Η απόδοση εξαιρετικά χαμηλών κραδασμών και η λειτουργική ευελιξία είναι καθοριστικά χαρακτηριστικά του τελευταίου κρυοστάτη κλειστού κύκλου της ICEoxford
Ενώ ο υδράργυρος έφτανε σε υψηλά ρεκόρ στο Ηνωμένο Βασίλειο το καλοκαίρι, οι μηχανικοί ανάπτυξης στο ICEoxford φυλάσσονταν κάτω από την ψυχραιμία του εργαστηρίου Έρευνας και Ανάπτυξης, βάζοντας την τελική άνθηση στην τελευταία προσφορά της εταιρείας για συστήματα εξαιρετικά χαμηλών θερμοκρασιών. Το εν λόγω προϊόν, το ΞΗΡΟΣ ΠΑΓΟΣ ΔΥΑΔ, είναι ένα σύστημα κρυοστάτη κλειστού κύκλου ικανό να ψύχει σε θερμοκρασία βάσης 1.7 K, ενώ παρέχει κορυφαία απομόνωση κραδασμών και ευέλικτες επιλογές οπτικής πρόσβασης στο χώρο του δείγματος.
Για το πλαίσιο, η βασική αρμοδιότητα του ICEoxford είναι ο σχεδιασμός και η ανάπτυξη κρυογονικών συστημάτων υψηλών προδιαγραφών για την υποστήριξη πειραματικών μελετών σε διάφορες εφαρμογές στις φυσικές επιστήμες – από κβαντικούς υπολογιστές και κβαντική οπτική έως μικροσκοπία υπεραγωγιμότητας υψηλής θερμοκρασίας και ανιχνευτή σάρωσης (SPM). Αυτό που ξεχωρίζει την εταιρεία, ωστόσο, είναι η αδυσώπητη εστίαση στην εξυπηρέτηση πελατών και τη συνεργατική καινοτομία, ισχυρίζεται ο Paul Kelly, επικεφαλής τεχνικός διευθυντής της ICEoxford. «Με άλλα λόγια», προσθέτει, «συνεργαζόμαστε απευθείας με επιστήμονες για να κατανοήσουμε τις απαιτήσεις τους σε αναλυτικό επίπεδο, δίνοντάς τους σιγουριά ότι μπορούμε να προσφέρουμε το βέλτιστο σύστημα σε σχέση με τον προϋπολογισμό και τις τεχνικές προδιαγραφές τους».
Δίνοντας προτεραιότητα στη σταθερότητα και την ευελιξία
Αυτό το συνεργατικό μοντέλο ανάπτυξης προϊόντος στηρίζει τις τεχνικές προδιαγραφές του DRY ICE DYAD - κυρίως όταν πρόκειται για απόδοση εξαιρετικά χαμηλών κραδασμών (στα <10 nm). Το κλειδί της επιτυχίας εδώ είναι ότι η μονάδα δείγματος κρατιέται χωριστά σε ένα οπτικό τραπέζι, έτσι ώστε να είναι απομονωμένη από την ψυχρή κεφαλή και το κύριο σώμα του κρυοστάτη (και να συνδέεται μόνο με μια μαλακή θερμική σύνδεση για περαιτέρω μείωση των κραδασμών). «Η σχεδιαστική μας προσέγγιση είναι να αποσυνδέσουμε πλήρως τον κρυοστάτη από το περιβάλλον του δείγματος», εξηγεί η Kelly. «Ο κρυοστάτης κάθεται στο πάτωμα του εργαστηρίου, με το χώρο δειγμάτων να βρίσκεται στο διπλανό οπτικό τραπέζι».
Στην πραγματικότητα, η σταθερότητα παρέχει ένα από τα βασικά θέματα σχεδίασης του DRY ICE DYAD. «Ενώ οι επιστημονικοί πελάτες μας έχουν όλοι μοναδικές απαιτήσεις», σημειώνει η Kelly, «τελικά όλοι αναζητούν σταθερότητα σε τρεις κύριες συντεταγμένες. Σκεφτείτε τη σταθερότητα στο κενό – ένα καθαρό, αξιόπιστο κενό. Σκεφτείτε τη σταθερότητα της θερμοκρασίας – από την πολύ χαμηλή θερμοκρασία βάσης έως τους 300 K. Σκεφτείτε τη μηχανική σταθερότητα – γιατί στην κβαντική έρευνα ακόμη και οι μικρότερες δονήσεις μπορούν να προκαλέσουν αποτυχία των κβαντικών φαινομένων».
Η λειτουργική ευελιξία είναι ένα άλλο στοιχείο σχεδιασμού που βρίσκεται μπροστά και στο κέντρο του DRY ICE DYAD. Ένα χαρακτηριστικό παράδειγμα: ο τελικός χρήστης μπορεί να αλλάξει το περιβάλλον δειγματοληψίας μεταξύ μιας μονάδας ανταλλαγής αερίου με φόρτωση κορυφής και μιας μονάδας κενού μέσα σε λίγες ώρες – μια διάταξη που εξασφαλίζει ευέλικτη κρυογονική ψύξη για ευθυγράμμιση με τη συχνά αντικρουόμενη έρευνα προτεραιότητες σε πολυσύχναστα εργαστήρια.
Όσον αφορά τις ιδιαιτερότητες, η μονάδα ανταλλαγής αερίου άνω φόρτωσης είναι μια κατοχυρωμένη με δίπλωμα ευρεσιτεχνίας σχεδιασμός που επιτρέπει την αλλαγή του δείγματος χωρίς να θερμαίνεται το κύριο σώμα του κρυοστάτη, επιτρέποντας έτσι ένα χρόνο ψύξης του δείγματος 2 ωρών. Ο χειρισμός και η περιστροφή του δείγματος είναι επίσης δυνατοί σε έως και έξι άξονες μαζί με οπτική πρόσβαση υψηλού αριθμητικού διαφράγματος και μαγνητικά πεδία έως 9 Τ.
Εν τω μεταξύ, η μονάδα δείγματος σε κενό περιλαμβάνει μια ψυχρή πλάκα διαμέτρου 150 mm στην οποία είναι τοποθετημένο το δείγμα (με απευθείας θερμική σύνδεση με τον κρυοστάτη). Ο χώρος του δείγματος είναι προσβάσιμος ανυψώνοντας την εξωτερική πλάκα κενού και την ασπίδα ακτινοβολίας, ενώ η μονάδα δειγμάτων φόρτωσης από πάνω (μια μονάδα που βασίζεται σε ανιχνευτή) επιτρέπει αλλαγές δειγμάτων χωρίς να θερμαίνει ολόκληρο το σύστημα. Η ενσωμάτωση ρυθμιστών νανοθέσεως χαμηλής θερμοκρασίας και έως και τριών αντικειμένων διευκολύνει την κίνηση και τον χειρισμό του δείγματος.
«Ο κρυοστάτης είναι πραγματικά ρυθμισμένος για να χειρίζεται δύο διαφορετικούς τύπους πειραμάτων – υπό ανταλλαγή αερίου και υπό κενό», σημειώνει η Kelly. «Το αέριο ανταλλαγής επιτρέπει γρήγορη ανάκαμψη και προκαταρκτικές δειγματοληπτικές μελέτες που είναι, τις περισσότερες φορές, πρόδρομος πειραμάτων μεγαλύτερης διάρκειας [ημέρες ή και εβδομάδες] υπό κενό».
Κατασκευασμένος μαγνητισμός στα μέτρα του
Εκτός από την ψύξη, οι υπεραγώγιμοι μαγνήτες αποτελούν αναπόσπαστο μέρος του συστήματος DRY ICE DYAD, με το ICEoxford να προσφέρει μια σειρά μαγνητών ηλεκτρομαγνητικής βαλβίδας, διαχωρισμένου ζεύγους και διανυσματικών περιστρεφόμενων μαγνητών έως και 9 Τ. Ενώ οι μελέτες μαγνητικών ιδιοτήτων σε εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες είναι δεδομένες, πολλοί επιστήμονες θέλουν επίσης να πραγματοποιήσουν ταυτόχρονες οπτικές έρευνες των υλικών τους – όχι τόσο εύκολο εάν το δείγμα βρίσκεται μέσα στο μεγάλο πηνίο ενός μαγνήτη σωληνοειδούς.
Μια επιλογή, για παράδειγμα, είναι η φόρτωση του δείγματος στην οπή ενός μαγνήτη διαχωρισμένου ζεύγους για να επιτραπούν πειράματα φασματοσκοπίας λέιζερ σε λειτουργία μετάδοσης ή ανάκλασης. Η χρήση μαγνητών με διανυσματική περιστροφή δύο ή τριών κατευθύνσεων παρέχει περαιτέρω ευελιξία, με τους τελευταίους να μπορούν να δημιουργούν μαγνητικό πεδίο σε τρεις διακριτές κατευθύνσεις. Με αυτόν τον τρόπο, είναι δυνατό να παραμείνει το δείγμα ακίνητο ενώ το μαγνητικό πεδίο μεταβάλλεται γύρω του - ένα βασικό χαρακτηριστικό κατά τη μελέτη ενός συγκεκριμένου επιπέδου μέσα σε ένα κρυσταλλικό πλέγμα ή εάν η θερμότητα που παράγεται από την περιστροφή του δείγματος είναι πηγή παρεμβολής για μικρής κλίμακας μετρήσεις ηλεκτρικής αγωγιμότητας.
Ένα άλλο αξιοσημείωτο χαρακτηριστικό του DRY ICE DYAD είναι η έμφαση στον αυτοματισμό, με λογισμικό που βασίζεται στο LabVIEW που χρησιμοποιείται για τον έλεγχο και την παρακολούθηση της θερμοκρασίας. «Αυτό αναπτύχθηκε με γνώμονα τον πελάτη», καταλήγει η Kelly, «για να μειωθεί ο χρόνος εγκατάστασης και ο χρόνος διεκπεραίωσης του συστήματος αυξάνοντας παράλληλα την παραγωγικότητα του εργαστηρίου». Επιπλέον, είναι δυνατή η προσθήκη λειτουργιών στο λογισμικό, όπως ο ενσωματωμένος έλεγχος για τον υπεραγώγιμο μαγνήτη, καθώς και η αυτοματοποίηση του άνω φορτίου και της ψύξης του ανιχνευτή.
Οι συγκεκριμένες προσαρμογές περιλαμβάνουν μια επιλογή για έως και έξι πρόσθετες θύρες γύρω από το οπτικό σύστημα για να επιτρέψουν στους τελικούς χρήστες να ενσωματώσουν καλωδιώσεις DC, ομοαξονικά καλώδια ή οπτικές ίνες ανάλογα με τις ανάγκες. Οι χρήστες μπορούν επίσης να ζητήσουν έως και πέντε οπτικά παράθυρα διαφορετικής διαμέτρου σε μια σειρά υλικών.
«Η καινοτομία προϊόντων συνεχίζεται με το DRY ICE DYAD», καταλήγει η Kelly. «Έχουμε ήδη 1.6 K και 1.5 K βασικές θερμοκρασίες στο στόχαστρό μας στον οδικό χάρτη ανάπτυξης».
