Vibrationen im OptiCool – Einmal genauer nachgeschaut
Das OptiCool ist ein optischer Kryostat mit supraleitenden Magneten und geschlossenem Heliumkreislauf von Quantum Design. Der supraleitende Magnet erfordert einen großen Kaltkopf, welcher konstruktionsbedingt erhebliche Vibrationen emittiert. Dank einer neuartigen Vibrationsisolierung ist die Probenkammer mechanisch fast vollständig vom Kaltkopf entkoppelt. Es gibt unterschiedliche Wege, eine geringe Vibrationsamplitude zu erreichen, wie dieser Artikel am Beispiel des X130 Positioniersystems zeigen wird. Allein die Amplitude reicht nicht aus, um die Performance bestimmter Versuchsaufbauten vorherzusagen.
Am Probenhalter, Sample Pod genannt, liegt die Amplitude bei gerade einmal 10 nm Peak-to-Peak bei 1.7 K Basistemperatur. Für die meisten Anwendungen wird ein Piezo-Positioniersystem für den Probenhalter benötigt. Diese Positionierer haben eine niedrige Resonanzfrequenz und schwingen entsprechend stark, wenn sie angeregt werden. Auch bei Kryostaten mit einer Vibrationisolierung ist die Amplitude auf den Positionierern deswegen nicht selten um einen Faktor 5 - 10 höher als am Boden der Probenkammer.
Das X130 Positioniersystem besteht aus zwei ANPx311/RES/LT/HV Piezos (X und Y) und einem ANPz102/RES/LT/HV (Z) von Attocube. Gemessen wurde mit einem SmarAct PicoScale Laser Interferometer, welches auf eine Bandweite von 153 Hz eingestellt wurde.
Abb. 1
Abbildung 1 zeigt die zeitabhängige Auslenkung in (a) horizontaler und (b) vertikaler Richtung. Die Peak-to-Peak Auslenkung liegt gerade einmal bei 8-9 nm horizontal und 1.5 nm vertikal. Das sind dieselben Werte, wie sie auch direkt auf der Oberfläche des Sample Pods gemessen werden. Die Vibrationen fallen trotz des Positioniersystems nicht höher aus. Die Erklärung liegt in den geringen Kräften, welche auf den Sample Pod wirken. Eine geringe Amplitude kann entweder durch eine Minimierung der wirkenden Kräfte und/oder durch eine Konstruktion mit hoher Steifigkeit und damit hoher Resonanzfrequenz erreicht werden. Dass die geringe Steifigkeit der Piezos die Performance nicht verschlechtert, zeigt deutlich, dass kaum kinetische Energie vom Kaltkopf auf den Probenhalter übertragen wird. Es ist damit nicht notwendig eine Konstruktion hoher Steifigkeit zu verwenden. Das gilt entsprechend auch für alle Hardware, welche im Zuge des Experiments auf dem Sample Pod installiert wird (z.B. Probenhalter oder – wie gezeigt – Positioniersystem).
