Nel laboratorio in questione sono presenti 3 criostati usati usualmente per caratterizzazione rivelatori ed elettronica di readout da circa 3 K a circa 20 mK. Tutti questi criostati sono di tipo “dry”, ovvero non necessitano di criogeni liquidi in “perdita” per poter raggiungere le loro temperature di target essendo a “ciclo chiuso”.
In particolare tali criostati sono pilotati da:
- Un refrigeratore a diluizione He3/He4 (Tbase < 10 mK) accoppiato ad un Pulse Tube (Tbase < 3 K) per pre-raffreddare l’inserto a diluizione
- Un ADR della Vericold (Adiabatic Demagnetization Refrigerator) (Tbase < 50 mK) accoppiato ad un Pulse Tube (Tbase < 4K) per pre-raffreddare l’inserto ADR. Il criostato opera all’interno di cabina schermata per EMI, IN/OUT filtrati da filtri passa-basso, e schermo di mu-metal per attenuare campo magnetico esterno
- Un Pulse Tube della Transmit (Tbase < 3K)
Tutti i Pulse Tube operano con gas He6.
Tutti questi criostati sono equipaggiati con sistemi di termoregolazione attiva di tipo PID, corredati pertanto da strumentazione dedicata. Sono inoltre previsti per tutti e tre due ingressi ottici fino allo stadio a piu’ bassa temperatura, usualmente chiusi con flange cieche.
Tipicamente il livello di vuoto al quale si fa partire il raffreddamento, realizzato con pompe a secco sia nello stadio di pre-vuoto che in quello successivo, e’ tra 10-2 e 10-3 mbar, a seconda del criostato, per arrivare ad una pressione finale in esercizio tra 10-5 e 10-6 mbar.
Tutti i parametri di ambiente (temperature, pressioni livello di vuoto, etc…) vengono acquisiti attraverso programmi o da noi sviluppati (s/w National Instruments) oppure proprietari sviluppati dalla casa madre.
L’uso di questi criostati e’ necessario per caratterizzare rivelatori criogenici superconduttivi basati su TES (Transition Edge Sensor) e relativa elettronica di lettura criogenica basata su SQUID (Superconducting QUantum Interference Device) sia per sviluppi R&D che abilitanti tecnologie adottate a bordo della missione Athena per lo strumento X-IFU (rivelatore per anticoincidenza di particelle denominato CryoAC)
Poiche’ i Pulse Tube sono collegati a compressori che ciclano gas He6, tali compressori devono essere raffreddati ad acqua. La presente facility dispone di un chiller a ciclo chiuso che permette questa operazione.
Il refrigeratore a diluzione necessita di azoto liquido per il raffreddamento di una trappola esterna, utilizzata per mantere pulita la miscela di He3/He4. Il consumo tipico e’ di 180L di azoto liquido per mese di operazione.
La gestione dei criostati prevede due unità di personale per poter installare gli esperimenti e preparare il setup. Successivamente, salvo imprevisti, e’ necessaria una sola unita’ di personale per gestire le operazioni che sono in maggior parte automatizzate.
La facility in questione e’ nata nell’ambito di progetti R&D e successivamente finalizzata ad attivita’ di supporto per lo sviluppo del rivelatore CryoAC a bordo dello strumento Athena X-IFU. Stante l’attuale pianificazione delle attivita’, tale facility e’ al momento impegnata al 100% fino al 2025.
CARATTERISTICHE TECNICHE
Refrigeratore a diluizione (Oxford Triton DU7 – 500):
Volume a T < 100 mK: ~ 11 litri (F = 240 mm, h = 240 mm)
Cooling power @100mK: > 450 mW
Cooling power @50mK: 115 mW
Cooling power @4.2K: 1.5 W
Cooling power @45K: 40 W
Refrigeratore a demagnetizzazione adiabatica (VERICOLD):
Volume a T < 100 mK: ~ 1.2 litri (F = 160 mm, h = 60 mm)
Cooling energy (zero carico)@100mK: 83 mJ
Cooling energy (zero carico)@ 50mK: 17 mJ
Cooling power (zero carico) @4K: 0.35 W
Cooling power (zero carico) @50K: 5 W
Refrigeratore Pulse Tube (Transmit PTD-406C):
Volume a T = 4 K: ~ 3.2 litri (F = 162 mm, h = 160 mm)
Cooling power @4K: 0.4 W
Cooling power @38K: 5 W