Die Herausforderung: Forschungsaufbau unter kryogenen Bedingungen

Unser Kunde, die Quantenphotonik-Gruppe der ETH Zürich (ein universitäres Innovations- und Wissenszentrum in der Schweiz) stellte uns folgende Situation vor: Die Gruppe führt ein Experiment in einem Kryotank durch, der an eine große Gasrückgewinnungsanlage angeschlossen ist. Der Druck in diesem Tank schwankte infolge von Ereignissen im Zusammenhang mit dieser Gasrückgewinnungsanlage, die in einem Raum neben dem Forschungsbereich stattfanden. Diese Schwankungen wirkten sich negativ auf die Forschungsmessungen aus. Sie baten PCS, eine Lösung zu liefern, die die Anwendung vor diesen Schwankungen schützt, um zuverlässigere Messungen zu gewährleisten. Mit unserer Leidenschaft für präzise Prozesskontrolle wollte unser Matthias Bogar natürlich dem Kunden helfen, diese Problem zu knacken!

Der Ansatz: Verständnis der Prozessbedingungen

Um alle Prozessanforderungen dieser kryogenen Anwendung zu erfüllen, präsentierte PCS eine Kombination aus einem Equilibar® Low Flow LF1 Vordruckregler (LF-Serie) und einem elektronischen Druckregler von PCS der ERC-Serie; beide sind speziell auf die Prozessbedingungen dieser speziellen Anwendung zugeschnitten, um im Betrieb unter den für kryogenen Anwendungen charakteristischen sehr niedrigen Temperaturen robust zu funktionieren. Doktorand Gian-Marco Schnüriger – Teil der Quantum Photonics Group der ETHZ – erklärt, wie wichtig stabile Druckregelung ist, um mechanische Schwankungen in seiner Forschungsanwendung zu vermeiden und zu korrigieren:

„Die Fähigkeit, mechanische Schwankungen zu stabilisieren, ist ein entscheidender Faktor bei der Arbeit mit Mikroresonatoren, die von Natur aus sehr anfällig für Vibrationen sind. Störungen sind in einer Forschungsumgebung oft nicht vermeidbar, daher ist es sehr wichtig, einen Weg zur Stabilisierung der Umgebung zu finden.“

Schnüriger erklärt weiter, wie die kryogenen Temperaturen in seinem speziellen Setup eine Herausforderung darstellen:

„In unserem Fall erfordert das Experiment kryogene Temperaturen. Dazu wird ein Metallröhrchen mit der Probe in ein Bad aus flüssigem Helium getaucht. Um den Verlust von Helium zu minimieren, wird das verdampfte Gas, ca. 0,3 m³ pro Tag in ein institutsübergreifendes, groß angelegtes Verwertungssystem zurückgeführt. Unsere Probe ist also mit allen anderen kryogenen Systemen in der Nähe gekoppelt, was zwangsläufig eine große Stör- und Vibrationsquelle darstellt.“

Wie in vielen anderen Forschungsfeldern und Anwendungen spielen optische Resonatoren im Forschungsaufbau von Schnüriger eine wichtige Rolle. Er erklärt, wie die Forschungsumgebung die Prozessstabilität weiter herausfordert, die PCS beauftragt war zu optimieren weiter beeinflusst:

„In unserem Fall wird ein faserbasierter Mikroresonator an eine Halbleiter-Quantum-Well-Struktur gekoppelt, um die dabei entstehenden Hybridpartikel zu untersuchen. Die Bedingungen sind wie folgt:

• die Narrow Cavity Linewidth (30ueV);
• das Erfordernis einer in-situ-Einstellbarkeit der Resonatorlänge;
• der später notwendige Freiheitsgrad

Die Erfüllung dieser Bedingungen geht mit einer großen Anfälligkeit für mechanische Schwankungen in der direkten Umgebung einher. Diese Schwankungen wirken sich hauptsächlich auf die Länge des Resonators und damit auf die Resonanzenergie aus. Das beeinflusst wiederum die gemessenen Eigenschaften und kann sogar zu einer Verschiebung aus dem Parameterbereich einer gegebenen Messung führen.“

Mit anderen Worten: Diese Schwankungen gefährden die Zuverlässigkeit und Reproduzierbarkeit der Forschungsergebnisse und sind sehr unerwünscht.

Warum ist in diesem Fall stabile Druckregelung so wichtig?

Um den Einfluss von Umweltschwankungen auf die Prozessstabilität in Schnürigers Anwendung zu verdeutlichen, teilt er dieses Beispiel: Die Befüllung eines weiteren Kryostaten am Ende des Korridors in Schnürigers Forschungsanlage führt zu Schwankungen in der Transmission durch den Resonator als Folge von der Änderungen des Heliumdrucks. Abbildung 1 zeigt, wie dies zu einer Störung, bestehend aus zwei Spitzen, führt. Eine am Anfang und eine noch größere Spitze am Ende der Befüllung, wenn das Kryostatvolumen bereits voll ist und das gesamte überschüssige Helium in die Rückgewinnungsleitung eingespeist wird.

Die Lösung von PCS

Auf Kundenwunsch lieferte PCS eine Produktlösung zur Stabilisierung des Forschungsprozesses von Schnüriger. Diese Lösung besteht aus einem Vordruckregler mit geringem Durchfluss (Modell LF1), zwischen Kryostat und Rückgewinnungssystem platziert. Die LF1-Einheit wird über einen elektronischen Referenzdruckregler geregelt, der ein sehr präzises und stabiles Druckniveau im Dom des Vordruckreglers aufrecht erhalten kann. Dadurch können wir den Druck auf einen Sollwert regeln, der hoch genug ist, um die Schwankungen im Rückgewinnungssystem auszugleichen. Der Druck im Rückgewinnungssystem beträgt ca. 10 mbar und der Druck für den Kryostaten wird vom elektronischen Regler auf 80 mbar eingestellt.

Wie funktionierte diese Lösung für Schnüriger und seine Anwendung zur kryogenen Tankbefüllung?

„Wenn wir die Resonatortransmission während der Füllzeiten des Kryostaten entlang des Korridors betrachten, sehen wir jetzt, dass der Einfluss dieser Schwankungen minimiert wird. Das System ist weitestgehend entkoppelt und externe Einflüsse werden auf ein Minimum reduziert.“

Die Wirkung der von PCS entworfenen Lösung wird deutlich, wenn wir Abbildung 1 mit Abbildung 2 vergleichen; letzteres ist eine Illustration der Messstabilität während der Füllzeiten, nach der Installation der Produktlösung von PCS. Der Unterschied zwischen diesen beiden Grafiken zeigt deutlich die Effektivität der Produktlösung von PCS.

Matthias Bogar von PCS kommentiert:

„Das von PCS an die ETH Zürich gelieferte Produkt-Setup [im Bild gezeigt] ist ein gutes Beispiel für die starke Leistung von Equilibar-Reglern unter ungewöhnlichen oder anspruchsvollen Prozessbedingungen; Das ist genau das, wofür diese Regler entwickelt wurden und was sie von herkömmlichen Reglern unterscheidet.“

In diesem Fall war die Kombination aus niedrigen Drücken und kryogenen Temperaturen eine Herausforderung, die konventionelle Produkte nicht lösen konnten. Herkömmliche Vordruckregler (meist federbelastet) weisen eine hohe Hysterese auf, die eine stabile Tankdruckregelung bei nur wenigen mbar Überdruck fast unmöglich macht. Die Equilibar-Dom-Membran-Dichtungstechnik funktioniert problemlos und ist in der Lage, bis zu sehr niedrigen Drücken zu regeln.

Die Vordruckregler der LF-Serie, wie sie in dieser Anordnung verwendet wurden, können ein Regelverhältnis von mehr als 1:1.000.000 erreichen und sind dank der verfügbaren Materialien (SS316, Hastelloy, Monel, PEEK, PTFE, PVDF etc.) und dank ihres erstaunlich weiten Kv-Bereichs von 8.57E-09 bis 0,06.

Die ERC-Serie (elektronische Referenzdruckregler) ist eine Einzelventil -Druckregler. Dies bedeutet, dass es einen sehr kleinen Bleed hat, entweder in den Regler hinein oder aus ihm heraus. Dadurch wird sichergestellt, dass das Proportionalregelventil kontinuierlich angesteuert wird, was wiederum zu einer Regelstabilität innerhalb von 0,01 % führt, was zu einer außergewöhnlichen und präzisen und stabilen Regelung des Equilibar-Vordruckreglers führt.

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