Runter auf 2 Kelvin – Die Uhr tickt …
In diesem Artikel geht es darum, wie man mit dem DynaCool am schnellsten eine Probentemperatur von 2 K oder -271°C erreichen kann. Wir beginnen bei 302 K, also etwas über der normalen Umgebungstemperatur. Das DynaCool, oder genauer gesagt das PPMS-DynaCool, ist ein System zur Messung physikalischer Eigenschaften bei hohen Magnetfeldern und tiefen Temperaturen. Die Messgrößen beziehen sich je nach Ausstattung auf das magnetische, elektrische oder thermische Verhalten. Die Bedienung erfolgt einfach über eine Sequenz in der professionellen Windows-Software, in der der Bediener die Reihenfolge der auszuführenden Befehle festlegt. Dazu sind keine Programmierkenntnisse erforderlich (über die der Autor dieser Zeilen auch nicht verfügt). Die Sequenz ist in der Abbildung dargestellt. Unser Vorgehen ist wie folgt. Wir starten ein Logfile für die Daten – uns interessiert vor allem die Temperatur und der Temperaturstatus – danach beginnt die Temperaturregelung des DynaCool. Der maximal mögliche Eingabewert ist 50 Kelvin/Minute, den wir nicht ganz erreichen; unsere Spitzengeschwindigkeit liegt bei knapp 30 Kelvin/Minute. Nach ca. 29 Minuten unterschreiten wir eine Probentemperatur von 10 Kelvin und somit ergibt sich eine durchaus beachtliche Durchschnittsgeschwindigkeit von ca. 10 Kelvin/Minute. Mit dem Unterschreiten der 10-Kelvin-Marke schaltet die Temperatursteuerung automatisch den Kühlmodus auf den sogenannten „Low Temperature Flow“ um. Dieser Modus kühlt nun langsamer, aber kälter. Dazu verändert die Software die Durchflusswerte der beiden Kapillaren, die das Herzstück der Temperaturregelung bilden. Unterhalb von 10 Kelvin muss die Basistemperatur von 1,85 Kelvin erreicht und stabilisiert werden. Das System kann beliebig lange auf 1,85 Kelvin gehalten werden.
Unser Ziel liegt mit 2 Kelvin etwas darüber und es geht etwas ruhiger voran. Insgesamt sind nicht einmal 45 Minuten auf der Uhr, um die 2 Kelvin zu erreichen. Die Temperatur pendelt sich schnell ein – keine Schwankungen, kein Über- oder Unterschwingen, Rauschen nur im Milli-Kelvin-Bereich. Die gesamte Temperaturkurve ist in der Abbildung dargestellt (zur besseren Darstellung ist die Temperatur logarithmisch aufgetragen).
Entsprechend der Sequenz verweilt das DynaCool für fünf Minuten bei 2 Kelvin, um dann wieder auf 300 Kelvin hochzufahren.
