นวัตกรรมอุณหภูมิต่ำพิเศษ: ระบบแช่แข็งแบบบูรณาการช่วยเพิ่มความสามารถในการผลิต - Physics World

นวัตกรรมอุณหภูมิต่ำพิเศษ: ระบบแช่แข็งแบบบูรณาการช่วยเพิ่มความสามารถในการผลิต - Physics World

Time Stamp: 28 กุมภาพันธ์ 2024 8:49 น.

ผู้เชี่ยวชาญด้านเครื่องมือวัดของสหรัฐอเมริกา ดานาเฮอร์ ไครโอเจนิกส์ กำลังเขียนกฎฟิสิกส์ เทคโนโลยี และวิศวกรรมที่มีอุณหภูมิต่ำมากใหม่

<a data-fancybox data-src="https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/03/ultralow-temperature-innovation-integrated-cryostat-systems-open-up-productivity-gains-physics-world.jpg" data-caption="สิ่งที่เย็น Interior view of the Pony cryostat installed at Argonne National Laboratory in February. The Pony provides scientific users with continuous sub-Kelvin cooling and a large experimental space that is convenient to open and close. (Courtesy: Danaher Cryo) ” title=”Click to open image in popup” href=”https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/03/ultralow-temperature-innovation-integrated-cryostat-systems-open-up-productivity-gains-physics-world.jpg”>Pony cryostat ติดตั้งที่ห้องปฏิบัติการแห่งชาติ Argonne
สิ่งที่เย็น มุมมองภายในของ Pony cryostat ที่ติดตั้งที่ห้องปฏิบัติการแห่งชาติ Argonne ในเดือนกุมภาพันธ์ Pony ให้ผู้ใช้ทางวิทยาศาสตร์ได้รับการทำความเย็นต่ำกว่าเคลวินอย่างต่อเนื่อง และพื้นที่ทดลองขนาดใหญ่ที่เปิดและปิดได้สะดวก (เอื้อเฟื้อโดย: Danaher Cryo)

แม้ว่าบางคนจะชอบอากาศร้อน แต่บางคนก็ชอบเก็บความเย็นไว้ หรือถ้าให้พูดตรงๆ ก็คือหนาวจัดมาก มีกรณีศึกษาในเรื่องนี้ก็คือ ดานาเฮอร์ ไครโอเจนิกส์ผู้ออกแบบและผู้ผลิตระบบแช่แข็งแบบ sub-Kelvin cryostat แบบบูรณาการในสหรัฐฯ สำหรับการใช้งานที่หลากหลายในการวิจัยทางวิทยาศาสตร์และการวิจัยและพัฒนาทางอุตสาหกรรม บริษัทสตาร์ทอัพด้านเทคโนโลยีอายุ 2 ปีรายนี้ตั้งอยู่ในเมืองโบลเดอร์ รัฐโคโลราโด โดยได้สร้างมาตรฐานระดับสูงภายใต้ระบอบการปกครองที่มีอุณหภูมิต่ำเป็นพิเศษ ซึ่งเห็นได้จากคำแถลงพันธกิจที่จะ “ไล่ตามสิ่งที่เกือบจะเป็นไปไม่ได้ด้วยโซลูชันที่หรูหราและคลาสสิกเพื่อประสิทธิภาพสูงสุด ประสิทธิภาพการแช่แข็ง – ตั้งแต่แนวคิดเริ่มแรกจนถึงการบรรลุผล”

ถ้าเป็นเรื่องราวเบื้องหลัง มีอะไรเฉพาะเจาะจงบ้าง? แนวหน้าและศูนย์กลางในโมเดลธุรกิจ Danaher Cryo คือการทำงานร่วมกันและนวัตกรรมการแช่แข็ง โดยร่วมมือกับซัพพลายเออร์เทคโนโลยีหลักและผู้ใช้ปลายทาง “สิ่งที่ฉันภาคภูมิใจ และสิ่งที่เรามุ่งมั่นเพื่อที่นี่ คือการเป็นมากกว่าผู้จำหน่ายอุปกรณ์การทำธุรกรรม” Charlie Danaher ประธานและผู้ก่อตั้ง Danaher Cryo อธิบาย พูดง่ายๆ ก็คือ เป้าหมายของ Danaher และเพื่อนร่วมงานของเขาคือการพัฒนาผลิตภัณฑ์ร่วมกัน “เพื่อค้นหาสิ่งที่ลูกค้าต้องการในระดับย่อย จากนั้นจึงคิดหาโซลูชันความเย็นที่เหมาะสมที่สุดในแง่ของการออกแบบ การพัฒนา และการใช้งานเครื่องแช่แข็ง”

ทำงานร่วมกัน สร้างสรรค์ เร่งความเร็ว

ในระดับพาดหัว ฐานลูกค้าที่กำลังพัฒนาของ Danaher Cryo แบ่งออกเป็นสามกลุ่มหลัก: กลุ่มวิจัยในมหาวิทยาลัย; ห้องปฏิบัติการแห่งชาติของสหรัฐอเมริการวมทั้งบริเวณใกล้เคียง สถาบันมาตรฐานและเทคโนโลยีแห่งชาติ (NIST) ห้องปฏิบัติการโบลเดอร์- เช่นเดียวกับผู้รับเหมาด้านการบินและอวกาศและการป้องกันในสหรัฐอเมริกาและที่อื่น ๆ

“เราสร้างชื่อเสียงในการทำงานร่วมกันร่วมกับลูกค้าเพื่อให้เป็นไปตามข้อกำหนดต่ำกว่าเคลวินในโครงการทางวิทยาศาสตร์และวิศวกรรมต่างๆ” Danaher อธิบาย ลองนึกถึงกรณีการใช้งานที่ล้ำสมัย เช่น เครื่องตรวจจับโฟตอนเดี่ยวสำหรับดาราศาสตร์วิทยุ การทดลองเอ็กซ์เรย์และลำแสงนิวตรอน และการศึกษาด้วยกล้องจุลทรรศน์แบบสแกนสแกนของตัวนำยิ่งยวดที่มีอุณหภูมิสูง

<a data-fancybox data-src="https://physicsworld.com/wp-content/uploads/2024/02/web-Charlie_Edited-103.jpg" data-caption="ชาร์ลี ดานาเฮอร์ “เราสร้างชื่อเสียงในการทำงานร่วมกันกับลูกค้าเพื่อให้เป็นไปตามข้อกำหนดระดับต่ำกว่า Kelvin ของพวกเขา” (เอื้อเฟื้อโดย: Danaher Cryo)” title=”คลิกเพื่อเปิดภาพในป๊อปอัป” href=”https://physicsworld.com/wp-content/uploads/2024/02/web-Charlie_Edited-103.jpg”>ชาร์ลี ดานาเฮอร์
ชาร์ลี ดานาเฮอร์ “เราสร้างชื่อเสียงในการทำงานร่วมกันกับลูกค้าเพื่อให้เป็นไปตามข้อกำหนดระดับต่ำกว่า Kelvin ของพวกเขา” (เอื้อเฟื้อโดย: Danaher Cryo)

“ในบรรดาตลาดที่มีการเติบโตเป็นลำดับแรกของเรานั้น ห่วงโซ่อุปทานเทคโนโลยีควอนตัมที่เกิดขึ้นใหม่” Danaher กล่าวเสริม “โดยที่อุณหภูมิแช่แข็งมีความจำเป็นสำหรับการวิจัยและพัฒนาวัสดุและการพัฒนาอุปกรณ์ในการตรวจจับควอนตัม เครือข่ายควอนตัม และการใช้งานคอมพิวเตอร์ควอนตัม”

ในส่วนของเขา Danaher ไม่ใช่คนแปลกหน้าสำหรับนวัตกรรมด้านการทำงานร่วมกัน ก่อนที่จะเปิดตัว Danaher Cryo ในเดือนเมษายน ปี 2022 เขาใช้เวลา 25 ปีในตำแหน่งอาวุโสด้านการพัฒนาผลิตภัณฑ์และวิศวกรรมที่ Cryogenic Technical Services (CTS) และอุปกรณ์ความแม่นยำสูง (HPD) ตลอดการทำงานอย่างใกล้ชิดกับลูกค้าชั้นนำมากมาย เช่น โบอิ้ง, อะตอมมิกทั่วไป, ห้องปฏิบัติการแห่งชาติลอเรนซ์ลิเวอร์มอร์, มหาวิทยาลัยฮาร์วาร์, นาซา และ NIST

กรอบความคิดที่หันหน้าออกไปข้างนอกแบบเดียวกันนั้นแจ้งแนวทางเชิงพาณิชย์ที่ Danaher Cryo ไม่น้อยเลยในเรื่องของความร่วมมือทางเทคโนโลยี สิ่งสำคัญที่สุดคือความผูกพันของบริษัทด้วย เชสวิจัยไครโอเจนิกส์ (CRC) ผู้ผลิตเครื่องทำความเย็นแบบดูดซับในสหราชอาณาจักรโดยเฉพาะที่สามารถสร้างอุณหภูมิต่ำกว่าเคลวินได้ (แม้จะลงไปที่ <0.1 K) Danaher กล่าวว่า "ความร่วมมือเชิงกลยุทธ์กับ CRC ดำเนินมาเป็นเวลา 18 เดือนแล้ว โดยมีเครื่องทำความเย็น Chase ทำหน้าที่เป็นส่วนประกอบหลักภายในระบบแช่แข็งที่มีเคลวินย่อยแบบครบวงจรของเรา"

พันธมิตรที่มีชื่อเสียงอีกรายหนึ่งคือ ไลเดน ไครโอเจนิกส์โดยมี Danaher Cryo เป็นผู้จัดการการขายตู้เย็นแบบเจือจางให้กับผู้ผลิตอุปกรณ์ชาวดัตช์ทั่วอเมริกาเหนือ “เราไม่เพียงแค่ประมวลผลคำสั่งซื้อเท่านั้น” Danaher กล่าว “เราอำนวยความสะดวกในการติดตั้ง ทดสอบการใช้งาน และยอมรับผลิตภัณฑ์ของ Leiden ตลอดจนบริการและการสนับสนุนการบำรุงรักษาอย่างต่อเนื่อง”

ใกล้กับบ้านมากขึ้น มีความร่วมมือด้านเทคโนโลยีอย่างต่อเนื่องกับ NIST และ มหาวิทยาลัยโคโลราโดโบลเดอ (CU Boulder) โดยที่ Danaher Cryo ได้รับตำแหน่งเป็นพันธมิตรเชิงพาณิชย์แต่เพียงผู้เดียวสำหรับสิ่งที่เรียกว่าเครื่องทำความเย็นแบบท่อชีพจรแบบ Adaptive Cooling Technology (ACT) แม้ว่าตู้เย็นแบบพัลส์ทิวป์รุ่นปัจจุบันได้รับการออกแบบมาโดยเฉพาะสำหรับการทำงานในสภาวะคงตัวและอุณหภูมิฐาน แต่การออกแบบ ACT มอบการปรับแต่งประสิทธิภาพการทำความเย็นแบบไดนามิก ซึ่งเป็นฟังก์ชันการทำงานที่ส่งผลกระทบเป็นพิเศษในระหว่างระยะคูลดาวน์ของการทำงาน

ด้วยการทำงานผ่านข้อตกลงความร่วมมือด้านการวิจัยและพัฒนา (CRADA) ขณะนี้ Danaher Cryo มีตัวเลือกพิเศษในการออกใบอนุญาตนวัตกรรมเทคโนโลยี ACT (เพิ่งได้รับการจดสิทธิบัตรโดย CU Boulder) “ระบบแช่แข็งขนาดใหญ่สามารถมีระยะเวลาคูลดาวน์ได้ตั้งแต่สองสามวันไปจนถึงมากกว่าหนึ่งเดือน” Danaher กล่าว “การออกแบบหลอดพัลส์ ACT สามารถลดเวลาเหล่านั้นได้มากกว่า 50% ซึ่งเป็นข้อเสนอที่น่าสนใจในแง่ของประสิทธิภาพเวิร์กโฟลว์และผลผลิตด้านการวิจัยและพัฒนา” 

เทคโนโลยีเจ๋งๆ วิทยาศาสตร์เจ๋งๆ

ในขณะที่ระบบไครโอเจนิก ACT กำลังเตรียมเปิดตัวเชิงพาณิชย์อย่างเต็มรูปแบบในช่วงครึ่งหลังของปี 2025 แต่ Danaher Cryo ก็นำเสนอกลุ่มผลิตภัณฑ์ที่ครอบคลุมของระบบทำความเย็นแบบต่อเนื่องและแบบแช่แข็งครั้งเดียว ซึ่งเป็นกลุ่มผลิตภัณฑ์ที่จะจัดแสดงที่ การประชุมเดือนมีนาคมของ American Physical Society (APS) ในมินนีแอโพลิส รัฐมินนิโซตา สัปดาห์หน้า

ระบบทำความเย็นอย่างต่อเนื่องจะรักษาอุณหภูมิฐานไว้อย่างไม่มีกำหนด และประกอบด้วย Pony (ที่มีความสามารถในการทำความเย็นต่ำกว่า 825 mK), Bronco (<300 mK) และเครื่องชาร์จ (บูรณาการอย่างสมบูรณ์กับตู้เย็นเจือจางขนาดเล็กของ CRC เพื่อทำความเย็นให้ต่ำกว่า 100 mK) . ในทางกลับกัน ระบบแช่แข็งแบบ one-shot ให้ความเย็นแบบจำกัดเวลาสูงสุด 30 ชั่วโมง และประกอบด้วย Colt (อุณหภูมิฐาน 850 mK), Palomino (300 mK) และ Mustang (200 mK)

<a data-fancybox data-src="https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/03/ultralow-temperature-innovation-integrated-cryostat-systems-open-up-productivity-gains-physics-world-2.jpg" data-caption="เล่นเพื่อจุดแข็งของคุณ Danaher Cryo’s new Kevlar suspension and sample stage can be included in any of the company’s continuous-cooling or one-shot cryostat systems. (Courtesy: Danaher Cryo)” title=”Click to open image in popup” href=”https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/03/ultralow-temperature-innovation-integrated-cryostat-systems-open-up-productivity-gains-physics-world-2.jpg”>ระบบกันสะเทือน Kevlar ของ Danaher Cryo และแท่นตัวอย่าง
เล่นเพื่อจุดแข็งของคุณ ระบบกันสะเทือน Kevlar ใหม่ของ Danaher Cryo และแท่นตัวอย่างสามารถรวมอยู่ในระบบทำความเย็นแบบต่อเนื่องหรือระบบไครโอสแตตแบบยิงครั้งเดียวของบริษัทได้ (เอื้อเฟื้อโดย: Danaher Cryo)

สิ่งที่สำคัญอย่างยิ่งคือ ทีม Danaher Cryo ได้ทำการติดตั้งกับลูกค้ารายแรกเมื่อต้นเดือนนี้ โดยได้รับการติดตั้งและยอมรับ Pony cryostat ที่กระทรวงพลังงานของสหรัฐอเมริกา อาร์กอนห้องปฏิบัติการแห่งชาติ ที่ชานเมืองชิคาโก “Pony ผสมผสานการทำความเย็นแบบ sub-Kelvin อย่างต่อเนื่องเข้ากับการเข้าถึงพื้นที่เย็นได้อย่างง่ายดายและตัวอย่างที่อยู่ระหว่างการทดสอบ” Danaher อธิบาย

นักวิทยาศาสตร์ของอาร์กอนน์จะใช้เครื่องไครโอสแตตเพื่อทดสอบและระบุลักษณะเครื่องตรวจจับอนุภาคแบบตัวนำยิ่งยวด-นาโนไวร์สำหรับการใช้งานในฟิสิกส์นิวเคลียร์ “เนื่องจากพื้นที่ทดลองขนาดใหญ่ของ Pony ระบบจะถูกใช้ในการทดสอบเวเฟอร์เต็มก่อนที่จะหั่นลูกเต๋า” Danaher กล่าว “ต่อจากนั้น เวเฟอร์จะถูกหั่นเป็นลูกเต๋า และชิปที่เลือกจะถูกนำไปใช้สำหรับการทดลองบีมไลน์”

ในส่วนของเขา Danaher ยังกระตือรือร้นที่จะเน้นข้อดีของระบบเครื่องชาร์จ โดยส่วนใหญ่คือการทำความเย็นที่ต่อเนื่อง 100 mK “โดยไม่ต้องยุ่งยาก” ซึ่งโดยทั่วไปแล้วจะเกี่ยวข้องกับตู้เย็นแบบเจือจาง “เรากำลังใช้ประโยชน์จากระบบย่อย Continue Miniature Dilutor (CMD) ของ CRC” เขาอธิบาย CMD เป็นตู้เย็นขนาดเล็กแบบครบวงจรซึ่งใช้ก๊าซฮีเลียมเพียงไม่กี่ลิตร ไม่จำเป็นต้องมีการจัดการก๊าซภายนอกใดๆ ซึ่งในทางกลับกัน จะช่วยขจัดบริการที่จำเป็นสำหรับปั๊ม และลดโอกาสการสูญเสียก๊าซราคาแพง

“หากขยายออกไป” Danaher กล่าวเสริม “เครื่องแช่แข็งของเครื่องชาร์จต้องการระยะน้อยกว่า 1 ม2 ของพื้นที่ห้องปฏิบัติการ ไม่นับระบบควบคุมขนาดกะทัดรัด ในขณะที่ตู้เย็นแบบเจือจางส่วนใหญ่จะกินพื้นที่มากกว่าสองเท่า”

ในขณะเดียวกัน นวัตกรรมผลิตภัณฑ์อย่างต่อเนื่องภายในบริษัทยังคงเป็นสิ่งสำคัญอันดับแรกสำหรับ Danaher และหัวหน้านักออกแบบเครื่องแช่แข็งของเขา Bryan Schiffner ด้วยเหตุนี้ ระบบกันสะเทือน Kevlar ใหม่ที่สามารถรวมไว้ในตู้แช่แข็งของบริษัทก็จะเปิดตัวในการประชุม APS March เช่นกัน พูดง่ายๆ ก็คือ ระบบกันสะเทือน Kevlar ถูกรวมไว้ภายในตู้แช่แข็งเพื่อให้นักวิทยาศาสตร์มีแพลตฟอร์มในการติดตั้งตัวอย่างหรือการประกอบภายใต้การทดสอบที่อุณหภูมิเย็นโดยไม่เสี่ยงต่อความเสียหายต่อตัวทำความเย็นดูดซับ CRC

“ระบบกันสะเทือนเคฟล่าร์รองรับขั้นตอนตัวอย่างที่ใกล้กับตัวทำความเย็น” Danaher กล่าวสรุป “ด้วยวิธีนี้ เราจึงมั่นใจได้ว่าเครื่องแช่แข็งจะมีประโยชน์ทางวิทยาศาสตร์ด้วยเวทีตัวอย่างที่ทนทาน ทนทาน และกว้างขวาง”

ดานาเฮอร์ ไครโอเจนิกส์

ประทับเวลา:

เพิ่มเติมจาก โลกฟิสิกส์