Bardzo niski poziom wibracji i elastyczność operacyjna definiują cechy najnowszego kriostatu ICEoxford o obiegu zamkniętym
Podczas gdy latem poziom rtęci w Wielkiej Brytanii osiągał rekordowy poziom, inżynierowie ds. rozwoju w ICEoxford zostały schowane w chłodnym laboratorium badawczo-rozwojowym, umieszczając ozdoby wykończeniowe w najnowszej ofercie firmy w zakresie reżimów ultraniskich temperatur. Produkt, o którym mowa, DIADY SUCHEGO LODU, to system kriostatu o zamkniętym cyklu, zdolny do chłodzenia do temperatury bazowej 1.7 K, zapewniając jednocześnie najnowocześniejszą izolację drgań i elastyczne opcje optycznego dostępu do przestrzeni próbki.
Dla kontekstu, podstawową kompetencją ICEoxford jest projektowanie i rozwój wysokiej klasy systemów kriogenicznych w celu wspierania badań eksperymentalnych w różnych zastosowaniach w naukach fizycznych – od obliczeń kwantowych i optyki kwantowej po nadprzewodnictwo wysokotemperaturowe i mikroskopię sond skanujących (SPM). Tym, co wyróżnia firmę, jest nieustanne skupienie się na obsłudze klienta i wspólnych innowacjach, twierdzi Paul Kelly, dyrektor techniczny w ICEoxford. „Innymi słowy”, dodaje, „pracujemy bezpośrednio z naukowcami, aby zrozumieć ich wymagania na poziomie szczegółowym, dając im pewność, że możemy dostarczyć optymalny system w stosunku do ich budżetu i specyfikacji technicznych”.
Priorytetowa stabilność i elastyczność
Ten oparty na współpracy model rozwoju produktu stanowi podstawę specyfikacji technicznych urządzenia DRY ICE DYAD – nie tylko jeśli chodzi o wydajność przy ultraniskich wibracjach (<10 nm). Kluczem do sukcesu w tym przypadku jest to, że próbka jest trzymana oddzielnie na stole optycznym, tak aby była odizolowana od zimnej głowicy i głównego korpusu kriostatu (i połączona tylko miękkim łączem termicznym w celu dalszego zmniejszenia wibracji). „Nasze podejście projektowe polega na całkowitym oddzieleniu kriostatu od środowiska próbki” — wyjaśnia Kelly. „Kriostat znajduje się na podłodze laboratorium, a przestrzeń na próbki znajduje się na sąsiednim stole optycznym”.
W rzeczywistości stabilność stanowi jeden z nadrzędnych motywów projektowych DRY ICE DYAD. „Chociaż wszyscy nasi klienci naukowi mają wyjątkowe wymagania”, zauważa Kelly, „ostatecznie wszyscy szukają stabilności wzdłuż trzech głównych współrzędnych. Pomyśl o stabilności próżni – czysta, niezawodna próżnia. Pomyśl o stabilności temperatury – od bardzo niskiej temperatury bazowej do 300 K. Pomyśl o stabilności mechanicznej – ponieważ w badaniach kwantowych nawet najmniejsze wibracje mogą spowodować niepowodzenie efektów kwantowych.
Elastyczność operacyjna to kolejny czynnik projektowy, który znajduje się w centrum uwagi urządzenia DRY ICE DYAD. Przykład: użytkownik końcowy może w ciągu kilku godzin przełączyć środowisko przestrzeni próbki między ładowanym od góry modułem wymiany gazu a modułem próżniowym – układ, który zapewnia wszechstronne chłodzenie kriogeniczne, aby dostosować się do często sprzecznych badań priorytety w ruchliwych laboratoriach.
Jeśli chodzi o szczegóły, moduł wymiany gazu ładowany od góry jest opatentowaną konstrukcją, która umożliwia zmianę próbki bez podgrzewania głównego korpusu kriostatu, umożliwiając w ten sposób 2-godzinny czas schładzania próbki. Możliwa jest również manipulacja i obracanie próbek w maksymalnie sześciu osiach wraz z dostępem optycznym o wysokiej aperturze numerycznej i polami magnetycznymi do 9 T.
W międzyczasie moduł próbka w próżni zawiera zimną płytkę o średnicy 150 mm, na której zamontowana jest próbka (z bezpośrednim połączeniem termicznym z kriostatem). Dostęp do przestrzeni na próbki uzyskuje się poprzez podniesienie zewnętrznej płyty próżniowej i osłony radiacyjnej, podczas gdy ładowany od góry moduł próbki (jednostka oparta na sondach) umożliwia wymianę próbek bez nagrzewania całego systemu. Integracja niskotemperaturowych nanopozycjonerów i maksymalnie trzech obiektywów ułatwia przemieszczanie i manipulowanie próbkami.
„Kriostat jest tak naprawdę skonfigurowany do obsługi dwóch różnych rodzajów eksperymentów – w gazie wymiennym i w próżni” – zauważa Kelly. „Gaz wymienny pozwala na szybki zwrot i wstępne badania próbek, które najczęściej są prekursorem długotrwałych eksperymentów [dni, a nawet tygodni] w próżni”.
Magnetyzm na miarę
Pomijając chłodzenie, magnesy nadprzewodzące są integralną częścią systemu DRY ICE DYAD, a ICEoxford oferuje gamę magnesów solenoidowych, dzielonych i obracających się wektorowo o natężeniu pola do 9 T. Chociaż badania właściwości magnetycznych w ultraniskich temperaturach są oczywiste, wielu naukowców chce również przeprowadzać jednoczesne badania optyczne swoich materiałów – nie jest to takie łatwe, jeśli próbka znajduje się w dużej cewce magnesu solenoidowego.
Jedną z opcji jest na przykład umieszczenie próbki w otworze magnesu z rozdzieloną parą, aby umożliwić eksperymenty spektroskopii laserowej w trybie transmisji lub odbicia. Zastosowanie dwu- lub trójkierunkowych magnesów obracających się wektorem zapewnia dodatkową elastyczność, przy czym te ostatnie są w stanie generować pole magnetyczne w trzech dyskretnych kierunkach. W ten sposób możliwe jest utrzymywanie próbki nieruchomo, podczas gdy wokół niej zmienia się pole magnetyczne – kluczowa cecha podczas badania określonej płaszczyzny w sieci krystalicznej lub jeśli ciepło generowane przez obrót próbki jest źródłem zakłóceń dla małej skali pomiary przewodnictwa elektrycznego.
Inną godną uwagi cechą DRY ICE DYAD jest nacisk na automatyzację z oprogramowaniem opartym na LabVIEW używanym do kontroli i monitorowania temperatury. „Zostało to opracowane z myślą o kliencie”, podsumowuje Kelly, „w celu skrócenia czasu konfiguracji i obsługi systemu przy jednoczesnym zwiększeniu produktywności laboratorium”. Co więcej, możliwe jest dodanie funkcji do oprogramowania, takich jak zintegrowane sterowanie magnesem nadprzewodzącym, a także automatyzacja ładowania od góry i schładzania sondy.
Konkretne dostosowania obejmują opcję do sześciu dodatkowych portów wokół systemu optycznego, aby umożliwić użytkownikom końcowym zintegrowanie okablowania DC, kabli koncentrycznych lub światłowodów w razie potrzeby. Użytkownicy mogą również zamówić do pięciu okienek optycznych o różnej średnicy z różnych materiałów.
„Innowacje produktowe są w toku dzięki DRY ICE DYAD” – podsumowuje Kelly. „W planie rozwoju mamy już temperaturę bazową 1.6 K i 1.5 K”.
