trillingisolatie middels parallele frames

secundair frame

parallel primair en secundair frame

simulatie op stijfheid - secundaire frame

top view hexagonale ring

cryostaat

Voor natuurkundige experimenten bij zeer lage temperaturen, zoals uitgevoerd aan de Universiteit Leiden, wordt gebruik gemaakt van cryostaten. Dit zijn koelsystemen om een systeem tot nabij het absolute nulpunt (0,01 Kelvin) te kunnen koelen.

Voor de eerste koelstap wordt daarbij gebruik gemaakt van een zogenaamde pulsbuiskoeler (pulse tube refrigerator; PTR). Een dergelijke PTR maakt gebruik van een gesloten circuit van heliumgas dat periodiek wordt gecomprimeerd in het warme deel van het systeem en vervolgens wordt geëxpandeerd in de koude delen van de PTR, die zich in de cryostaat bevinden. Daarbij komen trillingen vrij. 

Voor beter subatomair deeltjesonderzoek van de natuurkundige faculteit van de Leidse universiteit is ACE gevraagd een constructie te ontwerpen die de trillingen van de cryostaat reduceert.Een multidisciplinair team ontwierp en realiseerde een oplossing voor trillingsisolatie met dubbel frame:  

  • een primair binnenste frame dat het experiment ondersteunt; mechanisch geïsoleerd van het buitenste frame,
  • een secundair buitenste frame, evenwijdig aan het reeds bestaande frame met zeer hoge stijfheid dat de trillingsgenererende pulsbuiskoeler (PTR) ondersteunt; hiermee worden de trillingen onderdrukt. 

Het nieuwe secundaire frame heeft op de top een gelaste ring waarin de pulsbuis is gemonteerd. Aldus werd de pulsbuis van de rest van de cryostaat gescheiden. De constructies zijn zo ontworpen dat het primaire en secundaire frame op verschillende steunbalken gemonteerd zijn en mechanisch volkomen los van elkaar zijn.

Om de vacuümkamer van de cryostaat te sluiten, was er nog steeds behoefte aan een flexibele, maar vacuümdichte verbinding tussen cryostaat en pulsbuis, in dit geval een aan de rand gelaste balg. Vanwege de krachten die voortkomen uit de pulsbuis en de gewenste reductie van trillingsniveaus, stelde het team vast dat het frame en de vacuümaansluiting aan de volgende eisen zouden moeten voldoen:

  • stijfheid frame pulsbuis 1*EN/m
  • stijfheid balg, lager dan 1*EN/m

Most important is that the vibrations that were previously present at 1.4 Hz and 2.8 Hz (the frequency of the pulse tube) are no longer observed. The vibration level now appears to be limited by the vibrations present in the laboratory.

Het project is uitgevoerd in een samenwerkingsverband van 7 partijen waaronder Hittech Multin, Innoseis, Universiteit Leiden en ACE. Voor meer informatie verwijzen wij naar onderstaande publicatie.