Ultratieftemperatur-Innovation: Integrierte Kryostatsysteme ermöglichen Produktivitätssteigerungen – Physics World

<a data-fancybox data-src="https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/03/ultralow-temperature-innovation-integrated-cryostat-systems-open-up-productivity-gains-physics-world.jpg" data-caption="Cooles Zeug Innenansicht des Pony-Kryostaten, der im Februar im Argonne National Laboratory installiert wurde. Das Pony bietet wissenschaftlichen Benutzern eine kontinuierliche Kühlung unter Kelvin und einen großen Experimentierraum, der bequem geöffnet und geschlossen werden kann. (Mit freundlicher Genehmigung von Danaher Cryo) ” title=“Klicken Sie hier, um das Bild im Popup zu öffnen“ href=“https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/03/ultralow-temperature-innovation-integrated-cryostat-systems- open-up-productivity-gains-physics-world.jpg“>

Während manche es heiß mögen, mögen es andere lieber kalt – genauer gesagt ultrakalt. Eine Fallstudie hierzu ist Danaher Kryotechnik, der in den USA ansässige Entwickler und Hersteller integrierter Sub-Kelvin-Kryostatsysteme für vielfältige Anwendungen in der wissenschaftlichen Forschung und industriellen Forschung und Entwicklung. Das zwei Jahre alte Technologie-Startup mit Sitz in Boulder, Colorado, hat sich im Ultratieftemperaturbereich hohe Maßstäbe gesetzt, was durch sein Leitbild zum Ausdruck kommt: „Mit eleganten, klassischen Lösungen das nahezu Unmögliche zu erreichen, um optimale Ergebnisse zu erzielen.“ kryogene Leistung – vom ersten Konzept bis zur Verwirklichung“.

Wenn das die Hintergrundgeschichte ist, was ist dann mit den Einzelheiten? Im Mittelpunkt des Danaher Cryo-Geschäftsmodells stehen Zusammenarbeit und kryogene Innovation – Partnerschaften mit wichtigen Technologielieferanten und Endbenutzern gleichermaßen. „Worauf ich stolz bin – und was wir hier anstreben – ist, viel mehr als nur ein Anbieter von Transaktionsgeräten zu sein“, erklärt Charlie Danaher, Präsident und Gründer von Danaher Cryo. Einfach ausgedrückt: Das Ziel von Danaher und seinen Kollegen ist die gemeinsame Produktentwicklung, „um herauszufinden, was Kunden auf granularer Ebene benötigen, und dann die optimale Kältelösung in Bezug auf Design, Entwicklung und Einsatz des Kryostats zu finden“.

Zusammenarbeiten, innovieren, beschleunigen

Auf der Schlagzeilenebene gliedert sich der sich entwickelnde Kundenstamm von Danaher Cryo in drei Kernkundenkreise: universitäre Forschungsgruppen; US National Laboratories, einschließlich der nahegelegenen Boulder Laboratories des National Institute of Standards and Technology (NIST).; sowie Luft- und Raumfahrt- und Verteidigungsunternehmen in den USA und darüber hinaus.

„Wir haben uns den Ruf erworben, Hand in Hand mit Kunden zusammenzuarbeiten, um deren Sub-Kelvin-Anforderungen in einer Reihe von wissenschaftlichen und technischen Projekten zu erfüllen“, erklärt Danaher. Denken Sie an hochmoderne Anwendungsfälle wie Einzelphotonendetektoren für die Radioastronomie; Röntgen- und Neutronenstrahlexperimente; und Rastersondenmikroskopie-Untersuchungen von Hochtemperatur-Supraleitern.

<a data-fancybox data-src="https://physicsworld.com/wp-content/uploads/2024/02/web-Charlie_Edited-103.jpg" data-caption="Charlie Danaher „Wir haben uns den Ruf erarbeitet, Hand in Hand mit Kunden zusammenzuarbeiten, um deren Anforderungen im Subkelvin-Bereich zu erfüllen.“ (Mit freundlicher Genehmigung von Danaher Cryo)“ title=“Klicken Sie hier, um das Bild im Popup zu öffnen“ href=“https://physicsworld.com/wp-content/uploads/2024/02/web-Charlie_Edited-103.jpg“>

„Zu unseren vorrangigen Wachstumsmärkten gehört die aufstrebende Quantentechnologie-Lieferkette“, fügt Danaher hinzu, „wo kryogene Temperaturen für die Materialforschung und -entwicklung sowie die Geräteentwicklung in den Bereichen Quantensensorik, Quantennetzwerke und Quantencomputeranwendungen von entscheidender Bedeutung sind.“

Danaher seinerseits ist kollaborative Innovation kein Unbekannter. Bevor er Danaher Cryo im April 2022 gründete, war er 25 Jahre lang in leitenden Funktionen in der Produktentwicklung und im Engineering bei Cryogenic Technical Services (CTS) und High Precision Devices (HPD) tätig – und arbeitete dabei eng mit einer Reihe erstklassiger Kunden zusammen Boeing, Allgemeine Atomik, Lawrence Livermore National Laboratory, Harvard University, NASA und NIST.

Die gleiche nach außen gerichtete Denkweise prägt den kommerziellen Ansatz von Danaher Cryo, nicht zuletzt, wenn es um Technologiepartnerschaften geht. Die wichtigste davon ist die Verbindung des Unternehmens mit Chase Research Kryotechnik (CRC), ein spezialisierter britischer Hersteller von Sorptionskühlern, die Temperaturen unter Kelvin (sogar bis zu <0.1 K) erzeugen können. „Die strategische Partnerschaft mit CRC besteht seit 18 Monaten“, sagt Danaher, „wobei die Chase-Kühler als Kernbaustein unserer vollständig integrierten Sub-Kelvin-Kryostatsysteme dienen.“

Ein weiterer hochkarätiger Partner ist Leidener Kryotechnik, wobei Danaher Cryo den Verkauf von Verdünnungskühlschränken für den niederländischen Gerätehersteller in ganz Nordamerika leitet. „Wir bearbeiten nicht nur die Bestellungen“, sagt Danaher. „Wir erleichtern die Installation, Inbetriebnahme und Abnahme von Leiden-Produkten sowie den laufenden Service- und Wartungssupport.“

Näher an der Heimat gibt es eine fortlaufende Technologiekooperation mit NIST und dem University of Colorado Boulder (CU Boulder), wobei Danaher Cryo als exklusiver Vermarktungspartner für den sogenannten Adaptive Cooling Technology (ACT)-Pulsrohr-Kryokühler positioniert ist. Während Pulsrohrkühlschränke der aktuellen Generation speziell für den stationären Betrieb bei Grundtemperatur ausgelegt sind, ermöglicht das ACT-Design eine dynamische Abstimmung der Kühlleistung – eine Funktionalität, die sich besonders in der Abkühlphase des Betriebs auswirkt.

Im Rahmen einer kooperativen Forschungs- und Entwicklungsvereinbarung (CRADA) verfügt Danaher Cryo nun über eine exklusive Option zur Lizenzierung der ACT-Technologieinnovation (kürzlich von CU Boulder patentiert). „Große Kryosysteme können Abkühlzeiten von einigen Tagen bis zu mehr als einem Monat haben“, sagt Danaher. „Das ACT-Pulsrohrdesign kann diese Zeiten um mehr als 50 % verkürzen – ein überzeugendes Angebot im Hinblick auf Arbeitsablaufeffizienz und F&E-Produktivität.“ 

Coole Technologien, kalte Wissenschaft

Während die vollständige kommerzielle Markteinführung des ACT-Kryosystems in der zweiten Hälfte des Jahres 2025 geplant ist, bietet Danaher Cryo bereits ein umfassendes Portfolio an kontinuierlichen Kühl- und One-Shot-Kryostatsystemen an – ein Produktportfolio, das auf der vorgestellt wird Märztreffen der American Physical Society (APS). nächste Woche in Minneapolis, MN.

Die kontinuierlichen Kühlsysteme halten ihre Grundtemperatur auf unbestimmte Zeit aufrecht und umfassen das Pony (mit einer Kühlleistung bis unter 825 mK), das Bronco (<300 mK) und das Charger (vollständig integriert mit CRCs Mini-Verdünnungskühlschrank für die Kühlung bis unter 100 mK). . Die One-Shot-Kryostatsysteme hingegen bieten eine zeitlich begrenzte Kühlung für bis zu 30 Stunden und umfassen den Colt (850 mK Basistemperatur), Palomino (300 mK) und den Mustang (200 mK).

<a data-fancybox data-src="https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/03/ultralow-temperature-innovation-integrated-cryostat-systems-open-up-productivity-gains-physics-world-2.jpg" data-caption="Spiele zu deinen Stärken Die neue Kevlar-Aufhängung und der Probentisch von Danaher Cryo können in jedes der kontinuierlichen Kühl- oder One-Shot-Kryostatsysteme des Unternehmens integriert werden. (Mit freundlicher Genehmigung von Danaher Cryo)“ title=“Klicken Sie hier, um das Bild im Popup zu öffnen“ href=“https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/03/ultralow-temperature-innovation-integrated-cryostat-systems- open-up-productivity-gains-physics-world-2.jpg“>

Bezeichnenderweise konnte das Danaher Cryo-Team Anfang dieses Monats seine erste Kundeninstallation abschließen, wobei der Pony-Kryostat beim US-Energieministerium installiert und abgenommen wurde Argonne National Laboratory am Stadtrand von Chicago. „Das Pony kombiniert kontinuierliche Kühlung unter Kelvin mit einfachem Zugang zum Kühlbereich und zur zu testenden Probe“, erklärt Danaher.

Argonne-Wissenschaftler werden den Kryostat verwenden, um supraleitende Nanodraht-Partikeldetektoren für Anwendungen in der Kernphysik zu testen und zu charakterisieren. „Aufgrund des großen Versuchsraums des Pony wird das System zum Testen ganzer Wafer vor dem Würfeln eingesetzt“, bemerkt Danaher. „Anschließend werden die Wafer in Würfel geschnitten und die ausgewählten Chips für Strahllinienexperimente eingesetzt.“

Danaher seinerseits möchte auch die Vorteile des Charger-Systems hervorheben – vor allem die kontinuierliche 100-mK-Kühlung „ohne die Probleme“, die normalerweise mit Verdünnungskühlschränken verbunden sind. „Wir nutzen das CRC-Subsystem Continuous Miniature Dilutor (CMD)“, erklärt er. Der CMD ist ein kleiner, in sich geschlossener Kühlschrank, der nur wenige Liter Heliumgas benötigt. Es ist keine externe Gashandhabung erforderlich, wodurch wiederum die Wartung der Pumpen entfällt und das Risiko teurer Gasverluste verringert wird.

„Im weiteren Sinne“, fügt Danaher hinzu, „benötigt der Charger-Kryostat weniger als 1 m.“² Wir benötigen viel Platz im Labor – das kompakte Steuersystem nicht mitgerechnet –, wohingegen die meisten Verdünnungskühlschränke normalerweise mehr als das Doppelte verbrauchen würden.“

Intern bleibt die kontinuierliche Produktinnovation für Danaher und seinen Chef-Kryostatdesigner Bryan Schiffner weiterhin die Priorität. Vor diesem Hintergrund wird auf der APS-Märztagung auch eine neue Kevlar-Aufhängung vorgestellt, die in jeden Kryostat des Unternehmens eingebaut werden kann. Vereinfacht gesagt ist die Kevlar-Suspension in den Kryostaten integriert, um Wissenschaftlern eine Plattform zu bieten, auf der sie ihre zu testende Probe oder Baugruppe bei kalten Temperaturen installieren können, ohne eine Beschädigung des CRC-Sorptionskühlers zu riskieren.

„Die Kevlar-Aufhängung unterstützt einen Probentisch, der eine unmittelbare Nähe zum Kühler gewährleistet“, schließt Danaher. „Auf diese Weise können wir sicherstellen, dass der Kryostat dank eines robusten, langlebigen und geräumigen Probentisches wissenschaftlich nützlich ist.“

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