Ultralav vibrasjonsytelse og operasjonsfleksibilitet definerer funksjonene til ICEoxfords siste lukkede syklus kryostat
Mens kvikksølvet nådde rekordhøyder i Storbritannia i løpet av sommeren, har utviklingsingeniører på ICEoxford ble bunkret ned i det kjølige FoU-laboratoriet, noe som satte etterbehandlingen til selskapets siste tilbud for ultralave temperaturregimer. Det aktuelle produktet, den TØRRIS DYAD, er et lukket syklus kryostatsystem som er i stand til å kjøle ned til en 1.7 K basistemperatur samtidig som det gir banebrytende vibrasjonsisolasjon og fleksible optiske tilgangsalternativer til prøverommet.
For kontekst er ICEoxfords kjernekompetanse design og utvikling av avanserte kryogene systemer for å støtte eksperimentelle studier på tvers av ulike applikasjoner innenfor de fysiske vitenskapene – fra kvanteberegning og kvanteoptikk til høytemperatursuperledning og skanningsprobemikroskopi (SPM). Det som imidlertid skiller selskapet ut, er et nådeløst fokus på kundeservice og samarbeidende innovasjon, hevder Paul Kelly, teknisk sjef hos ICEoxford. "Med andre ord," legger han til, "vi jobber direkte med forskere for å forstå kravene deres på et detaljert nivå, noe som gir dem tillit til at vi kan levere det optimale systemet i forhold til deres budsjett og tekniske spesifikasjoner."
Prioriter stabilitet og fleksibilitet
Denne samarbeidsmodellen for produktutvikling underbygger de tekniske spesifikasjonene til DRY ICE DYAD – ikke minst når det gjelder ytelse med ultralav vibrasjon (ved <10 nm). Nøkkelen til suksess her er at prøveenheten holdes separat på et optisk bord, slik at den er isolert fra det kalde hodet og hoveddelen av kryostaten (og bare koblet sammen med en myk termisk kobling for å redusere vibrasjonen ytterligere). "Vår designtilnærming er å koble kryostaten fullstendig fra prøvemiljøet," forklarer Kelly. "Kryostaten sitter på laboratoriegulvet, med prøverommet plassert på det tilstøtende optiske bordet."
Faktisk gir stabilitet et av de overordnede designtemaene til DRY ICE DYAD. "Selv om våre vitenskapelige kunder alle har unike krav," bemerker Kelly, "søker de alle til slutt etter stabilitet langs tre hovedkoordinater. Tenk på vakuumstabilitet – en ren, pålitelig støvsuger. Tenk på temperaturstabilitet – fra den svært lave grunntemperaturen opp til 300 K. Tenk på mekanisk stabilitet – for i kvanteforskning kan selv de minste vibrasjoner føre til at kvanteeffektene svikter.»
Driftsfleksibilitet er en annen designhensyn som står i sentrum i DRY ICE DYAD. Et eksempel: sluttbrukeren kan bytte prøveromsmiljøet mellom en toppladet utvekslingsgassmodul og en vakuummodul innen et par timer – en ordning som sikrer allsidig kryogen kjøling for å tilpasse seg den ofte motstridende forskningen prioriteringer i travle laboratorier.
Når det gjelder spesifikasjoner, er den toppladede utvekslingsgassmodulen en patentert design som gjør at prøven kan endres uten å varme opp hoveddelen av kryostaten, og dermed muliggjøre en 2 timers prøveavkjølingstid. Prøvemanipulering og rotasjon er også mulig i opptil seks akser sammen med optisk tilgang med høy numerisk blenderåpning og magnetiske felt opptil 9 T.
I mellomtiden inkluderer prøve-i-vakuum-modulen en 150 mm diameter kald plate som prøven er montert på (med en direkte termisk kobling til kryostaten). Prøverommet er tilgjengelig ved å løfte den ytre vakuumplaten og strålingsskjoldet, mens den toppladede prøvemodulen (en sondebasert enhet) muliggjør prøvebytte uten å varme opp hele systemet. Integrasjon av lavtemperatur nanoposisjonere og opptil tre objektiver letter prøvebevegelse og manipulering.
"Kryostaten er virkelig satt opp for å håndtere to forskjellige typer eksperimenter - under utvekslingsgass og under vakuum," bemerker Kelly. "Utvekslingsgassen tillater rask behandlingstid og foreløpige prøvestudier som oftere enn ikke er en forløper til eksperimenter med lengre varighet [dager eller til og med uker] under vakuum."
Skreddersydd magnetisme
Avkjølende, superledende magneter er en integrert del av DRY ICE DYAD-systemet, med ICEoxford som tilbyr en rekke solenoider, split-pair og vektorroterende magneter opp til 9 T feltstyrke. Mens studier av magnetiske egenskaper ved ultralave temperaturer er gitt, ønsker mange forskere også å utføre samtidige optiske undersøkelser av materialene deres - ikke så lett hvis prøven sitter innenfor den store spolen til en magnetmagnet.
Et alternativ, for eksempel, er å laste prøven inn i boringen til en delt-parmagnet for å tillate laserspektroskopi-eksperimenter i transmisjons- eller refleksjonsmodus. Bruken av to- eller treveis vektorroterende magneter gir ytterligere fleksibilitet, med sistnevnte i stand til å generere et magnetfelt i tre diskrete retninger. På denne måten er det mulig å holde prøven stasjonær mens magnetfeltet varieres rundt den – en nøkkelfunksjon når man studerer et spesifikt plan innenfor et krystallgitter eller hvis varmen som genereres ved prøverotasjon er en kilde til interferens for småskala målinger av elektrisk ledningsevne.
En annen bemerkelsesverdig funksjon ved DRY ICE DYAD er vektleggingen av automatisering, med LabVIEW-basert programvare som brukes til å kontrollere og overvåke temperatur. "Dette er utviklet med kunden i tankene," konkluderer Kelly, "for å redusere oppsett- og omløpstiden for systemet samtidig som laboratorieproduktiviteten øker." Dessuten er det mulig å legge til funksjoner i programvaren som integrert kontroll for den superledende magneten samt automatisering av topplast og nedkjøling av sonden.
Spesifikke tilpasninger inkluderer et alternativ for opptil seks ekstra porter rundt det optiske systemet for å gjøre det mulig for sluttbrukere å integrere DC-ledninger, koaksialkabler eller optiske fibre etter behov. Brukere kan også be om opptil fem optiske vinduer med varierende diameter i en rekke materialer.
"Produktinnovasjon pågår med DRY ICE DYAD," konkluderer Kelly. "Vi har allerede 1.6 K og 1.5 K basistemperaturer i sikte på utviklingsveikartet."
