Надзвичайно низька вібрація та експлуатаційна гнучкість є визначальними рисами останнього кріостата закритого циклу ICEoxford
У той час як ртуть досягала рекордних значень у Великобританії протягом літа, інженери-розробники в ICEoxford були збережені в холодній лабораторії досліджень і розробок, завершуючи останню пропозицію компанії для режимів наднизьких температур. Продукт, про який йде мова, СУХИЙ ЛІД ДІАД, це кріостатна система замкнутого циклу, здатна охолоджуватися до базової температури 1.7 K, забезпечуючи при цьому найсучаснішу віброізоляцію та гнучкі можливості оптичного доступу до простору зразків.
Для контексту, основна компетенція ICEoxford – це проектування та розробка високоякісних кріогенних систем для підтримки експериментальних досліджень у різноманітних додатках у фізичних науках – від квантових обчислень і квантової оптики до високотемпературної надпровідності та скануючої зондової мікроскопії (SPM). Що відрізняє компанію від інших, так це невпинна зосередженість на обслуговуванні клієнтів і спільних інноваціях, стверджує Пол Келлі, головний технічний директор ICEoxford. «Інакше кажучи, — додає він, — ми працюємо безпосередньо з науковцями, щоб детально зрозуміти їхні вимоги, даючи їм впевненість у тому, що ми можемо створити оптимальну систему в порівнянні з їхнім бюджетом і технічними характеристиками».
Пріоритет стабільності та гнучкості
Ця спільна модель розробки продукту лежить в основі технічних специфікацій DRY ICE DYAD – не в останню чергу, коли мова йде про продуктивність із наднизьким рівнем вібрації (<10 нм). Ключ до успіху тут полягає в тому, що блок зразка тримається окремо на оптичному столі, так що він ізольований від холодної головки та основного корпусу кріостата (і з’єднаний лише м’яким тепловим зв’язком для подальшого зменшення вібрації). «Наш проектний підхід полягає в тому, щоб повністю відокремити кріостат від середовища зразка», — пояснює Келлі. «Кріостат розташований на підлозі лабораторії, а простір для зразків розташований на сусідньому оптичному столі».
Насправді стабільність є однією з головних тем дизайну DRY ICE DYAD. «Хоча всі наші наукові замовники мають унікальні вимоги, — зазначає Келлі, — усі вони, зрештою, шукають стабільності за трьома основними координатами. Подумайте про стабільність вакууму – чистий, надійний вакуум. Подумайте про температурну стабільність – від дуже низької основної температури до 300 К. Подумайте про механічну стабільність – тому що в квантових дослідженнях навіть найменші коливання можуть спричинити збій квантових ефектів».
Експлуатаційна гнучкість є ще одним фактором дизайну, який є головним у DRY ICE DYAD. Показовий приклад: кінцевий користувач може протягом кількох годин перемикати середовище зразкового простору між газообмінним модулем із верхнім завантаженням і вакуумним модулем – це механізм, який забезпечує універсальне кріогенне охолодження для узгодження з часто суперечливими дослідженнями пріоритети в зайнятих лабораторіях.
З точки зору специфіки, модуль обмінного газу з верхнім завантаженням є запатентованою конструкцією, яка дозволяє змінювати зразок без нагрівання основного корпусу кріостата, що забезпечує час охолодження зразка 2 години. Маніпуляції та обертання зразків також можливі за шістьма осями разом із оптичним доступом із високою числовою апертурою та магнітними полями до 9 Тл.
Водночас модуль зразка у вакуумі містить холодну пластину діаметром 150 мм, на якій монтується зразок (з прямим тепловим зв’язком із кріостатом). Доступ до простору для зразків здійснюється підняттям зовнішньої вакуумної пластини та радіаційного захисту, тоді як модуль зразків із верхнім завантаженням (блок на основі зонда) дозволяє змінювати зразки без нагрівання всієї системи. Інтеграція низькотемпературних нанопозиціонерів і до трьох об’єктів полегшує переміщення зразків і маніпуляції.
«Кріостат справді налаштований на проведення двох різних типів експериментів — під газообміном і під вакуумом», — зазначає Келлі. «Обмінний газ дозволяє швидко опрацювати та провести попередні дослідження зразків, які, як правило, є попередником більш тривалих експериментів [днів або навіть тижнів] у вакуумі».
Магнетизм, виготовлений на замовлення
Не дивлячись на охолодження, надпровідні магніти є невід’ємною частиною системи DRY ICE DYAD, а ICEoxford пропонує ряд електромагнітів, магнітів з розділеними парами та магнітів з векторним обертанням із напруженістю поля до 9 Тл. Хоча дослідження магнітних властивостей при наднизьких температурах є даністю, багато вчених також хочуть проводити одночасне оптичне дослідження своїх матеріалів – не так просто, якщо зразок знаходиться у великій котушці соленоїдного магніту.
Одним із варіантів, наприклад, є завантаження зразка в отвір магніту з розділеною парою, щоб дозволити експерименти з лазерної спектроскопії в режимі пропускання або відбиття. Використання дво- чи тристоронніх магнітів із векторним обертанням забезпечує додаткову гнучкість, при цьому останні здатні генерувати магнітне поле в трьох окремих напрямках. Таким чином, можна тримати зразок нерухомим, коли магнітне поле змінюється навколо нього – ключова особливість при дослідженні конкретної площини в кристалічній ґратці або якщо тепло, що виділяється обертанням зразка, є джерелом перешкод для маломасштабних вимірювання електропровідності.
Іншою помітною особливістю DRY ICE DYAD є акцент на автоматизації з використанням програмного забезпечення на основі LabVIEW для контролю та моніторингу температури. «Це було розроблено з думкою про клієнта, — підсумовує Келлі, — щоб скоротити час налаштування та обороту системи та підвищити продуктивність лабораторії». Більше того, до програмного забезпечення можна додати такі функції, як інтегроване керування надпровідним магнітом, а також автоматизувати верхнє завантаження та охолодження зонда.
Конкретні налаштування включають опцію для шести додаткових портів навколо оптичної системи, щоб дозволити кінцевим користувачам інтегрувати проводку постійного струму, коаксіальні кабелі або оптичні волокна за потреби. Користувачі також можуть замовити до п’яти оптичних вікон різного діаметру з різних матеріалів.
«З DRY ICE DYAD постійно впроваджуються інноваційні продукти», — підсумовує Келлі. «Ми вже маємо базові температури 1.6 K і 1.5 K у наших планах розвитку».
