Le prestazioni a vibrazioni ultraridotte e la flessibilità operativa definiscono le caratteristiche dell'ultimo criostato a ciclo chiuso di ICEoxford
Mentre il mercurio toccava livelli record nel Regno Unito durante l'estate, gli ingegneri di sviluppo di ICE Oxford sono stati rintanati al fresco del laboratorio di ricerca e sviluppo, dando il tocco finale all'ultima offerta dell'azienda per regimi di temperatura ultrabassa. Il prodotto in questione, il DIADE DEL GHIACCIO SECCO, è un sistema criostato a ciclo chiuso in grado di raffreddarsi fino a una temperatura di base di 1.7 K, fornendo allo stesso tempo un isolamento dalle vibrazioni all'avanguardia e opzioni flessibili di accesso ottico allo spazio del campione.
Per contesto, la competenza principale di ICEoxford è la progettazione e lo sviluppo di sistemi criogenici di fascia alta per supportare studi sperimentali in diverse applicazioni nell'ambito delle scienze fisiche: dall'informatica quantistica e dall'ottica quantistica alla superconduttività ad alta temperatura e alla microscopia con sonda a scansione (SPM). Ciò che distingue l’azienda, tuttavia, è un’attenzione incessante al servizio clienti e all’innovazione collaborativa, afferma Paul Kelly, direttore tecnico di ICEoxford. “In altre parole”, aggiunge, “lavoriamo direttamente con gli scienziati per comprendere le loro esigenze a livello granulare, dando loro la certezza che possiamo fornire il sistema ottimale rispetto al loro budget e alle loro specifiche tecniche”.
Dare priorità alla stabilità e alla flessibilità
Questo modello collaborativo di sviluppo del prodotto è alla base delle specifiche tecniche del DRY ICE DYAD, anche per quanto riguarda le prestazioni a vibrazioni ultrabasse (a <10 nm). La chiave del successo in questo caso è che l'unità campione viene tenuta separatamente su un tavolo ottico, in modo tale da essere isolata dalla testa fredda e dal corpo principale del criostato (e collegata solo da un collegamento termico morbido per ridurre ulteriormente le vibrazioni). "Il nostro approccio progettuale consiste nel disaccoppiare completamente il criostato dall'ambiente del campione", spiega Kelly. "Il criostato si trova sul pavimento del laboratorio, con lo spazio per i campioni situato sul tavolo ottico adiacente."
In effetti, la stabilità fornisce uno dei temi progettuali generali del DRY ICE DYAD. “Sebbene i nostri clienti scientifici abbiano tutti requisiti unici”, osserva Kelly, “alla fine cercano tutti la stabilità lungo tre coordinate principali. Pensa alla stabilità del vuoto: un vuoto pulito e affidabile. Pensa alla stabilità della temperatura, dalla temperatura di base molto bassa fino a 300 K. Pensa alla stabilità meccanica, perché nella ricerca quantistica anche le vibrazioni più piccole possono far fallire gli effetti quantistici.
La flessibilità operativa è un’altra considerazione di progettazione che è al centro del DRY ICE DYAD. Un esempio calzante: l'utente finale può cambiare l'ambiente dello spazio campione tra un modulo di scambio di gas a caricamento dall'alto e un modulo di vuoto entro un paio d'ore: una soluzione che garantisce un raffreddamento criogenico versatile per allinearsi alla ricerca spesso contrastante priorità nei laboratori affollati.
In termini di specifiche, il modulo di scambio gas a caricamento dall'alto è un design brevettato che consente di cambiare il campione senza riscaldare il corpo principale del criostato, consentendo così un tempo di raffreddamento del campione di 2 ore. Sono inoltre possibili la manipolazione e la rotazione dei campioni fino a sei assi insieme all'accesso ottico ad elevata apertura numerica e campi magnetici fino a 9 T.
Nel frattempo, il modulo campione sotto vuoto include una piastra fredda del diametro di 150 mm su cui è montato il campione (con un collegamento termico diretto al criostato). Si accede allo spazio campione sollevando la piastra esterna del vuoto e lo schermo antiradiazioni, mentre il modulo campione a caricamento superiore (un'unità basata su sonda) consente la sostituzione del campione senza riscaldare l'intero sistema. L'integrazione di nanoposizionatori a bassa temperatura e di un massimo di tre obiettivi facilita il movimento e la manipolazione del campione.
"Il criostato è realmente configurato per gestire due diversi tipi di esperimenti: con scambio di gas e sotto vuoto", osserva Kelly. "Lo scambio di gas consente tempi rapidi e studi preliminari sui campioni che, nella maggior parte dei casi, sono un precursore di esperimenti di lunga durata [giorni o addirittura settimane] sotto vuoto."
Magnetismo su misura
Raffreddamento a parte, i magneti superconduttori sono parte integrante del sistema DRY ICE DYAD, con ICEoxford che offre una gamma di magneti a solenoide, a coppia divisa e a rotazione vettoriale con un'intensità di campo fino a 9 T. Sebbene gli studi sulle proprietà magnetiche a temperature ultrabasse siano un dato di fatto, molti scienziati vogliono anche svolgere indagini ottiche simultanee sui loro materiali, cosa non così semplice se il campione si trova all’interno della grande bobina di un magnete a solenoide.
Un'opzione, ad esempio, è quella di caricare il campione nel foro di un magnete a coppia divisa per consentire esperimenti di spettroscopia laser in modalità di trasmissione o riflessione. L'uso di magneti a rotazione vettoriale a due o tre vie fornisce ulteriore flessibilità, con questi ultimi in grado di generare un campo magnetico in tre direzioni discrete. In questo modo, è possibile mantenere il campione fermo mentre il campo magnetico viene variato attorno ad esso – una caratteristica fondamentale quando si studia un piano specifico all’interno di un reticolo cristallino o se il calore generato dalla rotazione del campione è fonte di interferenza per esperimenti su piccola scala. misure di conducibilità elettrica.
Un'altra caratteristica degna di nota del DRY ICE DYAD è l'enfasi sull'automazione, con il software basato su LabVIEW utilizzato per controllare e monitorare la temperatura. "Questo è stato sviluppato pensando al cliente", conclude Kelly, "per ridurre i tempi di installazione e consegna del sistema, aumentando al tempo stesso la produttività del laboratorio." Inoltre, è possibile aggiungere funzionalità al software come il controllo integrato del magnete superconduttore e l'automazione del carico superiore e del raffreddamento della sonda.
Le personalizzazioni specifiche includono un'opzione per un massimo di sei porte aggiuntive attorno al sistema ottico per consentire agli utenti finali di integrare cablaggio CC, cavi coassiali o fibre ottiche in base alle necessità. Gli utenti possono anche richiedere fino a cinque finestre ottiche di diametro variabile in una gamma di materiali.
“L’innovazione del prodotto è in corso con DRY ICE DYAD”, conclude Kelly. "Nella tabella di marcia dello sviluppo abbiamo già nel mirino temperature di base di 1.6 K e 1.5 K."
