Controllo delle vibrazioni: L'isolamento a bassa frequenza e rigidità negativa è compatto per la microscopia

Il montaggio dell'isolamento dalle vibrazioni ad alte prestazioni in una piccola piattaforma per microscopio può essere effettuato utilizzando isolatori meccanici a rigidità negativa.

L'imaging di molecole, materiali e interfacce a lunghezze di micro e nanometri può rappresentare una sfida per la microscopia. Le tecniche di micro e nanoanalisi di laboratorio, come la microscopia a forza atomica (AFM), la microscopia a tunneling (STM), la microscopia ottica a superrisoluzione e i metodi avanzati di analisi spettroscopia superficiale come la dispersione Raman (SERS) sono progettati per massimizzare la rigidità e minimizzare la deriva per influenzare l'accuratezza delle registrazioni. Per ottenere immagini precise della composizione, della composizione chimica e del comportamento di queste piccole strutture, è necessario che gli strumenti di microscopia siano posizionati in un ambiente operativo ultrastabile, il più possibile libero da vibrazioni ambientali e operative, in quanto i segnali misurati possono essere influenzati da frequenze che vanno da meno di 1 Hz fino a 400 Hz.

Queste vibrazioni possono derivare da vento, attività sismica, costruzioni e trasporti nelle vicinanze, ascensori, pompe, compressori, ventilatori, motori e attrezzature per il riscaldamento, il raffreddamento, la ventilazione e la sicurezza nei laboratori. Queste sorgenti contribuiscono alla vibrazione ambientale in tutta la struttura dell'edificio, che viene trasmessa attraverso la strumentazione di microscopia sensibile. La vibrazione è tipicamente più pronunciata in quanto la strumentazione si trova ai piani superiori dell'edificio e quando è posizionata più vicino alla sorgente della vibrazione.

Per ridurre o eliminare l'influenza di queste vibrazioni sugli strumenti per microscopia sensibili sono stati utilizzati diversi sistemi di isolamento dalle vibrazioni. Queste soluzioni spaziano da blocchi di gomma relativamente semplici, molle metalliche e breadboard sospesi con corda elastica, a tavoli ad aria più sofisticati, sistemi elettronici attivi e sistemi di isolamento passivo costruiti con tecnologie e materiali più avanzati per un isolamento dalle vibrazioni di precisione alle basse frequenze.

ISOLAMENTO DALLE VIBRAZIONI ADATTABILE

Proprio come la natura della ricerca a livello di micro e nanometri richiede una maggiore precisione di isolamento dalle vibrazioni a bassa frequenza rispetto a quanto precedentemente disponibile con le tecniche tradizionali, così ha richiesto sistemi di isolamento dalle vibrazioni per fornire un maggiore livello di flessibilità di localizzazione e adattabilità ai vincoli di spazio

La superficie del laboratorio di ricerca è sempre più importante. Gli scienziati e gli ingegneri sono tenuti a collocare la loro strumentazione in una moltitudine di luoghi in cui il rumore di vibrazione è significativamente elevato. Microscopi a sonda di scansione, interferometri e profilatori di stilo vengono installati in luoghi che rappresentano una seria sfida per l'isolamento dalle vibrazioni. Di conseguenza, molti laboratori di ricerca accademici e commerciali non solo non solo non forniscono in modo adeguato l'isolamento dalle vibrazioni per i loro strumenti di microscopia ultrasensibili, ma questi sistemi non hanno la flessibilità di adattarsi a diversi luoghi e vincoli di spazio.

Il nuovo punto di riferimento per i sistemi di isolamento dalle vibrazioni per micro e nanomicroscopia può essere definito come "universalmente adattabile" Ciò può essere esemplificato da tre caratteristiche:

1. Isolamento delle basse frequenze in luoghi soggetti a vibrazioni;

2. Isolamento antivibrazioni portatile, senza necessità di alimentazione o aria;

3. Adattabile per l'isolamento dalle vibrazioni a bassa frequenza in spazi ristretti.

Di questi fattori, è la capacità di adattarsi agli stretti vincoli di spazio isolando al tempo stesso le vibrazioni a bassa frequenza che finora non è stata disponibile per i laboratori di microscopia.

LA PIATTAFORMA A BASSA ALTEZZA E BASSA FREQUENZA RIDUCE I VINCOLI DI SPAZIO

Date le condizioni strettamente monitorate richieste per ambienti controllati come camere a vuoto e camere bianche, non c'è da stupirsi che ogni centimetro di spazio su breadboard e piattaforme che supportano la strumentazione di microscopia di precisione di un laboratorio all'interno di questi ambienti sarebbe ottimizzato al massimo. All'interno di questi ambienti controllati, anche lo spazio a pavimento e da banco è ottimizzato. E i laboratori di microscopia che operano al di fuori degli ambienti controllati funzionano spesso in parametri ristretti, con poco spazio a disposizione.

Le opzioni di isolamento dalle vibrazioni per la strumentazione di microscopia in questi ambienti sono state limitate a sistemi di diversi centimetri di altezza e più in alto, che per molti e per molti sono troppo alti. Questo può rendere le condizioni di lavoro strette e limitare la strumentazione che può essere inclusa nelle breadboard e nelle piattaforme.

Una piattaforma da tavolo con isolamento antivibrazioni a rigidità negativa della Minus K Technology allevia notevolmente questo problema di limitazione dello spazio, in quanto il suo design gli permette di avere un'altezza di soli 2,25 pollici. La piattaforma, chiamata CT-1, ha una frequenza naturale verticale verticale di 0,5 Hz e frequenze naturali orizzontali di 2-2,25 Hz (Minus K sta studiando frequenze naturali orizzontali ancora più basse) - queste sono cifre notevolmente inferiori rispetto alle prestazioni di isolamento dalle vibrazioni delle tavole d'aria e dei sistemi attivi.

Gli isolatori a rigidità negativa si basano su un concetto interamente meccanico per ottenere un isolamento dalle vibrazioni a bassa frequenza. La modalità meccanica passiva elimina la necessità di elettricità o aria compressa: non ci sono motori, pompe o camere, e nessuna manutenzione perché non c'è nulla da consumare.

Nell'isolamento dalle vibrazioni a rigidezza negativa, l'isolamento a movimento verticale è fornito da una molla rigida che sostiene un carico di peso, combinata con un meccanismo di rigidezza negativa. La rigidità verticale netta è resa molto bassa senza compromettere la capacità di carico statico-supporto della molla. Speciali flessioni collegate in serie con l'isolatore a movimento verticale consentono l'isolamento a movimento orizzontale ad altezza molto bassa. Il risultato è un isolatore passivo compatto capace di basse frequenze naturali verticali e orizzontali e alte frequenze strutturali interne.

L'isolatore raggiunge un elevato livello di isolamento in più direzioni e ha la flessibilità di consentire la personalizzazione delle frequenze di risonanza in verticale e orizzontale. Il fatto che l'isolatore opera in modo completamente flessibile e non traslazionale (che può presentare stick-slip, comportamento all'attrito), permette all'isolatore di operare in ambienti con vibrazioni estremamente basse che non sarebbero pratici con tavoli pneumatici ad alte prestazioni e altre tecnologie di attenuazione delle vibrazioni come i sistemi attivi.

La vibrazione che viene trasmessa attraverso l'isolatore misurata in funzione delle vibrazioni del pavimento è chiamata trasmissibilità. La trasmissibilità dell'isolatore a rigidezza negativa è notevolmente migliorata rispetto ai sistemi di isolamento attivo e all'aria: se regolato ad una frequenza naturale verticale di 0,5 Hz, l'isolatore a rigidezza negativa raggiunge circa il 93% di efficienza di isolamento a 2 Hz, 99% a 5 Hz e 99,7% a 10 Hz.

I sistemi di isolamento dalle vibrazioni a rigidità negativa sono diventati una scelta crescente per le applicazioni di micro e nanotecnologia microscopia. Non solo sono una soluzione di vibrazione altamente funzionale, ma offrono una flessibilità di posizionamento e una portabilità che altri sistemi di isolamento dalle vibrazioni non sono in grado di offrire.