Ydeevne med ultralav vibration og driftsfleksibilitet definerer kendetegn ved ICEoxfords seneste lukket cyklus kryostat
Mens kviksølvet ramte rekordhøjder i Storbritannien hen over sommeren, har udviklingsingeniører kl ICEoxford blev bunkret ned i køligheden af R&D-laboratoriet, hvilket satte efterbehandlingen til virksomhedens seneste tilbud til ultralave temperaturer. Det pågældende produkt, den TØRIS DYAD, er et lukket cyklus kryostatsystem, der er i stand til at køle til en 1.7 K basistemperatur, samtidig med at det giver banebrydende vibrationsisolering og fleksible optiske adgangsmuligheder til prøverummet.
Til sammenhæng er ICEoxfords kernekompetence design og udvikling af avancerede kryogene systemer til at understøtte eksperimentelle undersøgelser på tværs af forskellige applikationer inden for de fysiske videnskaber – fra kvanteberegning og kvanteoptik til højtemperatursuperledning og scanningprobemikroskopi (SPM). Det, der dog adskiller virksomheden, er et ubarmhjertigt fokus på kundeservice og kollaborativ innovation, hævder Paul Kelly, teknisk chef hos ICEoxford. "Med andre ord," tilføjer han, "vi arbejder direkte med videnskabsfolk for at forstå deres krav på et detaljeret niveau, hvilket giver dem tillid til, at vi kan levere det optimale system i forhold til deres budget og tekniske specifikationer."
Prioritering af stabilitet og fleksibilitet
Denne samarbejdsmodel for produktudvikling understøtter de tekniske specifikationer af DRY ICE DYAD – ikke mindst når det kommer til ydeevne med ultralav vibration (ved <10 nm). Nøglen til succes her er, at prøveenheden holdes separat på et optisk bord, således at den er isoleret fra det kolde hoved og kryostatens hoveddel (og kun forbundet med et blødt termisk led for yderligere at reducere vibrationer). "Vores designtilgang er at afkoble kryostaten fuldstændigt fra prøvemiljøet," forklarer Kelly. "Kryostaten sidder på laboratoriegulvet, med prøverummet placeret på det tilstødende optiske bord."
Faktisk giver stabilitet et af de overordnede designtemaer i DRY ICE DYAD. "Mens vores videnskabelige kunder alle har unikke krav," bemærker Kelly, "søger de alle i sidste ende efter stabilitet langs tre hovedkoordinater. Tænk på vakuumstabilitet – en ren, pålidelig støvsuger. Tænk temperaturstabilitet – fra den meget lave basistemperatur op til 300 K. Tænk mekanisk stabilitet – for i kvanteforskningen kan selv de mindste vibrationer få kvanteeffekterne til at svigte.”
Driftsfleksibilitet er en anden designhensyn, der er front-og-center i DRY ICE DYAD. Et eksempel på dette: slutbrugeren kan skifte prøverumsmiljøet mellem et topladet udvekslingsgasmodul og et vakuummodul inden for et par timer – et arrangement, der sikrer alsidig kryogen afkøling for at tilpasse sig den ofte modstridende forskning prioriteringer i travle laboratorier.
Med hensyn til detaljer er det topladede udvekslingsgasmodul et patenteret design, der gør det muligt at udskifte prøven uden at opvarme hoveddelen af kryostaten, hvilket muliggør en 2 timers prøveafkølingstid. Prøvemanipulation og -rotation er også mulig i op til seks akser sammen med optisk adgang med høj numerisk blænde og magnetiske felter op til 9 T.
I mellemtiden inkluderer prøve-i-vakuum-modulet en kold plade med en diameter på 150 mm, hvorpå prøven er monteret (med en direkte termisk forbindelse til kryostaten). Der er adgang til prøverummet ved at løfte den ydre vakuumplade og strålingsskjoldet, mens det topbelastede prøvemodul (en sondebaseret enhed) muliggør prøveskift uden at opvarme hele systemet. Integration af lavtemperatur nanopositionere og op til tre objektiver letter prøvebevægelse og manipulation.
"Kryostaten er virkelig sat op til at håndtere to forskellige typer eksperimenter - under udvekslingsgas og under vakuum," bemærker Kelly. "Udvekslingsgassen tillader hurtig vending og foreløbige prøveundersøgelser, der oftere end ikke er en forløber for længerevarende eksperimenter [dage eller endda uger] under vakuum."
Skræddersyet magnetisme
Afkøling til side er superledende magneter en integreret del af DRY ICE DYAD-systemet, hvor ICEoxford tilbyder en række solenoide, split-pair og vektorroterende magneter op til 9 T feltstyrke. Mens undersøgelser af magnetiske egenskaber ved ultralave temperaturer er givet, ønsker mange forskere også at udføre samtidige optiske undersøgelser af deres materialer - ikke så let, hvis prøven sidder inden for den store spole af en magnetmagnet.
En mulighed er for eksempel at indlæse prøven i boringen af en split-par magnet for at tillade laserspektroskopi-eksperimenter i transmissions- eller reflektionstilstand. Brugen af to- eller trevejs vektorroterende magneter giver yderligere fleksibilitet, hvor sidstnævnte er i stand til at generere et magnetfelt i tre diskrete retninger. På denne måde er det muligt at holde prøven stationær, mens det magnetiske felt varieres omkring den - en nøglefunktion, når man studerer et specifikt plan inden for et krystalgitter, eller hvis varmen, der genereres ved prøverotation, er en kilde til interferens for småskala målinger af elektrisk ledningsevne.
Et andet bemærkelsesværdigt træk ved DRY ICE DYAD er vægten på automatisering, med LabVIEW-baseret software, der bruges til at kontrollere og overvåge temperaturen. "Dette er udviklet med kunden i tankerne," konkluderer Kelly, "for at reducere opsætnings- og ekspeditionstiden for systemet og samtidig øge laboratorieproduktiviteten." Hvad mere er, er det muligt at tilføje funktioner til softwaren såsom integreret kontrol til den superledende magnet samt automatisering af top-load og sonde-afkøling.
Specifikke tilpasninger inkluderer mulighed for op til seks ekstra porte omkring det optiske system for at gøre det muligt for slutbrugere at integrere DC-ledninger, koaksialkabler eller optiske fibre efter behov. Brugere kan også anmode om op til fem optiske vinduer med varierende diameter i en række materialer.
"Produktinnovation er i gang med DRY ICE DYAD," slutter Kelly. "Vi har allerede 1.6 K og 1.5 K basistemperaturer i vores kikkert på udviklingskøreplanen."
