Улучшение процесса автоматической стабилизации температуры в криовакуумной установке

Предмет исследования. Рассмотрены вопросы температурной стабилизации в установках, предназначенных для выполнения исследований свойств молекул при низких и сверхнизких температурах. Актуальность работы обусловлена необходимостью повышения скорости и точности получаемых данных, на которые в основном оказывает влияние температура исследования.
Метод. С помощью инструментов программирования графической среды LabView создана управляющая программа для термоконтроллера LakeShore 325, реагирующая на приближение (рабочей) температуры к температуре (заданной) контрольной точки. Добавление элементов управления мощностью нагревательного элемента и временем включения PID-регулятора позволяет использовать их более гибко. Проведена верификация метода стабилизации для контрольных точек температуры 40, 100, 150 и 200 К.
Основные результаты. Сравнение предложенной программы стабилизации температуры со стандартным решением в виде PID-регулятора показало его преимущество. Получено увеличение скорости достижения контрольных точек до двух порядков. Цифровизация термоконтроллера LakeShore 325 дала возможность выполнять дальнейшие работы по совершенствованию температурной стабилизации.
Практическая значимость. Полученное увеличение соотношения точность–время при стабилизации позволило в разы улучшить качество проводимых измерений в области низких температур. Внедрение цифровой версии терморегулирующего прибора открывает возможности для дальнейшей автоматизации криовакуумных установок с помощью объединения программы термоконтроля с другими программами, регистрирующими, например, спектры при определенных значениях температуры.

1. Lee Y., Halperin W.P. Recent progress and new challenges in quantum fluids and solids. Journal of Low Temperature Physics, 2017, vol. 189, no. 1, pp. 1–14. https://doi.org/10.1007/s10909-017-1800-4

2. Jones A.T., Scheller C.P., Prance J.R., Kalyoncu Y.B., Zumbühl D.M., Haley R.P. Progress in cooling nanoelectronic devices to ultra-low temperatures. Journal of Low Temperature Physics, 2020, vol. 201, no. 5, pp. 772–802. https://doi.org/10.1007/s10909-020-02472-9

3. Debenedetti P.G., Stillinger F.H. Supercooled liquids and the glass transition. Nature, 2001, vol. 410, no. 6825, pp. 259–267. https://doi.org/10.1038/35065704

4. Cavagna A. Supercooled liquids for pedestrians. Physics Reports, 2009, vol. 476, no. 4-6, pp. 51–124. https://doi.org/10.1016/j.physrep.2009.03.003

5. Ediger M.D., Angell C.A., Nagel S.R. Supercooled liquids and glasses. The Journal of Physical Chemistry, 1996, vol. 100, no. 31, pp. 13200–13212. https://doi.org/10.1021/jp953538d

6. Hodge I.M. Enthalpy relaxation and recovery in amorphous materials. Journal of Non-Crystalline Solids, 1994, vol. 169, no. 3, pp. 211–266. https://doi.org/10.1016/0022-3093(94)90321-2

7. Yokoyama D. Molecular orientation in small-molecule organic lightemitting diodes. Journal of Materials Chemistry, 2011, vol. 21, no. 48, pp. 19187–19202. https://doi.org/10.1039/C1JM13417E

8. Galliou S., Imbaud J., Goryachev M., Bourquin R., Abbé P. Losses in high quality quartz crystal resonators at cryogenic temperatures. Applied Physics Letters, 2011, vol. 98, no. 9, pp. 091911. https://doi.org/10.1063/1.3559611

9. Buehler W.J., Gilfrich J.V., Wiley R.C. Effect of low-temperature phase changes on the mechanical properties of alloys near composition TiNi. Journal of Applied Physics, 1963, vol. 34, no. 5, pp. 1475–1477. https://doi.org/10.1063/1.1729603

10. Öberg K.I., Garrod R.T., van Dishoeck E.F., Linnartz H. Formation rates of complex organics in UV irradiated CH3OH-rich ices. I. Experiments. Astronomy & Astrophysics, 2009, vol. 504, no. 3, pp. 891–913. http://doi.org/10.1051/0004-6361/200912559

11. Parise B., Castets A., Herbst E., Caux E., Ceccarelli C., Mukhopadhyay I., Tielens A.G.G.M. First detection of triplydeuterated methanol. Astronomy & Astrophysics, 2004, vol. 416, no. 1, pp. 159–163. http://doi.org/10.1051/0004-6361:20034490

12. Drobyshev A., Aldiyarov A., Sokolov D., Shinbaeva A., Nurmukan A. IR Spectrometry studies of methanol cryovacuum condensates. Low Temperature Physics, 2019, vol. 45, no. 4, pp. 441–451. https://doi.org/10.1063/1.5093525

13. Aldiyarov A., Aryutkina M., Drobyshev A., Kaikanov M., Kurnosov V. Investigation of dynamic glass transitions and structural transformations in cryovacuum condensates of ethanol. Low Temperature Physics, 2009, vol. 35, no. 4, pp. 251–255. https://doi.org/10.1063/1.3114588

14. Drobyshev A., Aldiyarov A., Zhumagaliuly D., Kurnosov V., Tokmoldin N. Thermal desorption and IR spectrometric investigation of polyamorphic and polymorphic transformations in cryovacuum condensates of water. Low Temperature Physics, 2007, vol. 33, no. 5, pp. 472–480. https://doi.org/10.1063/1.2737563

15. Aldiyarov A., Aryutkina M., Drobyshev A., Kurnosov V. IR spectroscopy of ethanol in nitrogen cryomatrices with different concentration ratios. Low Temperature Physics, 2011, vol. 37, no. 6, pp. 524–531. https://doi.org/10.1063/1.3622633

16. Drobyshev A., Aldiyarov A., Katpaeva K., Korshikov E., Kurnosov V., Sokolov D. Transformation of cryovacuum condensates of ethanol near the glass transition temperature. Low Temperature Physics, 2013, vol. 39, no. 8, pp. 714–718. https://doi.org/10.1063/1.4818634

17. Pontoppidan K.M., Fraser H.J., Dartois E., Thi W.-F., van Dishoeck E.F., Boogert A.C.A., d’Hendecourt L., Tielens A.G.G.M., Bisschop S.E. A 3-5 μm VLT spectroscopic survey of embedded young low mass stars I Structure of the CO ice. Astronomy & Astrophysics, 2003, vol. 408, no. 3, pp. 981–1007. https://doi.org/10.1051/0004-6361:20031030

18. McCarthy C., Castillo-Rogez J.C. Planetary ices attenuation properties. The Science of Solar System Ices. New York, Springer, 2013, pp. 183–225. https://doi.org/10.1007/978-1-4614-3076-6_7

19. Moore M.H., Hudson R.L. Far-infrared spectra of cosmic-type pure and mixed ices. Astronomy and Astrophysics Supplement Series, 1994, vol. 103, pp. 45–56.

20. Interstellar Dust: Proceedings of the 135th Symposium of the International Astronomical Union, Held in Santa Clara, California, July 26–30, 1988. Ed by L.J. Allamandola, A.G.G.M. Tielens. Springer Science & Business Media, 1989, XVI, 526 p. https://doi.org/10.1007/978-94-009-2462-8

21. Baragiola R.A. Water ice on outer solar system surfaces: Basic properties and radiation effects. Planetary and Space Science, 2003, vol. 51, no. 14-15, pp. 953–961. https://doi.org/10.1016/j.pss.2003.05.007

22. Ferraro J.R., Sill G., Fink U. Infrared intensity measurements of cryodeposited thin films of NH3, NH4HS, H2S, and assignments of absorption bands. Applied Spectroscopy, 1980, vol. 34, no. 5, pp. 525–533. https://doi.org/10.1366/0003702804731339

23. Warren S.G. Optical constants of carbon dioxide ice. Applied Optics, 1986, vol. 25, no. 16, pp. 2650–2674. https://doi.org/10.1364/AO.25.002650