Ultraniedrige Vibrationsleistung und Betriebsflexibilität sind entscheidende Merkmale des neuesten geschlossenen Kryostaten von ICEoxford
Während das Quecksilber im Sommer in Großbritannien Rekordhöhen erreichte, waren Entwicklungsingenieure bei ICEoxford wurden in der Kühle des F&E-Labors gebunkert und verliehen dem neuesten Angebot des Unternehmens für Ultratieftemperaturbereiche den letzten Schliff. Das betreffende Produkt, die TROCKENEIS DYADE, ist ein Kryostatsystem mit geschlossenem Kreislauf, das in der Lage ist, auf eine Basistemperatur von 1.7 K zu kühlen und gleichzeitig eine hochmoderne Vibrationsisolierung und flexible Optionen für den optischen Zugang zum Probenraum bietet.
Im Kontext liegt die Kernkompetenz von ICEoxford in der Konstruktion und Entwicklung von kryogenen High-End-Systemen zur Unterstützung experimenteller Studien in verschiedenen Anwendungen innerhalb der physikalischen Wissenschaften – von Quantencomputern und Quantenoptik bis hin zu Hochtemperatur-Supraleitung und Rastersondenmikroskopie (SPM). Was das Unternehmen jedoch auszeichnet, ist sein unermüdlicher Fokus auf Kundenservice und kollaborative Innovation, behauptet Paul Kelly, Chief Technical Officer bei ICEoxford. „Anders ausgedrückt“, fügt er hinzu, „arbeiten wir direkt mit Wissenschaftlern zusammen, um ihre Anforderungen auf granularer Ebene zu verstehen, und geben ihnen die Gewissheit, dass wir das optimale System im Vergleich zu ihrem Budget und ihren technischen Spezifikationen liefern können.“
Priorisierung von Stabilität und Flexibilität
Dieses kollaborative Modell der Produktentwicklung untermauert die technischen Spezifikationen des DRY ICE DYAD – nicht zuletzt in Bezug auf die ultraniedrige Vibrationsleistung (bei <10 nm). Der Schlüssel zum Erfolg ist hier, dass die Probeneinheit separat auf einem optischen Tisch gehalten wird, sodass sie vom Kaltkopf und dem Hauptkörper des Kryostaten isoliert ist (und nur durch eine weiche thermische Verbindung verbunden ist, um die Vibration weiter zu reduzieren). „Unser Designansatz besteht darin, den Kryostaten vollständig von der Probenumgebung zu entkoppeln“, erklärt Kelly. „Der Kryostat sitzt auf dem Laborboden, der Probenraum auf dem angrenzenden optischen Tisch.“
Tatsächlich ist Stabilität eines der übergreifenden Designthemen des DRY ICE DYAD. „Während unsere wissenschaftlichen Kunden alle einzigartige Anforderungen haben“, bemerkt Kelly, „streben sie alle letztendlich nach Stabilität entlang dreier Hauptkoordinaten. Denken Sie Vakuumstabilität – ein sauberes, zuverlässiges Vakuum. Denken Sie an die Temperaturstabilität – von der sehr niedrigen Basistemperatur bis zu 300 K. Denken Sie an die mechanische Stabilität – denn in der Quantenforschung können bereits kleinste Vibrationen dazu führen, dass die Quanteneffekte versagen.“
Betriebsflexibilität ist ein weiterer Designaspekt, der beim DRY ICE DYAD im Vordergrund steht. Ein typisches Beispiel: Der Endbenutzer kann die Probenraumumgebung innerhalb weniger Stunden zwischen einem Top-Loading-Austauschgasmodul und einem Vakuummodul wechseln – eine Anordnung, die eine vielseitige kryogene Kühlung gewährleistet, um sich an die oft widersprüchliche Forschung anzupassen Prioritäten in geschäftigen Labors.
Im Einzelnen handelt es sich bei dem Top-Loading-Austauschgasmodul um ein patentiertes Design, das einen Probenwechsel ohne Erwärmung des Hauptkörpers des Kryostaten ermöglicht und somit eine Abkühlzeit der Probe von 2 h ermöglicht. Probenmanipulation und -drehung sind ebenfalls in bis zu sechs Achsen zusammen mit einem optischen Zugang mit hoher numerischer Apertur und Magnetfeldern bis zu 9 T möglich.
Das Proben-im-Vakuum-Modul enthält eine Kühlplatte mit 150 mm Durchmesser, auf der die Probe montiert wird (mit direkter thermischer Verbindung zum Kryostaten). Der Zugang zum Probenraum erfolgt durch Anheben der äußeren Vakuumplatte und des Strahlungsschilds, während das Top-Loading-Probenmodul (eine sondenbasierte Einheit) Probenwechsel ermöglicht, ohne das gesamte System aufzuheizen. Die Integration von Niedertemperatur-Nanopositionierern und bis zu drei Objektiven erleichtert die Probenbewegung und -manipulation.
„Der Kryostat ist wirklich für zwei verschiedene Arten von Experimenten ausgelegt – unter Austauschgas und unter Vakuum“, bemerkt Kelly. „Das Austauschgas ermöglicht schnelle Durchlaufzeiten und vorläufige Probenstudien, die meistens eine Vorstufe für länger andauernde Experimente [Tage oder sogar Wochen] unter Vakuum sind.“
Magnetismus nach Maß
Abgesehen von der Kühlung sind supraleitende Magnete ein wesentlicher Bestandteil des DRY ICE DYAD-Systems, wobei ICEoxford eine Reihe von Solenoid-, Split-Pair- und Vektorrotationsmagneten mit einer Feldstärke von bis zu 9 T anbietet. Während Untersuchungen magnetischer Eigenschaften bei ultratiefen Temperaturen eine Selbstverständlichkeit sind, wollen viele Wissenschaftler gleichzeitig optische Untersuchungen ihrer Materialien durchführen – nicht so einfach, wenn die Probe in der großen Spule eines Solenoidmagneten sitzt.
Eine Möglichkeit besteht beispielsweise darin, die Probe in die Bohrung eines Split-Pair-Magneten zu laden, um Laserspektroskopie-Experimente im Transmissions- oder Reflexionsmodus zu ermöglichen. Die Verwendung von Zwei- oder Drei-Wege-Vektorrotationsmagneten bietet weitere Flexibilität, wobei letztere in der Lage sind, ein Magnetfeld in drei diskreten Richtungen zu erzeugen. Auf diese Weise ist es möglich, die Probe stationär zu halten, während das Magnetfeld um sie herum variiert wird – ein Schlüsselmerkmal, wenn eine bestimmte Ebene innerhalb eines Kristallgitters untersucht wird oder wenn die durch die Probenrotation erzeugte Wärme eine Störquelle für kleine Messungen darstellt elektrische Leitfähigkeitsmessungen.
Ein weiteres bemerkenswertes Merkmal des DRY ICE DYAD ist die Betonung der Automatisierung mit LabVIEW-basierter Software zur Steuerung und Überwachung der Temperatur. „Dies wurde mit Blick auf den Kunden entwickelt“, schließt Kelly, „um die Einrichtungs- und Durchlaufzeit des Systems zu verkürzen und gleichzeitig die Laborproduktivität zu steigern.“ Darüber hinaus ist es möglich, der Software Funktionen hinzuzufügen, wie z. B. eine integrierte Steuerung für den supraleitenden Magneten sowie die Automatisierung der Top-Load- und Sondenabkühlung.
Spezifische Anpassungen umfassen eine Option für bis zu sechs zusätzliche Ports rund um das optische System, damit Endbenutzer je nach Bedarf DC-Verkabelung, Koaxialkabel oder Glasfasern integrieren können. Benutzer können auch bis zu fünf optische Fenster mit unterschiedlichen Durchmessern in einer Reihe von Materialien anfordern.
„Die Produktinnovation geht mit dem DRY ICE DYAD weiter“, schließt Kelly. „Auf der Entwicklungs-Roadmap haben wir bereits 1.6 K und 1.5 K Basistemperatur im Visier.“
