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Montana Instruments erhält Patent auf “Low Drift Design” der Cryostation

Cryostation mit Mikroskop

Die Cryostation von Montana Instruments vereint hohe thermische Stabilität (5 mK) und Vibrationsstabilität (5 nm peak-to-peak) in einem geschlossenen optischen Kryostaten mit einer Basistemperatur unterhalb des Siedepunktes von flüssigem Helium (4,2 K).

Ein Großteil des Erfolges der Cryostation basiert auf dem innovativen Design für eine geringe Drift und geringe Vibrationen.

Einige der klassischen Herausforderungen bei einem optischen Kryostaten sind die thermische Kontraktion von Komponenten während des Abkühlens von Raumtemperatur auf tiefe Temperaturen, die Bewegung von thermischen Komponenten durch die Kontraktion von flexiblen Elementen, wie zum Beispiel bei einem Faltenbalg unter Vakuum, und Kraftübertragung durch schwingungsdämpfende Komponenten.

Um die Verschiebung der Probe durch thermische Kontraktion von Komponenten beim Abkühlen auf tiefe Temperaturen zu minimieren, wurde ein kryogener Probenhalter entwickelt, welcher aus alternierend ineinandergesteckten Trägermaterialien besteht, die gleichmäßig ausgeglichene thermische Kontraktionen besitzen und so die gesamte Verschiebung des Probenhalters auf nahezu null reduzieren. Um die Herausforderungen von beweglichen Teilen durch das Vakuum zu adressieren, nutzt die Cryostation zwei symmetrisch angeordnete Faltenbälge, um eine Nettokraft von null auf die Probenkammer zu erzeugen (siehe Abbildung). Im Zentrum ist der vertikale Kryokühler-Aufbau mit einem horizontalen Kupferstab, welcher bis in die Probenkammer auf der rechten Seite reicht. Zwei Faltenbälge sind symmetrisch an der Basis der Kryokühler-Halterung in der Richtung der Kaltfinderachse platziert. Wenn das System nur einen Faltenbalg auf der rechten Seite besitzen würde, würde der Druckabfall beim Evakuieren des Faltenbalges diesen komprimieren und die Bewegung des Kaltfingers lateral verstärken. Dies würde nicht nur zu einer Verschiebung von thermischen Komponenten führen, sondern auch eine gleich große und entgegen gerichtete Kraft von Federn oder Dämpfern benötigen, um diese auszugleichen. Außerdem würde dies auch zu einer Kraftübertragung durch den Faltenbalg führen, was zu einer Erhöhung der Vibrationen in der Probenkammer führen würde.

Mit zwei Faltenbälgen ist die Druckdifferenz derart ausbalanciert, dass keine laterale Kraft auf die Probenkammer wirkt, auch bei Änderung des Vakuumlevels keine Verschiebung von thermischen Komponenten stattfindet und eine minimale Kraftübertragung durch die dünnen Faltenbälge eintritt.

montana

Das hier beschriebene ist eines von vielen innovativen Designelementen, die in Montana Instruments Produkten eingebaut sind und die die Drift drastisch reduzieren. Die Patentansprüche sind ausführlich im US-Patent 8746008 B1, “Low vibration cryo-cooled sytem for low temperature microscopy and spectroscopy applications.“ nachzulesen.

Der Vorteil für Sie als Anwender ist, dass Sie Ihr Experiment bei Raumtemperatur aufbauen können. Sobald das System kryogene Temperaturen und ein gewisses Vakuum erreicht hat, bleibt Ihre Probe sicher und stabil im Sichtfeld Ihres optischen Experiments. Falls Sie mehr darüber herausfinden wollen, wie Montana Instruments die Herausforderungen von thermischer Stabilität und Vibrationsstabilität in Forschungsgeräten löst, kontaktieren Sie uns einfach.


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