como cold-finger. Debido al contacto térmico, el cold-finger baja la temperatura del porta muestras donde está colocado el sistema barra-transductor. Este sistema criogénico es capaz de llegar a temperaturas de alrededor de los T=20 K. Después de realizar un conjunto de pruebas con varios tipos de cerámicas piezoeléctricas observamos que ninguna de ellas es capaz de trabajar a una temperatura inferior a T=20 K. Aun así, una de las cerámicas propuestas es capaz de preservar sus propiedades hasta T=200 K y de seguir funcionando hasta los T=130 K. Podemos concluir que la cerámica piezoeléctrica escogida no funciona a temperaturas criogénicas, pero si lo hace hasta T=130 K. Aunque no hayamos conseguido nuestro objetivo de encontrar la cerámica que sea capaz de funcionar hasta los T=20 K, extraemos muchos resultados de estos experimentos. Lo primero de todo es que la frecuencia de resonancia de las cerámicas estudiadas no depende de la temperatura. Esto significa que no es necesario ir modificando el pulso inicial durante todo el proceso experimental. Por otro lado, se ha observado que la velocidad del sonido en Aluminio incrementa ligeramente a medida que la temperatura desciende, confirmando de esta manera que el Aluminio es un buen material para la propagación de ondas ultrasónicas a temperaturas criogénicas. Finalmente, la amplitud del pulso generado disminuye a medida que la temperatura también disminuye. Con este último resultado hemos podido determinar la temperatura más baja de funcionamiento de cada transductor cerámico.

La utilització de combustibles criogènics líquids, com l'hidrogen o l'oxigen líquid, genera problemes per futures missions espacials de llarg temps de durada. Als tancs de combustible dels coets es formen bombolles a causa d'un problema d'ebullició degut als llargs temps d'emmagatzematge d'aquests combustibles. Aquestes bombolles són perjudicials per als motors dels coets, per tant han de ser eliminades. Per aconseguir-ho es proposa una innovadora tecnologia criogènica: l'ús de transductors fets amb ceràmiques piezoelèctriques per generar ones ultrasòniques i controlar aquestes bombolles. En aquest projecte es presenta una manera simple d'estudiar la possibilitat d'utilitzar un dispositiu format per una ceràmica a temperatures criogèniques. El sistema proposat consisteix en una barra d'Alumini a la qual s'enganxa un transductor format per una ceràmica piezoelèctrica a cada costat. Una vegada fet el sistema, s'envia un pols al primer transductor que alhora generarà una ona ultrasònica que viatjarà per la barra fins ser detectada al segon transductor. Aquest projecte es centra en estudiar el senyal que arriba al segon transductor. Els resultats han sigut obtinguts en un sistema criogènic tancat pel qual hi circula Heli líquid, que refreda el que s'anomena cold-finger. Mitjançant la conducció tèrmica el cold-finger refreda el porta mostres on es col·loca el sistema barra-transductor. El sistema criogènic és capaç de baixar la temperatura fins arribar fins a uns T=20 K. Després d'haver realitzat un conjunt de probes amb diferents tipus de ceràmiques piezoelèctriques arribem a una conclusió: cap es capaç de funcionar a una temperatura inferior a T=20 K. Tot i així, una de les ceràmiques estudiades es capaç de preservar les seves propietats fins a T=200 K i continuar funcionant al voltant d'uns T=130 K. Podem concloure doncs, que la ceràmica piezoelèctrica que hem escollit no funciona a temperatures criogèniques, però si que ho fa fins T=130 K. Tot i que no hem aconseguit el nostre objectiu de trobar una ceràmica que funcioni fins els T=20 K, extraiem molts resultats dels experiments realitzats. El primer de tots és que la freqüència de ressonància de les ceràmiques no canvia amb la temperatura. Això ens indica que no es necessari modificar el pols inicial durant tot l'experiment. D'altra banda, s'ha observat que la velocitat del so en l'Alumini incrementa lleugerament a mesura que baixa la temperatura, confirmant d'aquesta manera que l'Alumini es un bon material per transmetre polsos a temperatures criogèniques. Finalment, l'amplitud del senyal generat per la ceràmica disminueix a mesura que disminueix la temperatura. És amb aquest últim resultat que obtenim la mínima temperatura de funcionament de cada transductor ceràmic.