Stabilitet, flexibilitet, produktivitet: levererar användarcentrerad innovation inom kryogenik

Medan kvicksilvret slog rekord i Storbritannien under sommaren, utvecklade ingenjörer på ICEoxford bunkrades ner i kylan i FoU-laboratoriet, vilket gjorde att efterbehandlingen blomstrade på företagets senaste erbjudande för ultralåga temperaturregimer. Produkten i fråga, den DRY IS DYAD, är ett kryostatsystem med sluten cykel som kan kyla till en bastemperatur på 1.7 K samtidigt som det ger banbrytande vibrationsisolering och flexibla optiska åtkomstalternativ till provutrymmet.

För sammanhanget är ICEoxfords kärnkompetens design och utveckling av avancerade kryogena system för att stödja experimentella studier över olika tillämpningar inom de fysikaliska vetenskaperna – från kvantberäkning och kvantoptik till högtemperatursupraledning och skanningssondmikroskopi (SPM). Det som skiljer företaget är dock ett obevekligt fokus på kundservice och samverkande innovation, hävdar Paul Kelly, teknisk chef på ICEoxford. "Med andra ord," tillägger han, "vi arbetar direkt med forskare för att förstå deras krav på en detaljerad nivå, vilket ger dem förtroende för att vi kan leverera det optimala systemet jämfört med deras budget och tekniska specifikationer."

Prioritera stabilitet och flexibilitet

Den samarbetsmodellen för produktutveckling ligger till grund för de tekniska specifikationerna för DRY ICE DYAD – inte minst när det kommer till ultralåg vibrationsprestanda (vid <10 nm). Nyckeln till framgång här är att provenheten hålls separat på ett optiskt bord, så att den är isolerad från det kalla huvudet och kryostatens huvudkropp (och endast ansluten med en mjuk termisk länk för att ytterligare minska vibrationerna). "Vår designstrategi är att frikoppla kryostaten helt från provmiljön", förklarar Kelly. "Kryostaten sitter på laboratoriegolvet, med provutrymmet placerat på det intilliggande optiska bordet."

Faktum är att stabilitet är ett av de övergripande designteman för DRY ICE DYAD. "Medan våra vetenskapliga kunder alla har unika krav", konstaterar Kelly, "söker de alla i slutändan efter stabilitet längs tre huvudkoordinater. Tänk på vakuumstabilitet – en ren, pålitlig dammsugare. Tänk temperaturstabilitet – från den mycket låga bastemperaturen upp till 300 K. Tänk mekanisk stabilitet – för inom kvantforskning kan även de minsta vibrationerna få kvanteffekterna att misslyckas.”

Operativ flexibilitet är en annan designövervägande som står i centrum i DRY ICE DYAD. Ett exempel: slutanvändaren kan växla provrumsmiljön mellan en toppladdad utbytesgasmodul och en vakuummodul inom ett par timmar – ett arrangemang som säkerställer mångsidig kryogenisk kylning för att passa in i den ofta motstridiga forskningen prioriteringar i hektiska laboratorier.

När det gäller detaljerna är den toppmatade utbytesgasmodulen en patenterad design som gör att provet kan bytas utan att värma upp kryostatens huvuddel, vilket möjliggör en nedkylningstid på 2 timmar. Provmanipulering och rotation är också möjliga i upp till sex axlar tillsammans med optisk åtkomst med hög numerisk öppning och magnetfält upp till 9 T.

Samtidigt inkluderar prov-i-vakuum-modulen en kall platta med en diameter på 150 mm på vilken provet är monterat (med en direkt termisk länk till kryostaten). Provutrymmet nås genom att lyfta den yttre vakuumplattan och strålningsskärmen, medan den toppladdade provmodulen (en sondbaserad enhet) möjliggör provbyten utan att värma upp hela systemet. Integrering av lågtemperaturnanopositionerare och upp till tre objektiv underlättar provrörelser och manipulation.

"Kryostaten är verkligen inställd för att hantera två olika typer av experiment - under utbytesgas och under vakuum," konstaterar Kelly. "Utbytesgasen tillåter snabb vändning och preliminära provstudier som oftare än inte är en föregångare till experiment med längre varaktighet [dagar eller till och med veckor] under vakuum."

Skräddarsydd magnetism

Avsvalkning är supraledande magneter en integrerad del av DRY ICE DYAD-systemet, där ICEoxford erbjuder en rad solenoider, split-pair och vektorroterande magneter upp till 9 T fältstyrka. Medan studier av magnetiska egenskaper vid ultralåga temperaturer är givna, vill många forskare också utföra samtidiga optiska undersökningar av sina material - inte så lätt om provet sitter i den stora spolen av en magnetmagnet.

Ett alternativ är till exempel att ladda provet i hålet på en delad parmagnet för att möjliggöra laserspektroskopiexperiment i transmissions- eller reflektionsläge. Användningen av två- eller trevägs vektorroterande magneter ger ytterligare flexibilitet, där de senare kan generera ett magnetfält i tre diskreta riktningar. På så sätt är det möjligt att hålla provet stationärt medan magnetfältet varieras runt det – en nyckelfunktion när man studerar ett specifikt plan inom ett kristallgitter eller om värmen som genereras av provrotation är en störningskälla för småskalig mätningar av elektrisk ledningsförmåga.

En annan anmärkningsvärd egenskap hos DRY ICE DYAD är tonvikten på automatisering, med LabVIEW-baserad programvara som används för att kontrollera och övervaka temperaturen. "Detta har utvecklats med kunden i åtanke", avslutar Kelly, "för att minska systemets installations- och omloppstid samtidigt som laboratorieproduktiviteten ökar." Dessutom är det möjligt att lägga till funktioner till mjukvaran som integrerad kontroll för den supraledande magneten samt automatisering av toppbelastningen och nedkylning av sonden.

Specifika anpassningar inkluderar ett alternativ för upp till sex ytterligare portar runt det optiska systemet för att göra det möjligt för slutanvändare att integrera DC-kablar, koaxialkablar eller optiska fibrer efter behov. Användare kan också begära upp till fem optiska fönster med varierande diameter i en mängd olika material.

"Produktinnovation pågår med DRY ICE DYAD", avslutar Kelly. "Vi har redan 1.6 K och 1.5 K bastemperaturer i sikte på utvecklingsfärdplanen."