Les performances à très faibles vibrations et la flexibilité opérationnelle définissent les caractéristiques du dernier cryostat à cycle fermé d'ICEoxford
Alors que le mercure atteignait des records au Royaume-Uni cet été, les ingénieurs de développement de ICEoxford ont été entassés dans la fraîcheur du laboratoire de R&D, mettant la touche finale à la dernière offre de la société pour les régimes à très basse température. Le produit en question, le DYADE DE GLACE SÈCHE, est un système de cryostat à cycle fermé capable de refroidir à une température de base de 1.7 K tout en offrant une isolation antivibratoire de pointe et des options d'accès optique flexibles à l'espace échantillon.
Pour le contexte, la compétence principale d'ICEoxford est la conception et le développement de systèmes cryogéniques haut de gamme pour soutenir des études expérimentales dans diverses applications des sciences physiques - de l'informatique quantique et de l'optique quantique à la supraconductivité à haute température et à la microscopie à sonde à balayage (SPM). Cependant, ce qui distingue l'entreprise, c'est l'accent mis sans relâche sur le service client et l'innovation collaborative, affirme Paul Kelly, directeur technique chez ICEoxford. "En d'autres termes", ajoute-t-il, "nous travaillons directement avec les scientifiques pour comprendre leurs besoins à un niveau granulaire, en leur donnant l'assurance que nous pouvons fournir le système optimal par rapport à leur budget et leurs spécifications techniques."
Privilégier la stabilité et la flexibilité
Ce modèle collaboratif de développement de produits sous-tend les spécifications techniques du DRY ICE DYAD, notamment en ce qui concerne les performances de vibration ultra-faible (à <10 nm). La clé du succès ici est que l'unité d'échantillonnage soit maintenue séparément sur une table optique, de sorte qu'elle soit isolée de la tête froide et du corps principal du cryostat (et connectée uniquement par une liaison thermique souple pour réduire davantage les vibrations). « Notre approche de conception consiste à découpler complètement le cryostat de l'environnement de l'échantillon », explique Kelly. "Le cryostat se trouve sur le sol du laboratoire, avec l'espace échantillon situé sur la table optique adjacente."
En fait, la stabilité est l'un des principaux thèmes de conception de la DRY ICE DYAD. « Alors que nos clients scientifiques ont tous des exigences uniques », note Kelly, « ils recherchent tous en fin de compte la stabilité le long de trois coordonnées principales. Pensez à la stabilité du vide – un aspirateur propre et fiable. Pensez à la stabilité de la température - de la très basse température de base jusqu'à 300 K. Pensez à la stabilité mécanique - car dans la recherche quantique, même les plus petites vibrations peuvent faire échouer les effets quantiques.
La flexibilité opérationnelle est une autre considération de conception qui est à l'avant-plan de la DRY ICE DYAD. Un exemple : l'utilisateur final peut basculer l'environnement de l'espace échantillon entre un module d'échange de gaz à chargement par le haut et un module de vide en quelques heures - un arrangement qui assure un refroidissement cryogénique polyvalent pour s'aligner sur la recherche souvent conflictuelle priorités dans les laboratoires occupés.
En termes de spécificités, le module d'échange de gaz à chargement par le haut est une conception brevetée qui permet de changer l'échantillon sans réchauffer le corps principal du cryostat, permettant ainsi un temps de refroidissement de l'échantillon de 2 h. La manipulation et la rotation des échantillons sont également possibles dans un maximum de six axes avec un accès optique à grande ouverture numérique et des champs magnétiques jusqu'à 9 T.
Pendant ce temps, le module d'échantillon sous vide comprend une plaque froide de 150 mm de diamètre sur laquelle l'échantillon est monté (avec une liaison thermique directe avec le cryostat). L'espace échantillon est accessible en soulevant la plaque à vide externe et l'écran anti-rayonnement, tandis que le module d'échantillon à chargement par le haut (une unité basée sur une sonde) permet de changer d'échantillon sans chauffer l'ensemble du système. L'intégration de nanopositionneurs à basse température et jusqu'à trois objectifs facilite le déplacement et la manipulation des échantillons.
"Le cryostat est vraiment configuré pour gérer deux types d'expériences différents - sous gaz d'échange et sous vide", note Kelly. "Le gaz d'échange permet des délais d'exécution rapides et des études d'échantillons préliminaires qui sont, le plus souvent, un précurseur d'expériences de plus longue durée [des jours ou même des semaines] sous vide."
Magnétisme sur mesure
Mis à part le refroidissement, les aimants supraconducteurs font partie intégrante du système DRY ICE DYAD, ICEoxford proposant une gamme d'aimants solénoïdes, à paires divisées et à rotation vectorielle jusqu'à une intensité de champ de 9 T. Bien que les études des propriétés magnétiques à des températures ultra-basses soient une évidence, de nombreux scientifiques souhaitent également effectuer des recherches optiques simultanées sur leurs matériaux - ce qui n'est pas si facile si l'échantillon est placé dans la grande bobine d'un aimant solénoïde.
Une option, par exemple, consiste à charger l'échantillon dans l'alésage d'un aimant à paires séparées pour permettre des expériences de spectroscopie laser en mode transmission ou réflexion. L'utilisation d'aimants à rotation vectorielle à deux ou trois voies offre une flexibilité supplémentaire, ces derniers étant capables de générer un champ magnétique dans trois directions discrètes. De cette manière, il est possible de maintenir l'échantillon stationnaire pendant que le champ magnétique varie autour de lui - une caractéristique clé lors de l'étude d'un plan spécifique dans un réseau cristallin ou si la chaleur générée par la rotation de l'échantillon est une source d'interférence pour les petites échelles. mesures de conductivité électrique.
Une autre caractéristique notable du DRY ICE DYAD est l'accent mis sur l'automatisation, avec un logiciel basé sur LabVIEW utilisé pour contrôler et surveiller la température. "Ceci a été développé en pensant au client", conclut Kelly, "pour réduire le temps d'installation et d'exécution du système tout en augmentant la productivité du laboratoire." De plus, il est possible d'ajouter des fonctionnalités au logiciel telles que le contrôle intégré de l'aimant supraconducteur ainsi que l'automatisation de la charge supérieure et du refroidissement de la sonde.
Les personnalisations spécifiques incluent une option pour jusqu'à six ports supplémentaires autour du système optique pour permettre aux utilisateurs finaux d'intégrer le câblage CC, les câbles coaxiaux ou les fibres optiques selon les besoins. Les utilisateurs peuvent également demander jusqu'à cinq fenêtres optiques de diamètre variable dans une gamme de matériaux.
"L'innovation produit est en cours avec le DRY ICE DYAD", conclut Kelly. "Nous avons déjà des températures de base de 1.6 K et 1.5 K en vue sur la feuille de route de développement."
