Сверхнизкая вибрация и эксплуатационная гибкость являются определяющими характеристиками новейшего криостата замкнутого цикла ICEoxford.
Летом уровень содержания ртути в Великобритании достиг рекордного уровня, и инженеры-разработчики из ICEОксфорд были спрятаны в прохладе научно-исследовательской лаборатории, доводя до ума последнее предложение компании для сверхнизкотемпературных режимов. Рассматриваемый продукт, т. СУХОЙ ЛЕД ДИАД, представляет собой криостатную систему замкнутого цикла, способную охлаждать до базовой температуры 1.7 К, обеспечивая при этом передовую виброизоляцию и гибкие возможности оптического доступа к пространству для образцов.
Для контекста, основной компетенцией ICEoxford является проектирование и разработка высокотехнологичных криогенных систем для поддержки экспериментальных исследований в различных областях физических наук — от квантовых вычислений и квантовой оптики до высокотемпературной сверхпроводимости и сканирующей зондовой микроскопии (СЗМ). Что отличает компанию, так это неустанное внимание к обслуживанию клиентов и совместным инновациям, утверждает Пол Келли, главный технический директор ICEoxford. «Иными словами, — добавляет он, — мы работаем напрямую с учеными, чтобы понять их требования на детальном уровне, давая им уверенность в том, что мы можем предоставить оптимальную систему в соответствии с их бюджетом и техническими характеристиками».
Приоритет стабильности и гибкости
Эта совместная модель разработки продукта лежит в основе технических характеристик DRY ICE DYAD — не в последнюю очередь, когда речь идет о характеристиках со сверхнизкой вибрацией (<10 нм). Ключом к успеху здесь является то, что блок образца удерживается отдельно на оптическом столе, так что он изолирован от охлаждающей головки и основного корпуса криостата (и соединен только мягкой тепловой связью для дальнейшего снижения вибрации). «Наш подход к разработке заключается в том, чтобы полностью отделить криостат от окружающей среды образца», — объясняет Келли. «Криостат стоит на полу лаборатории, а место для образца расположено на соседнем оптическом столе».
На самом деле, стабильность является одной из важнейших тем дизайна DRY ICE DYAD. «Несмотря на то, что у всех наших научных заказчиков есть уникальные требования, — отмечает Келли, — все они в конечном счете стремятся к стабильности по трем основным координатам. Подумайте о стабильности вакуума — чистый, надежный пылесос. Подумайте о температурной стабильности — от очень низкой базовой температуры до 300 К. Подумайте о механической стабильности — потому что в квантовых исследованиях даже малейшие вибрации могут привести к нарушению квантовых эффектов».
Эксплуатационная гибкость — еще одно конструктивное соображение, которое занимает центральное место в DRY ICE DYAD. Показательный пример: конечный пользователь может в течение нескольких часов переключать среду в пространстве для образцов между модулем ионообменного газа с верхней загрузкой и вакуумным модулем — такая схема обеспечивает универсальное криогенное охлаждение в соответствии с часто противоречащими друг другу исследованиями. приоритеты в загруженных лабораториях.
Что касается специфики, модуль ионообменного газа с верхней загрузкой представляет собой запатентованную конструкцию, которая позволяет заменять образец без нагревания основного корпуса криостата, тем самым обеспечивая время охлаждения образца 2 часа. Манипуляции с образцами и их вращение также возможны по шести осям наряду с оптическим доступом с высокой числовой апертурой и магнитными полями до 9 Тл.
При этом модуль «образец в вакууме» включает охлаждающую пластину диаметром 150 мм, на которую крепится образец (с прямой тепловой связью с криостатом). Доступ к пространству для образцов осуществляется путем поднятия внешней вакуумной пластины и радиационного экрана, а модуль для образцов с верхней загрузкой (блок на основе зонда) позволяет менять образцы без нагрева всей системы. Интеграция низкотемпературных нанопозиционеров и до трех объективов облегчает перемещение образцов и манипулирование ими.
«Криостат действительно предназначен для проведения двух различных типов экспериментов — в обменном газе и в вакууме», — отмечает Келли. «Обменный газ позволяет быстро выполнять предварительные исследования образцов, которые чаще всего предшествуют более длительным экспериментам [дни или даже недели] в вакууме».
Индивидуальный магнетизм
Помимо охлаждения, сверхпроводящие магниты являются неотъемлемой частью системы DRY ICE DYAD. Компания ICEoxford предлагает ряд соленоидных магнитов, магнитов с расщепленной парой и магнитов с векторным вращением с напряженностью поля до 9 Тл. В то время как изучение магнитных свойств при сверхнизких температурах является само собой разумеющимся, многие ученые также хотят проводить одновременные оптические исследования своих материалов, что не так просто, если образец находится внутри большой катушки соленоидного магнита.
Одним из вариантов, например, является загрузка образца в отверстие магнита с расщепленной парой, чтобы можно было проводить эксперименты по лазерной спектроскопии в режиме пропускания или отражения. Использование двух- или трехсторонних магнитов с векторным вращением обеспечивает дополнительную гибкость, причем последние способны генерировать магнитное поле в трех дискретных направлениях. Таким образом, можно удерживать образец неподвижным, в то время как магнитное поле вокруг него изменяется, что является ключевой особенностью при изучении определенной плоскости в кристаллической решетке или если тепло, выделяемое при вращении образца, является источником интерференции для мелкомасштабных исследований. измерения электропроводности.
Еще одной примечательной особенностью DRY ICE DYAD является акцент на автоматизации с программным обеспечением на основе LabVIEW, используемым для контроля и мониторинга температуры. «Это было разработано с учетом потребностей клиентов, — заключает Келли, — чтобы сократить время настройки и оборота системы при одновременном повышении производительности лаборатории». Более того, в программное обеспечение можно добавить такие функции, как встроенное управление сверхпроводящим магнитом, а также автоматизация загрузки сверху и охлаждения зонда.
Конкретные настройки включают в себя возможность использования до шести дополнительных портов вокруг оптической системы, чтобы конечные пользователи могли интегрировать проводку постоянного тока, коаксиальные кабели или оптоволокно по мере необходимости. Пользователи также могут запросить до пяти оптических окон различного диаметра из различных материалов.
«Инновации в продукции DRY ICE DYAD продолжаются, — заключает Келли. «У нас уже есть базовые температуры 1.6 К и 1.5 К в плане развития».
