液氮型低温恒温器

日前，首台由中科院高能所研制的EXFEL大型低温恒温器样机全面通过了德国电子同步加速器研究所（DESY）的测试验收，受到DESY的好评。欧洲X射线自由电子激光（EXFEL）是计划建造在德国汉堡的国际合作的大科学装置。2005年11月24日，科技部代表中国政府正式签署了准备阶段的谅解备忘录，成为EXFEL计划的正式成员，并且拟以实物贡献的方式参加到此次国际合作当中。作为此次国际合作的单位之一，高能所开展大型低温恒温器的样机及其关键技术的研究，样机测试合格后进行批量生产，完成EXFEL国际合作的部分实物贡献，同时通过此次国际合作全面掌握大型低温恒温器的设计、制造、安装及调试等关键技术。EXFEL低温恒温器的长度为12.2m，总重量为7.8吨，其中有2.8吨的冷质量和5吨的真空容器质量。鉴于其独特的结构和性能要求，高能所科技人员在进行大量调研和充分消化吸收的基础上，将原29张图纸转换为206张适合于国内加工制造的技术图纸并分别撰写了相应的工艺和技术要求。同时根据国内外此类产品的加工经验，撰写了详细的产品制造说明书供加工单位参考使用。在加工制造阶段选派组内经验丰富的工程技术人员驻厂进行技术监督和指导工作，帮助生产方进行工艺工装的设计，确保重要部位焊接及机加工严格符合技术要求，在液氮冷激、压力、真空、漏率等重要的性能测试工作中严格把好质量关。对EXFEL恒温器最关键的漏热和支撑部件POST进行了专门研究，针对POST的特殊结构自行设计了拉力试验机对其分层进行不同等级的拉力试验。在整个EXFEL恒温器样机的研制过程中，从材料的采购、零部件的加工制造、性能测试到最后的包装运输每个步骤均进行严格的质量控制，精益求精。样机出厂时邀请了有经验的专家意大利INFN的Carlo. Pagani教授和使用方德国DESY MKS1组 Kay. Jensch参加了出厂测试和预验收，他们对样机制造过程中的工艺方法和质量控制给予高度评价。Carlo. Pagani教授认为此台低温恒温器的制造水准已经超过了对样机的要求，Kay. Jensch则表示中国的研制能力给其留下深刻印象，不会怀疑中国在以后批量生产的技术水平和能力。EXFEL大型低温恒温器样机于2009年3月10日正式发运，4月21日运抵德国。EXFEL网站对这台样机进行了报道，并将其命名为PXFEL1，以区别于西班牙和法国制造尚未完成的样机。5月至7月在德国DESY进行了低温恒温器与超导腔的总装和低温测试，在零下271℃的低温下，恒温器各项技术指标均达到或超过技术要求，表明我所研制的恒温器样机全面通过了DESY方面的测试验收，受到DESY方面的认可和好评。DESY网站再次进行了大篇幅的报道，DESY主管加速器的副所长Brinkmann先生在给高能所姜晓明副所长的电子邮件中将其称为“两所之间高效的、富有成果的、令人愉快的合作典范”。

为了更好地服务国内用户，提供种类更加多样化的低温光学设备以满足国内用户的不同用途和不同的预算。Quantum Design中国子公司与知名的低温设备制造商Lake Shore Cryotronics, Ltd.合作，正式成为其在中国的独家经销商，并于2024年起在国内提供包括Janis恒温器在内的全部Lake Shore相关产品。继Montana Instruments 低温光学系统、OptiCool强磁场低温光学系统后低温光系统再次增加新成员，可以为不同需求用户提供一站式解决方案。型号丰富的Janis低温系统☛ Infinite Helium智能氦液化器Infinite Helium是一款全新的氦液化器，可以将目前各种湿式设备挥发的氦气进行液化并循环利用，采用全新的智能型设计方案，可以满足不同的制冷功率需要，配合湿式低温恒温器使用可以实现闭循环、低振动解决方案，可以兼容其他制造商的多种湿式低温设备。尤其是目前需要超低振动环境的低温设备面临着不能直接安装制冷机升级，而传统的氦液化器对氦气的回收率不高的困境。Infinite Helium的诞生可以有效解决此类问题，可以令湿式设备在高效率闭循环的工作下而不影响任何设备性能。新型的设计方案通过智能触屏即可实现对设备的全面控制。Infinite Helium智能氦液化器 ☛ CCS干式低温恒温器系统CCS干式系列低温恒温器是一款可提供1.5 K、4 K、10 K不同极限低温的系统。该系列恒温器采用制冷机制冷，无需消耗液氦或液氮，操作简单且后期使用成本低，是低温实验的理想选择。根据不同的实验需求，该系列恒温器涵盖了通用型低温恒温器、光学恒温器、低振动光学恒温器，顶部插杆式恒温器、穆斯堡尔谱用恒温器，可为样品提供超高真空、真空或者低温氦气环境。CCS干式低温恒温器系列 ☛ ST、STVP、SVT系列连续流液氦&液氮低温恒温器Janis可提供一系列连续流低温恒温器，温度可低于2 K，高至800 K。根据不同实验需求，可以选择样品处于真空环境或交换气体环境中。可选用顶部插杆式装样和底部装样等方式满足多种光学测量和电学测量的需求。ST-500 与ST-100连续流液氦恒温器☛ VPF、VNF系列连续流液氮低温恒温器VPF系列低温恒温器采用液氮冷却，可提供最高500K、800 K高温环境，样品处于真空中。VPF系统使用和重新填充液氮十分简单，利用重新填充式置换器组件，能够在不影响受控温度的情况下，重新填充LN2储罐。VNF系列低温恒温器中样品处于流动的氮气环境，非常适合不容易固定或者导热较差的样品。该系列恒温器采用顶部装载样品（Top-loading）的方式，允许快速更换样品。VPF-100与VNF100连续流液氮低温恒温器 ☛ RGC系列液氦闭循环系统该系统是一款专门为液氦设备研发的氦气闭循环制冷机，可以使各种湿式恒温器实现闭循环工作，从而节省高昂的液氦费用。设备配合湿式低温恒温器使用可以实现闭循环、低振动的解决方案。此闭循环系统可以兼容其他制造商的多种湿式低温恒温器。RGC氦气闭循环系统与湿式恒温器组成的闭循环恒温器 Montana Instrument超精细多功能无液氦低温光学系统超精细多功能无液氦低温光学系统——CryoAdvance是一款采用新的性能标准和架构而生产的新一代低温光学系统。设备使用简便，可以直接固定在通用型的光学桌面上。减震技术和特殊温度稳定技术的结合，可保证在不牺牲任何便捷性的同时，为实验提供温度稳定性和超低震动环境。CryoAdvance全系列产品都具有超低振动的特点，提供多种配置可选，能够满足每个研究人员对高精度低温光学测量的特殊需求。☛ 标准型超低振动低温光学系统该系统为全干式系统，无需消耗氦气或液氦，可降低实验成本。超低温度波动和纳米级的震动可为各种测量提供稳定的实验环境。 超大温区（3.2K - 350K）与超快的变温速度可提高实验效率。 桌面式设计方案，方便移动，无缝衔接现有的室温实验方案。全自动、优化的温度控制：简单设定目标温度，一键Cooldown。超精细多功能无液氦低温光学系统——CryoAdvance☛ 物镜/磁体集成式超低振动低温光学系统CRYO-OPTIC系统将光学物镜集成到低温系统的样品腔中，在低温下实现超稳定、高质量的大数值孔径成像。CRYO-OPTIC系统的设计消除了在低温设备中使用高倍物镜时所面临的对准和漂移问题。系统对配件和选件具有良好兼容性，允许用户自定义设备的具体配置以满足特殊的实验需求。MAGNETO-OPTIC直接将磁体集成到低温样品腔中。这一附加模块不影响系统本身的稳定性，磁体系统具有完全自动化的控制系统。系统可兼容多种选件和配件，包括内置压电位移器，快速变温样品台等。用户可选择不同配置以满足个性化的实验需求。此外CryoAdvance还可以与穆斯堡尔谱、FMR、MOKE等多种设备配合实现对应的变温测量方案。CRYO-OPTIC、MAGNETO-OPTIC与变温穆斯堡尔谱系统Quantum Design 强磁场低温光学平台超精准全开放强磁场低温光学研究平台-OptiCoolOptiCool是Quantum Design研发推出的全干式超精准全开放强磁场低温光学研究平台。启动和运行只需少量氦气。全自动软件控制实现一键变温、一键变场。系统拥有3.8英寸超大样品腔、双锥型劈裂磁体，可在超大空间为您提供高达±7T的磁场。多达7个侧面窗口、1个顶部超大窗口方便光线由各个方向引入样品腔，高度集成式的设计让您的样品在拥有低温磁场的同时摆脱大型低温系统的各种束缚。新型磁体结合了超大均匀区与超大数值孔径。OptiCool让低温光学实验无限可能。超精准全开放强磁场低温光学研究平台-OptiCoolQuantum Design 作为低温测量领域的知名设备供应商，与众多世界优质厂商深入合作，全力支持科研工作者在低温领域的各项实验。其为全球客户提供的OptiCool强磁场低温光学系统、Montana Instruments低温光学系统已广泛应用于全球众多高校和实验室，每年助力用户发表百余篇高水平学术论文。从二维材料到光学微腔、量子点荧光到超快光谱、再到原子钟等领域的重大开创性工作，都是这些高性能低温光学设备发展史上的里程碑。我们相信随着Janis低温系列产品的加入，Quantum Design中国将进一步壮大其在低温领域的产品线，为科学研究提供更多元化、更具创新的设备和解决方案，持续推动低温相关领域的探索和发展。

随着科学技术的发展，越来越多的研究人员希望在低温下进行量子光学实验，但却没有空间放置占用几立方米宝贵实验室空间的大型低温恒温器。针对此问题，国际知名低温显微镜领域制造商attocube systems AG公司推出了全新一代立光学低温恒温器attoDRY800xs。attoDRY800xs将attoDRY800的革命性概念提升到了一个新的水平，成为量子光学实验中紧凑的平台。该平台可定制低温护罩，配备您想要的光学设置，集成到光学平板中。attoDRY800xs是有史以来个立的光学低温恒温器，低温样品空间地嵌入到一个无障碍的工作空间中。图1. 全新一代立光学低温恒温器attoDRY800xs。 根据典型配置，我们设计了几种标准真空罩和冷屏，它们在定位器、样品架、工作距离和目标方面进行了优化。图2为可配置的低温物镜兼容真空罩，该真空罩内可配置attocube有的低温消色差物镜以及纳米精度位移台。如果仍然不够，可以根据用户的技术要求和偏好定制桌面上方的任何内容。图2：低温物镜兼容真空罩。 尽管设计紧凑，但attoDRY800xs仍能提供出色的超低振动性。图3中激光干涉仪直接测量冷头位置的振动，垂直方向的峰间振动小于2纳米（3纳米），而在横向上低于10纳米（40纳米），带宽为200赫兹（1500赫兹）。图3. attoDRY800xs样品区域振动水平测试结果 紧凑的光学低温恒温器attoDRY800xs保留了原始attoDRY800的所有关键优势，例如类似的低振动性能、通过可定制的真空护罩实现的多功能性，以及自动温度控制、气体处理和远程控制。 因此，attoDRY800xs可以直接在其光学平板上建立一个立的实验，也可以将其放置在现有较大的光学台附近，光学元件之间进行光纤耦合。简而言之， attoDRY800xs为您的科学研究提供一个小型紧凑但功能依然强大的光学低温平台。 attoDRY800xs主要技术特点：☛ 只需要17英寸x28英寸的实验室空间☛ 光学面包架和闭式循环低温恒温器地结合在一起☛ 宽温度范围（3.8 K… 300 K）☛ 用户友好、多功能、模块化☛ 与低温消色差物镜兼容☛ 可定制的真空罩☛ 与典型光学桌的高度相同☛ 自动温度控制☛ 包含36根直流电线attoDRY800应用案例：1. InGaN量子点作为单光子源的提升与改进 虽然量子点通常被认为是单光子源的佳候选，但它们的实际性能在很大程度上取决于化学成分。在氮化物量子点的特殊情况下，一方面它们即使在温度高达350 K的情况下可以发射单光子，另一方面它们的发射会显著加宽。为了了解优化其性能的佳方法，Robert Taylor小组（英国牛津大学）对InGaN量子点的光致发光进行了广泛的研究，发现在非性平面上生长的量子点与性氮化物点相比，光谱扩散率降低，寿命显著缩短。由于在配备有ANPxyz101位移台的attoDRY800低温恒温器中进行了低温光致发光测量，这些发现得以实现。【参考】Robert A. Taylor, et al Decreased Fast Time Scale Spectral Diffusion of a Nonpolar InGaN Quantum Dot. ACS Photonics 2022, 9, 1, 275–281 2. 悬浮纳米颗粒的量子控制 attoDRY800不仅能够为量子光学实验提供一个无障碍的实验平台，而且还可以确保非常干净的高真空条件。Lukas Novotny（瑞士苏黎世ETH）团队出色地利用了这些特性，他们次在低温环境中光学悬浮介电纳米颗粒，并实现了对其运动的量子控制。由于在低温环境中抑制气体碰撞和黑体光子发射所提供的低水平的退相干，从而允许将粒子的运动反馈冷却到量子基态，从而实现了这些结果，反馈控制依赖于粒子位置的无腔光学测量，该测量接近海森堡关系的小值，在2倍以内。此外，量子研究的重要性以及Novotny在其中的作用在ETH董事会2021年的年度报告中有所体现。【参考】Lukas Novotny, et al Quantum control of a nanoparticle optically levitated in cryogenic free space, Nature, 595, 378–382 (2021) 3. 增强单光子量子密钥分配 按下按钮即可发射单光子的工程量子光源是量子通信协议的基本组件。为了大限度地提高量子密钥分发的预期安全密钥和通信距离，柏林理工大学（德国柏林）的Tobias Heindel团队开发了一些工具，以优化使用此类工程单光子发射器实现的量子密钥分发性能。利用二维时间滤波，可以优化预期的安全密钥以及通信距离。该小组在一个基本的量子密钥分发试验台上完成了他们的常规工作，该试验台包括一个量子点装置，该装置向一个四端口接收器发送单光子脉冲，分析飞行量子比特的化状态。单光子源安装在光学attoDRY800光学恒温器的冷台上，冷台与光学平台的集成为光学平台上的冷点提供了简单的解决方案。该团队的方法进一步证明了通过光子统计进行实时安全监控，这是量子通信安全认证的重要一步。【参考】Tobias Heindel, et al Tools for the performance optimization of single-photon quantum key distribution.npj Quantum Information , 6, 29 (2020) 4. 易于使用的单光子实验平台 有效地产生单个、不可区分的光子对于光学量子信息处理的发展至关重要。具体而言，按需创建单光子的探索仅限于某些类型的源和技术。为了实现这一目标，Quandela公司提供光学配件和先进的固态源设备，这些设备每秒可发射数百万个量子纯光子。将attocube的闭式循环低温恒温器attoDRY800与Quandela的半导体量子点发射器相结合，可为复杂的实验和协议提供可靠且易于使用的先进固态单光子源。通过这种稳健的设置，很容易使用单光子源按需生成零、一或两个光子的量子叠加加速芯片多光子实验，并证明该技术可用于大规模制造相同的源。【参考】J. C. Loredo, et al Generation of non-classical light in a photon-number superposition，Nature Photonics ,13, 803–808(2019) 5. 高压下的纳米量子传感器 压力会影响从行星内部的性质到量子力学相位之间的转换等现象。然而，在高压实验装置（如金刚石砧座单元）中产生的巨大应力梯度限制了大多数常规光谱学技术的应用。为了应对这一挑战，由三个小组（按字母顺序）立开发了一种新型纳米传感平台：Jean-Francois Roch小组（法国巴黎大学）、Sen Yang小组（中国香港中文大学）和Norman Yao小组（美国加州大学伯克利分校）。研究人员利用集成在砧座单元中的量子自旋缺陷，在端压力和温度下以衍射限的空间分辨率检测到了微小信号。为此，Norman Yao及其同事使用了台式集成闭合循环attoDRY800低温恒温器，这是快速控制金刚石砧座温度的理想平台，同时提供了大的样品室和自由光束通道。【参考】N.Y.Yao, et al Imaging stress and magnetism at high pressures using a nanoscale quantum sensor,Science 2019:366, 6471,1349-1354 6. 低温拉曼研究气相沉积的二维材料NiI2晶体磁学性质 范德瓦尔斯磁性材料的发现引起了材料科学和自旋电子学界的大关注。制备原子厚度以下的超薄磁性层是一项具有挑战性的工作。纳米科学中心的谢黎明研究员团队报道了气相沉积的NiI2范德华晶体，在SiO2/Si衬底上生长的二维NiI2薄片为5−40纳米，在六角氮化硼（h-BN）上可生长原子层厚度的晶体。随温度变化的拉曼光谱揭示了生长的二维NiI2晶体中的磁性相变。该研究工作使用attoDRY800光学低温恒温器进行了样品冷却，低温物镜（LT-APO/VIS/0.82）用于激光聚焦和信号采集。这项工作为外延二维磁性过渡金属卤化物提供了一种可行的方法，也为自旋电子器件提供了原子层厚度的材料。【参考】Liming XIE, et al Vapor Deposition of Magnetic Van der Waals NiI2 Crystals, ACS Nano 2020, 14, 8, 10544–10551. 7. 范德华异质结构中局域层间激子间的偶相互作用 虽然自由空间中的光子几乎没有相互作用，但物质可以调解它们之间的相互作用，从而产生光学非线性。这种单量子水平上的相互作用会导致现场光子排斥，对于基于光子的量子信息处理和实现光的强相互作用多体态至关重要。美国Ajit Srivastava课题组报道了异质双层MoSe2/WSe2中电场可调的局部化层间激子之间的排斥偶-偶相互作用。具有平面外非振荡偶矩的单个局部化激子的存在将二激发的能量增加约2 meV：大于发射线宽的一个数量，对应于约7 nm的偶间距离。样品被装入闭循环低温恒温器attoDRY800中，课题组自制了低温（~ 4K）显微镜进行PL测量。在较高的激发功率下，多激子络合物以较高的系统能量出现。该发现是朝着创建激子少体和多体态迈出的一步，例如范德华异质结构中具有自旋谷旋量的偶晶体。 【参考】Ajit Srivastava, et al Dipolar interactions between localized interlayer excitons in van der Waals heterostructures, Nature Materials, 19, 624–629(2020) 8. 单层WS2范德华异质结构腔中的光吸收 单层过渡金属二卤化物（TMD）中的激子控制着它们的光学响应并显示出由寿命限制的光−物质强相互作用。虽然各种方法已被应用于增强TMD中的光激子相互作用，但所达到的强度远远不足，并且尚未提供其潜在物理机制和基本限制的完整图片。西班牙Koppens课题组介绍了一种基于TMD的范德瓦尔斯异质结构腔，它提供了在超低激发功率下观察到的近100%激子吸收和激子复合物发射。低温恒温器attoDRY800为光谱吸收实验提供了不同的温度条件（4K-300K）。实验的结果与描述光的激子−空腔相互作用的量子理论框架完全一致。研究发现，辐射、非辐射和退相衰变率之间的微妙相互作用起着至关重要的作用，并揭示了二维系统中激子的普遍吸收定律。此增强型光−激子相互作用为研究激子相变和量子非线性提供了一个平台，为基于二维半导体的光电子器件提供了新的可能性。 【参考】Frank H. L. Koppens, et al Near-Unity Light Absorption in a Monolayer WS2 Van der Waals Heterostructure Cavity, Nano Lett. 2020, 20, 5, 3545–3552图4：低振动无液氦磁体与恒温器—attoDRY系列，超低振动是提供高分辨率与长时间稳定光谱的关键因素。