יציבות, גמישות, פרודוקטיביות: אספקת חדשנות ממוקדת משתמש בקריוגניקה

בעוד הכספית הגיעה לשיאים בבריטניה במהלך הקיץ, מהנדסי פיתוח ב ICEoxford הושלכו בקרירות של מעבדת המו"פ, מה שהביא את פריחת הגימור להצעה האחרונה של החברה עבור משטרי טמפרטורות נמוכות במיוחד. המוצר המדובר, ה DRY ICE DYAD, היא מערכת קריוסטטית במחזור סגור המסוגלת להתקרר לטמפרטורת בסיס של 1.7 K תוך מתן בידוד רטט חדשני ואפשרויות גישה אופטית גמישות לחלל המדגם.

לצורך ההקשר, כישורי הליבה של ICEoxford הוא תכנון ופיתוח של מערכות קריוגניות מתקדמות לתמיכה במחקרים ניסיוניים על פני יישומים מגוונים במדעי הפיזיקה - ממחשוב קוונטי ואופטיקה קוונטית ועד מוליכות-על בטמפרטורה גבוהה ומיקרוסקופ בדיקה סריקה (SPM). עם זאת, מה שמייחד את החברה הוא התמקדות בלתי פוסקת בשירות לקוחות ובחדשנות שיתופית, טוען פול קלי, מנהל טכני ראשי ב-ICEoxford. "באופן אחר", הוא מוסיף, "אנחנו עובדים ישירות עם מדענים כדי להבין את הדרישות שלהם ברמה פרטנית, נותנים להם ביטחון שאנחנו יכולים לספק את המערכת האופטימלית לעומת התקציב והמפרט הטכני שלהם".

מתן עדיפות ליציבות וגמישות

מודל שיתופי זה של פיתוח מוצר עומד בבסיס המפרט הטכני של DRY ICE DYAD - לא מעט בכל הנוגע לביצועי רטט אולטרה-נמוכים (בפחות מ-10 ננומטר). המפתח להצלחה כאן הוא יחידת המדגם מוחזקת בנפרד על שולחן אופטי, כך שהיא מבודדת מהראש הקר ומהגוף הראשי של הקרוסטט (ומחוברת רק על ידי קישור תרמי רך כדי להפחית עוד יותר את הרטט). "גישת התכנון שלנו היא לנתק את הקרוסטט לחלוטין מסביבת המדגם", מסביר קלי. "הקריוסטט יושב על רצפת המעבדה, כאשר חלל הדגימה ממוקם על השולחן האופטי הסמוך."

למעשה, יציבות מספקת את אחד מהנושאים העיצוביים המקיפים של DRY ICE DYAD. "למרות שלכולם המדעיים שלנו יש דרישות ייחודיות", מציין קלי, "כולם מחפשים בסופו של דבר יציבות לאורך שלוש קואורדינטות עיקריות. חשבו על יציבות ואקום - שואב נקי ואמין. תחשוב על יציבות טמפרטורה - מטמפרטורת הבסיס הנמוכה מאוד ועד 300 K. תחשוב על יציבות מכנית - כי במחקר קוונטי אפילו הרעידות הקטנות ביותר עלולות לגרום להשפעות הקוונטיות להיכשל".

גמישות תפעולית היא שיקול עיצובי נוסף שנמצא בראש ובראשונה ב-DRY ICE DYAD. דוגמה לכך: משתמש הקצה יכול להחליף את סביבת חלל המדגם בין מודול גז חליפין בעל טעינה עליונה למודול ואקום בתוך כמה שעות - סידור המבטיח קירור קריוגני רב-תכליתי כדי ליישר קו עם המחקר המתנגש לעתים קרובות סדרי עדיפויות במעבדות עמוסות.

במונחים של פרטים, מודול הגז החליפין בעל הטעינה העליונה הוא עיצוב פטנט המאפשר לשנות את הדגימה מבלי לחמם את הגוף הראשי של הקרוסטט, ובכך לאפשר זמן קירור מדגם של 2 שעות. מניפולציה וסיבוב לדוגמה אפשריים גם עד שישה צירים יחד עם גישה אופטית בעלת צמצם מספרי גבוה ושדות מגנטיים של עד 9 T.

בינתיים, מודול המדגם בוואקום כולל פלטה קרה בקוטר 150 מ"מ שעליה מותקן המדגם (עם קישור תרמי ישיר לקריסטט). ניתן לגשת לחלל הדגימה על ידי הרמת לוחית הוואקום החיצונית ומגן הקרינה, בעוד שמודול הדגימה הנטען העליון (יחידה מבוססת בדיקה) מאפשר שינויי דגימה מבלי לחמם את המערכת כולה. שילוב של ננו-פוזיציונים בטמפרטורה נמוכה ועד שלוש מטרות מקל על תנועה ומניפולציה של מדגם.

"הקריוסטט באמת מוגדר לטפל בשני סוגים שונים של ניסויים - תחת גז חליפין ותחת ואקום", מציין קלי. "גז החליפין מאפשר תפנית מהירה ומחקרי מדגם ראשוניים שהם, לעתים קרובות יותר, מבשר לניסויים ארוכים יותר [ימים או אפילו שבועות] תחת ואקום."

מגנטיות לפי מידה

מלבד קירור, מגנטים מוליכים-על הם חלק בלתי נפרד ממערכת DRY ICE DYAD, כאשר ICEoxford מציעה מגוון מגנטים של סולנואידים, מגנטים מפוצלים ומסתובבים וקטוריים עד לעוצמת שדה של 9 T. בעוד שמחקרים של תכונות מגנטיות בטמפרטורות נמוכות במיוחד הם דבר מובן מאליו, מדענים רבים רוצים גם לבצע חקירות אופטיות בו-זמנית של החומרים שלהם - לא כל כך קל אם הדגימה יושבת בתוך הסליל הגדול של מגנט סולנואיד.

אפשרות אחת, למשל, היא לטעון את המדגם לתוך הקדח של מגנט מפוצל זוג כדי לאפשר ניסויים בספקטרוסקופיה בלייזר במצב שידור או השתקפות. השימוש במגנטים לסיבוב וקטור דו או תלת כיווני מספק גמישות נוספת, כשהאחרונים מסוגלים ליצור שדה מגנטי בשלושה כיוונים נפרדים. בדרך זו, ניתן לשמור על הדגימה נייחת בזמן שהשדה המגנטי משתנה סביבו - תכונה מרכזית בעת לימוד מישור מסוים בתוך סריג גביש או אם החום הנוצר מסיבוב הדגימה מהווה מקור הפרעה בקנה מידה קטן מדידות מוליכות חשמלית.

תכונה בולטת נוספת של DRY ICE DYAD היא הדגש על אוטומציה, עם תוכנה מבוססת LabVIEW המשמשת לשליטה וניטור הטמפרטורה. "זה פותח תוך מחשבה על הלקוח", מסכם קלי, "כדי לצמצם את זמן ההקמה והסבה של המערכת תוך הגדלת פרודוקטיביות המעבדה". יתרה מכך, ניתן להוסיף תכונות לתוכנה כמו בקרה משולבת למגנט המוליך-על וכן אוטומציה של הטעינה העליונה וצינון הבדיקה.

התאמות אישיות ספציפיות כוללות אפשרות של עד שש יציאות נוספות מסביב למערכת האופטית כדי לאפשר למשתמשי קצה לשלב חיווט DC, כבלי קואקס או סיבים אופטיים לפי הצורך. משתמשים יכולים גם לבקש עד חמישה חלונות אופטיים בקוטר משתנה במגוון חומרים.

"חדשנות המוצר נמשכת עם DRY ICE DYAD", מסכם קלי. "כבר יש לנו טמפרטורות בסיס של 1.6 K ו-1.5 K על הכוונת שלנו על מפת הדרכים לפיתוח."