Stabilnost, prilagodljivost, produktivnost: zagotavljanje na uporabnika osredotočenih inovacij v kriogeniki

Medtem ko je živo srebro poleti v Združenem kraljestvu dosegalo rekordne vrednosti, so razvojni inženirji pri ICEoxford so bili shranjeni v hladnem laboratoriju za raziskave in razvoj, s čimer so bili končni popestritev najnovejše ponudbe podjetja za režime ultranizkih temperatur. Zadevni izdelek, DYAD SUHI LED, je kriostatski sistem z zaprtim ciklom, ki se lahko ohladi na osnovno temperaturo 1.7 K, hkrati pa zagotavlja vrhunsko izolacijo vibracij in prilagodljive možnosti optičnega dostopa do vzorčnega prostora.

Za kontekst je osrednja kompetenca ICEoxforda načrtovanje in razvoj vrhunskih kriogenih sistemov za podporo eksperimentalnim študijam v različnih aplikacijah v fizikalnih znanostih – od kvantnega računalništva in kvantne optike do visokotemperaturne superprevodnosti in mikroskopije z vrstično sondo (SPM). Kar pa razlikuje podjetje, je neusmiljena osredotočenost na storitve za stranke in sodelovalne inovacije, trdi Paul Kelly, glavni tehnični direktor pri ICEoxfordu. "Z drugimi besedami," dodaja, "delamo neposredno z znanstveniki, da bi podrobno razumeli njihove zahteve, kar jim daje zaupanje, da lahko zagotovimo optimalen sistem v primerjavi z njihovim proračunom in tehničnimi specifikacijami."

Dajanje prednosti stabilnosti in prilagodljivosti

Ta model sodelovanja pri razvoju izdelkov podpira tehnične specifikacije DRY ICE DYAD – nenazadnje, ko gre za delovanje z ultra nizkimi vibracijami (pri <10 nm). Ključ do uspeha pri tem je, da se vzorčna enota drži ločeno na optični mizi, tako da je izolirana od hladne glave in glavnega telesa kriostata (ter povezana samo z mehko toplotno povezavo za nadaljnje zmanjšanje vibracij). "Naš načrtovalski pristop je popolnoma ločiti kriostat od vzorčnega okolja," pojasnjuje Kelly. "Kriostat sedi na tleh laboratorija, prostor za vzorce pa se nahaja na sosednji optični mizi."

Pravzaprav je stabilnost ena od vseobsegajočih oblikovalskih tem DRY ICE DYAD. »Medtem ko imajo vse naše znanstvene stranke edinstvene zahteve,« ugotavlja Kelly, »navsezadnje vsi iščejo stabilnost vzdolž treh glavnih koordinat. Pomislite na stabilnost vakuuma – čist, zanesljiv vakuum. Pomislite na temperaturno stabilnost – od zelo nizke osnovne temperature do 300 K. Pomislite na mehansko stabilnost – ker lahko v kvantnih raziskavah tudi najmanjše vibracije povzročijo, da kvantni učinki ne uspejo.«

Prilagodljivost delovanja je še en premislek pri oblikovanju, ki je pri DRY ICE DYAD v ospredju. Primer: končni uporabnik lahko v nekaj urah preklopi okolje vzorčnega prostora med modulom z izmenjevalnim plinom z zgornjim polnjenjem in vakuumskim modulom – ureditev, ki zagotavlja vsestransko kriogeno hlajenje za uskladitev s pogosto nasprotujočimi si raziskavami prednostne naloge v napornih laboratorijih.

Kar zadeva posebnosti, je modul izmenjevalnega plina z zgornjim polnjenjem patentirana zasnova, ki omogoča menjavo vzorca brez segrevanja glavnega telesa kriostata, kar omogoča 2-urni čas ohlajanja vzorca. Manipulacija in rotacija vzorcev sta možna tudi v do šestih oseh skupaj z optičnim dostopom z visoko numerično aperturo in magnetnimi polji do 9 T.

Medtem modul za vzorec v vakuumu vključuje hladno ploščo s premerom 150 mm, na katero je nameščen vzorec (z neposredno toplotno povezavo s kriostatom). Do prostora za vzorce se dostopa z dvigom zunanje vakuumske plošče in zaščite pred sevanjem, medtem ko modul za vzorčenje z zgornjim polnjenjem (enota na osnovi sonde) omogoča menjavo vzorcev brez segrevanja celotnega sistema. Integracija nizkotemperaturnih nanopozicionerjev in do treh objektivov olajša premikanje vzorcev in manipulacijo.

"Kriostat je v resnici nastavljen za obvladovanje dveh različnih vrst poskusov – pod izmenjevalnim plinom in pod vakuumom," ugotavlja Kelly. "Izmenjevalni plin omogoča hiter preobrat in predhodne študije vzorcev, ki so pogosteje kot ne predhodnik dolgotrajnejših poskusov [dnevi ali celo tedni] pod vakuumom."

Magnetizem po meri

Če ne upoštevamo hlajenja, so superprevodni magneti sestavni del sistema DRY ICE DYAD, pri čemer ICEoxford ponuja vrsto solenoidov, razcepljenih parov in vektorsko vrtljivih magnetov do poljske jakosti 9 T. Medtem ko so študije magnetnih lastnosti pri ultranizkih temperaturah samoumevne, mnogi znanstveniki želijo izvajati tudi sočasne optične preiskave svojih materialov – kar ni tako enostavno, če je vzorec v veliki tuljavi solenoidnega magneta.

Ena od možnosti je na primer nalaganje vzorca v izvrtino magneta z razcepljenim parom, da se omogočijo poskusi laserske spektroskopije v transmisijskem ali odbojnem načinu. Uporaba dvo- ali trismernih vektorsko vrtljivih magnetov zagotavlja dodatno prilagodljivost, pri čemer lahko slednji ustvarijo magnetno polje v treh ločenih smereh. Na ta način je mogoče ohraniti vzorec mirujoč, medtem ko se magnetno polje okoli njega spreminja – ključna značilnost pri preučevanju določene ravnine znotraj kristalne mreže ali če je toplota, ki nastane zaradi vrtenja vzorca, vir motenj za majhne meritve električne prevodnosti.

Druga pomembna lastnost DRY ICE DYAD je poudarek na avtomatizaciji s programsko opremo, ki temelji na LabVIEW in se uporablja za nadzor in spremljanje temperature. "To je bilo razvito z mislijo na stranko," zaključuje Kelly, "da bi skrajšali nastavitev in čas obratovanja sistema, hkrati pa povečali produktivnost laboratorija." Še več, programski opremi je mogoče dodati funkcije, kot je integriran nadzor superprevodnega magneta, kot tudi avtomatizacija zgornje obremenitve in ohlajanja sonde.

Posebne prilagoditve vključujejo možnost za do šest dodatnih vrat okoli optičnega sistema, ki končnim uporabnikom omogočajo integracijo ožičenja za enosmerni tok, koaksialnih kablov ali optičnih vlaken po potrebi. Uporabniki lahko zahtevajo tudi do pet optičnih oken različnih premerov iz različnih materialov.

"Inovacije izdelkov se nadaljujejo z DRY ICE DYAD," zaključuje Kelly. "V razvojnem načrtu že imamo 1.6 K in 1.5 K osnovne temperature."