美国 Janis 定制型稀释制冷机超低温系统

定制型稀释制冷机系统

       最新 Janis 为美国国家标准技术研究所（NIST）的新纳米科学和技术中心（CNST）安装一台新型超高真空JDR-500 稀释制冷机。该系统包括高达15Tesla的带补偿线圈的超导磁体和进入强磁场中心的通道。使用顶部操作器，大中心通道允许原位制样，且STM探针尖传送至磁体中心时不会将系统温度升至4K以上。集成式预冷回路在不需要任何交换氦气的情况下可使系统预冷至4K。

该制冷系统通过改造来满足用户的特殊要求：首先1.5″的中心孔穿过包括混合室在内的每个冷板和各个室。混合室上部还有两个0.95″的侧面通孔，此外还提供一些小端口供辅助装置（如快门）的安装。

气体处理系统包括隔膜泵/压缩机和Alcatel罗茨泵和机械旋片泵。混合冷凝单元包括JT冷台、计算机和手动控制针阀的1K-pot。两个冷凝台可以与低振动测试时使用的JT冷却台互换。初始混合冷凝在1K-pot进行，而常规的循环使用JT模式。NIST提供六个用于超高真空的RuO₂温度传感器，Janis提供超高真空用CMN温度传感器和超导温度定点校准器件。使用超导定点校准器校准CMN温度计，然后用校准后的CMN传感器校准安装于混合室的RuO₂温度计。

用于超高真空的稀释制冷机配有全金属密封的CF和VCR法兰（非铟密封法兰）。在IVC法兰下面使用非磁性的奥氏体不锈钢和铜合金材料。所有表面经过不锈钢的电化学抛光处理和24克拉镀金OFHC铜处理来减小放气量。稀释制冷机通过结构加固提高共振频率，加强了轴向和扭转强度。专门开发与UHV下使用的屏蔽引线成为Jains超高真空系统的标准。插件可以在特制的烘烤室内烘烤至100℃，而稀释制冷单元使用专用预冷线控温。高效蒸气屏蔽的液氦杜瓦（包括磁体系统和稀释制冷单元）的蒸发率小于0.7 L/h，保证了每次液氦加装后的使用时间超过9-10天。

通过定制的超高真空（UHV）稀释制冷机对显微镜系统制冷，显微镜系统可 in-situ tip 和 sample exchange。通过三个独立的隔振台以及稀释制冷机的精心设计，该系统 tip-sample junction 可获得 Sub picometer (亚皮米)稳定性。该系统可根据需要与辅助 UHV 真空腔相连接，比如可连接制备金属或半导体样品的生长腔、表征针尖特征的场离子发射显微镜、完全独立的快速获得低温的扫描隧道探针显微镜（STM）和原子力显微镜（AFM）系统等。

该系统已安装成功，达到10mK的低温（有大约 100 根屏蔽线连接混合室），在1K Pot或 JT 工作模式下，100mK时的制冷量超过 300 微瓦。当以中等速度扫场超过 10T 时，CMN 温度传感器没有观察到升温现象。扫描隧道探针显微镜分辨率结果：可分辨磁场下外延石墨烯样品的量子朗道能级，包括可分辨电子和自旋解简并的子能级。

JDR-500型不透光稀释制冷机-专用于低温传感器的R&D

2006年9月，Janis 公司为 NIST 设计了一款用于低温传感器的研究和开发的特别型 JDR-500型稀释制冷机系统。配备专门定制的防辐射屏能最大限度地屏蔽红外辐射和真空磁场。采用各种措施阻止光线进入样品室（如舌状凹槽法兰和抽头式排气管），绝大部分孔洞用盲板密封，一些透明孔用密封盖覆盖实现对红外辐射的屏蔽。两层铁-镍合金屏蔽层、低温去磁的 IVC 和蒸馏室屏蔽层，包括使用大量的特制非磁性材料、螺栓、螺旋管、垫片等等，可以把地球磁场屏蔽到只剩下不到百分之一。和所有Janis稀释制冷机一样，该系统只用弧焊和镀银接头，并且经过快速降温至77K并检漏。

该系统配有一台 Alcatel  罗茨泵和操作简单的 Janis 手动气体处理系统。标准配置包括两个液氮冷阱和一个4K冷阱。计算机控制 MKS 流量计、两个数字气压传感器和 LSCI 370S AC 桥式阻抗，配有Labview环境和Janis软件。混合室温度仪表使用Janis外置CMN温度传感器和超导定点温度校准器，SI RuO₂温度传感器用作辅助温度仪表（1K pot，蒸馏室和中间冷板）。混合室安装用于校准的 Janis 阻抗温度计（47 Ohm Matsushita），之后作为样品温度计。IVC 和 1K pot 法兰上预留足够空间用于电子设备安装，同时预留三个大透明端口供通向混合室的铜轴屏蔽线使用。所有结构都进行加固用于重型（100kg）和大型待测器件的安装，包括加固一些辅助设备如样品操作器和冷光学组件。

首次冷却实验就远远超过指标要求，在优化循环速率下，在混合室底部的镀金铜板处测得的最低温度为 7.5mK ，在 100mK 时的最大制冷量为 443 微瓦。环绕 DUT 周围 ICP 和大块铜屏蔽层最低温度为 40mK 。在优化循环速率下气体屏蔽杜瓦中液氦消耗量为 0.8L/h ，加装液氦间隔为 3-4天。根据数据分析表明，使用标准 JDR-500 冷却台在更高的循环速率下可以得到更大的制冷量。热交换器和混合室采用模块化设计，采用更大的泵和可编程逻辑自动气体处理该系统可平滑地过渡为 JDR-1000 平台。