Ingen flytende helium, men fortsatt ekstremt kul

When HOT LAVA meets COLD LIQUID NITROGEN! (Februar 2019).

Anonim

NIST-forskere har utviklet et nytt hybridsystem for avkjøling av superledende nanowire-sensondetorer (SNSPD) - viktige verktøy for mange typer banebrytende forskning - det er langt mindre enn de som tidligere ble demonstrert, og det eliminerer behovet for konvensjonelle kryogener - for eksempel flytende helium.

SNSPDs benyttes i ultra-sikker kvantkommunikasjon, defektanalyse av småskala integrerte kretser, laserbasert lysoppdagelse og spredning (LIDAR) og biologisk forskning, blant mange andre applikasjoner. Dimensjoner på en individuell detektor er ikke mye større enn bredden på et menneskehår. Fordi de er basert på superledende materialer, opererer de ved ekstremt lave temperaturer bare noen få kelviner over absolutt null.

Historisk sett har dette kjølenivået vanligvis blitt oppnådd med flytende helium-systemer som er kostbare, kompliserte, store og krever betydelig kompetanse til å operere og vedlikeholde trygt. I de siste årene har det vært økende interesse for hele verden for å finne alternativer. NIST-arbeidet er en milepæl i den innsatsen.

"SNSPDer kunne bli distribuert mye mer hvis et kompakt, lavt strømkjølesystem var tilgjengelig, " sier NIST-fysikeren Sae Woo Nam, som utviklet den nye metoden med NIST-kollegaene Vincent Kotsubo, Joel Ullom og andre.

"Da vi begynte vårt arbeid, eksisterte ikke noe slikt system, " sier Nam. "Det nærmeste ved det var en enhet om størrelsen på en varmtvannsbereder som trekker 1, 5 kilowatt kraft. Det er unødvendig høyt. Selv om vi trenger å kjøle SNSPDene til svært lave temperaturer, er enhetens størrelse og natur slik at mengden varme som skal fjernes, er ganske liten - i nærheten av noen få hundre mikrogatter. "

Lagets prototype kjøler, kjøre-, kontrollelektronikk og instrumentering er 0, 31 m høy og 0, 61 m lang. Når alt ingeniørarbeidet er ferdig, tror forskerne at det lett vil passe i et vanlig elektronikkstativ. Dens kraftbehov er ca 250 watt.

"Dette arbeidet er også i tråd med en av NISTs mål - utviklingen av" usynlige "kryogen systemer, sier Kotsubo, ledende designer av systemet. "Det vil si at de ikke bare er fysisk små og krever lav strøm, men de er praktisk talt" black box "-enheter. Brukerne må bare slå på og det fungerer. Det vil bidra til å overvinne en felles psykologisk barriere som kryogenikk er teknisk vanskelig og farlig."

NIST-gruppens nåværende prototype-enhet, beskrevet i IEEE Transactions on Applied Superconductivity, går langt i retning av dette målet. Den er avhengig av et hybridkjølesystem som omfatter en Joule-Thomson-kryokooler (JT) og et pulserende kjøleskap (PTR). Begge deler noen vanlige elementer med kjølesystemet i et hjem kjøleskap: En gass er vekselvis komprimert og kan deretter utvides, og sender termisk energi til en veksler som fjerner varmen fra systemet. Systemet er helt lukket. "Vi resirkulerer gassen kontinuerlig, komprimerer den og rekomprimerer den, " sier Kotsubo.

PTR kan nå temperaturer så lave som 10 K. Den brukes til forkjøling av JT, som kan nå under 2 K. SNSPD har krevd driftstemperaturer i 1 K - 2 K-området.

"Vi krymper tingene ned i en skala hvor det ikke er noen tekniske tommelfingerregler for å hjelpe deg med utformingen, eller bestemme hvilke materialer du skal bruke, " sier Nam. "Bare en håndfull mennesker har gjort noe arbeid i dette området. Alt er skreddersydd, unntatt kompressorene. Vi prøver å komme opp med et design som faktisk kan produseres."

Den opprinnelige planleggingen ble støttet av det nasjonale sikkerhetsbyrået, som har en pågående interesse for små, bærbare telekommunikasjonsapparater. "De ønsket en papirstudie, " sier Nam, "og Vince gjorde det. Det så ut som om vi faktisk kunne bygge noe, så NSA finansierte den første delen av å bygge prototypen."

Prosjektet - som fremdeles er i de tidlige stadiene - mottar nå finansiering etter en samarbeidsforsknings- og utviklingsavtale (CRADA) med et Michigan-firma kalt Quantum Opus, som forventer å kommersialisere teknologien. Firmaet støttes av et Small Business Innovation Research-stipend fra Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA).

Grunnleggeren av Quantum Opus, fysikeren Aaron Miller, mener at "dette vil være det minste, lavest effektive kontinuerlig driftskryogene systemet som kan nå mindre enn 2 kelviner. Ideelt sett kan det flytte eksperimenter som vanligvis vil være knyttet til høyspenning veggplugg og vannkjølesystem i flere mobile miljøer som fly og telekommunikasjonsdataskåper. Som med mange DARPA-prosjekter, er applikasjonene ikke fullt kjent ennå. Men forhåpentligvis vil eksistensen av dette systemet få folk interessert i nye applikasjoner som tidligere var umulige. "

"Jeg er spent på det langsiktige målet om å lage kryogenikere usynlig for sluttbrukeren, " sier Nam. "På den måten kan folk fokusere på problemene de prøver å løse i stedet for å bruke mye tid på kompliserte kjølesystemer.

"Dette er en del av en større innsats der organisasjoner kan spare millioner av dollar ved å gå cryogenfritt. Med den rette investeringen i strategiske områder som dette kan forenkling av måleinfrastrukturen få stor innvirkning."

menu
menu