Ultra-trillingsarme prestaties en operationele flexibiliteit zijn kenmerkende kenmerken van de nieuwste cryostaat met gesloten cyclus van ICEoxford
Terwijl het kwik deze zomer recordhoogtes bereikte in het VK, ontwikkelden ontwikkelingsingenieurs van ICEoxford werden gebunkerd in de koelte van het R&D-laboratorium, wat de finishing touch gaf aan het nieuwste aanbod van het bedrijf voor ultralage-temperatuurregimes. Het product in kwestie, de DROOG IJS DYAD, is een cryostaatsysteem met gesloten cyclus dat kan afkoelen tot een basistemperatuur van 1.7 K en tegelijkertijd geavanceerde trillingsisolatie en flexibele optische toegang tot de monsterruimte biedt.
Voor de context is de kerncompetentie van ICEoxford het ontwerpen en ontwikkelen van hoogwaardige cryogene systemen ter ondersteuning van experimentele studies over diverse toepassingen binnen de natuurwetenschappen - van kwantumcomputers en kwantumoptica tot supergeleiding bij hoge temperaturen en scanning probe microscopie (SPM). Wat het bedrijf echter onderscheidt, is een niet-aflatende focus op klantenservice en gezamenlijke innovatie, beweert Paul Kelly, technisch directeur bij ICEoxford. "Anders gezegd," voegt hij eraan toe, "we werken rechtstreeks samen met wetenschappers om hun vereisten op een gedetailleerd niveau te begrijpen, waardoor ze erop kunnen vertrouwen dat we het optimale systeem kunnen leveren in vergelijking met hun budget en technische specificaties."
Prioriteit geven aan stabiliteit en flexibiliteit
Dat samenwerkingsmodel van productontwikkeling vormt de basis voor de technische specificaties van de DRY ICE DYAD - niet in het minst als het gaat om prestaties met ultralage trillingen (bij <10 nm). De sleutel tot succes hier is dat de monstereenheid afzonderlijk op een optische tafel wordt gehouden, zodat deze is geïsoleerd van de koude kop en het hoofdlichaam van de cryostaat (en alleen verbonden door een zachte thermische verbinding om trillingen verder te verminderen). "Onze ontwerpaanpak is om de cryostaat volledig los te koppelen van de monsteromgeving", legt Kelly uit. "De cryostaat staat op de laboratoriumvloer, met de monsterruimte op de aangrenzende optische tafel."
Stabiliteit vormt zelfs een van de overkoepelende ontwerpthema's van de DRY ICE DYAD. "Terwijl onze wetenschappelijke klanten allemaal unieke eisen hebben", merkt Kelly op, "zijn ze uiteindelijk allemaal op zoek naar stabiliteit langs drie hoofdcoördinaten. Denk aan vacuümstabiliteit - een schone, betrouwbare stofzuiger. Denk aan temperatuurstabiliteit – van de zeer lage basistemperatuur tot 300 K. Denk aan mechanische stabiliteit – want in kwantumonderzoek kunnen zelfs de kleinste trillingen ervoor zorgen dat de kwantumeffecten mislukken.”
Operationele flexibiliteit is een andere ontwerpoverweging die centraal staat in de DRY ICE DYAD. Een voorbeeld: de eindgebruiker kan de monsterruimte-omgeving binnen een paar uur schakelen tussen een bovenlader-uitwisselingsgasmodule en een vacuümmodule - een opstelling die zorgt voor veelzijdige cryogene koeling om aan te sluiten bij het vaak tegenstrijdige onderzoek prioriteiten in drukke laboratoria.
Wat de specificaties betreft, is de uitwisselingsgasmodule van bovenaf een gepatenteerd ontwerp waarmee het monster kan worden verwisseld zonder het hoofdgedeelte van de cryostaat te verwarmen, waardoor een afkoeltijd van het monster van 2 uur mogelijk is. Monstermanipulatie en -rotatie zijn ook mogelijk in maximaal zes assen, samen met optische toegang met een hoog numeriek diafragma en magnetische velden tot 9 T.
Ondertussen bevat de monster-in-vacuümmodule een koude plaat met een diameter van 150 mm waarop het monster is gemonteerd (met een directe thermische link naar de cryostaat). De monsterruimte is toegankelijk door de buitenste vacuümplaat en het stralingsscherm op te tillen, terwijl de monstermodule met bovenlader (een op een sonde gebaseerde eenheid) monsterwisselingen mogelijk maakt zonder het hele systeem op te warmen. Integratie van nanopositioners bij lage temperatuur en maximaal drie doelstellingen vergemakkelijkt monsterverplaatsing en manipulatie.
"De cryostaat is echt ingesteld om twee verschillende soorten experimenten aan te kunnen - onder uitwisselingsgas en onder vacuüm", merkt Kelly op. "Het uitwisselingsgas maakt een snelle doorlooptijd en voorlopige monsterstudies mogelijk die, vaker wel dan niet, een voorbode zijn van experimenten met een langere duur [dagen of zelfs weken] onder vacuüm."
Magnetisme op maat
Afgezien van de koeling vormen supergeleidende magneten een integraal onderdeel van het DRY ICE DYAD-systeem, waarbij ICEoxford een reeks solenoïde-, split-pair- en vectorrotate-magneten tot 9 T veldsterkte biedt. Hoewel studies van magnetische eigenschappen bij ultralage temperaturen een gegeven zijn, willen veel wetenschappers ook gelijktijdig optisch onderzoek van hun materialen uitvoeren - niet zo eenvoudig als het monster in de grote spoel van een magneetmagneet zit.
Een optie is bijvoorbeeld om het monster in de boring van een split-pair magneet te laden om laserspectroscopie-experimenten in transmissie- of reflectiemodus mogelijk te maken. Het gebruik van twee- of drieweg vectorrotatiemagneten zorgt voor nog meer flexibiliteit, waarbij de laatste in staat is om een magnetisch veld in drie discrete richtingen te genereren. Op deze manier is het mogelijk om het monster stationair te houden terwijl het magnetische veld eromheen wordt gevarieerd - een belangrijk kenmerk bij het bestuderen van een specifiek vlak in een kristalrooster of als de warmte die wordt gegenereerd door monsterrotatie een storingsbron is voor kleinschalige elektrische geleidbaarheidsmetingen.
Een ander opvallend kenmerk van de DRY ICE DYAD is de nadruk op automatisering, met op LabVIEW gebaseerde software die wordt gebruikt om de temperatuur te regelen en te bewaken. "Dit is ontwikkeld met de klant in gedachten", besluit Kelly, "om de installatie- en doorlooptijd van het systeem te verkorten en tegelijkertijd de laboratoriumproductiviteit te verhogen." Bovendien is het mogelijk om functies aan de software toe te voegen, zoals een geïntegreerde besturing van de supergeleidende magneet en het automatiseren van de topload en het afkoelen van de sonde.
Specifieke aanpassingen omvatten een optie voor maximaal zes extra poorten rond het optische systeem, zodat eindgebruikers naar behoefte DC-bedrading, coaxkabels of optische vezels kunnen integreren. Gebruikers kunnen ook maximaal vijf optische vensters van verschillende diameters in een reeks materialen aanvragen.
"Productinnovatie is aan de gang met de DRY ICE DYAD", besluit Kelly. "We hebben al een basistemperatuur van 1.6 K en 1.5 K in het vizier op de ontwikkelingsroutekaart."
