Schwingungsdämpfung: Die niederfrequente Isolation mit negativer Steifigkeit ist kompakt für die Mikroskopie

Der Einbau einer leistungsstarken Schwingungsisolierung in eine kleine Mikroskopplattform kann mit mechanischen Isolatoren mit negativer Steifigkeit erfolgen.

Die Abbildung von Molekülen, Materialien und Grenzflächen in Mikro- und Nanometerlängen kann eine Herausforderung für die Mikroskopie darstellen. Labor-Mikro- und Nanoanalyseverfahren wie Rasterkraftmikroskopie (AFM), Rastertunnelmikroskopie (STM), hochauflösende optische Mikroskopie und fortschrittliche Analyseverfahren der Oberflächenspektroskopie wie die oberflächenverstärkte Raman-Streuung (SERS) sind darauf ausgelegt, die Steifigkeit zu maximieren und die Drift zu minimieren, um genaue Aufnahmen zu beeinflussen. Um eine genaue Abbildung der Zusammensetzung, des chemischen Aufbaus und des Verhaltens dieser kleinen Strukturen zu erreichen, müssen die Mikroskopieinstrumente in einer ultrastabilen Betriebsumgebung positioniert werden, die so frei wie möglich von Umgebungs- und Betriebsvibrationen ist, da die gemessenen Signale durch Frequenzen von weniger als 1 Hz bis 400 Hz beeinflusst werden können.

Diese Vibrationen können durch Wind, seismische Aktivität, nahegelegene Bau- und Transportmittel, Aufzüge, Pumpen, Kompressoren, Ventilatoren, Motoren und Lüftungsanlagen für Heizung, Kühlung, Lüftung und Sicherheit in Labors entstehen. Diese Quellen tragen zu den Umgebungsvibrationen in der gesamten Gebäudestruktur bei, die auf die empfindlichen Mikroskopieinstrumente übertragen werden. Die Vibration ist typischerweise ausgeprägter, da sich die Instrumentierung in den höheren Stockwerken des Gebäudes befindet und wenn sie näher an der Quelle der Vibration positioniert ist.

Eine Reihe von Schwingungsisolationssystemen wurden eingesetzt, um den Einfluss dieser Schwingungen auf empfindliche Mikroskopieinstrumente zu verringern oder zu eliminieren. Diese Lösungen reichen von relativ einfachen Gummiblöcken, Metallfedern und kabelgelagerten Breadboards bis hin zu anspruchsvolleren Lufttischen, aktiven elektronischen Systemen und passiven Isolationssystemen, die mit fortschrittlicheren Technologien und Materialien für eine präzisere Schwingungsisolierung bei niedrigen Frequenzen konstruiert wurden.

ANPASSBARE SCHWINGUNGSISOLIERUNG

So wie die Natur der Forschung auf Mikro- und Nanometerebene eine höhere Präzision der niederfrequenten Schwingungsisolierung erfordert, als es bisher mit herkömmlichen Techniken möglich war, so hat diese Notwendigkeit auch die Forderung nach Schwingungsisoliersystemen erfordert, die ein höheres Maß an Standortflexibilität und Anpassungsfähigkeit an räumliche Gegebenheiten bieten

Die Flächen für die Laborforschung werden immer knapper. Wissenschaftler und Ingenieure sind angehalten, ihre Messgeräte an einer Vielzahl von Orten zu platzieren, an denen Vibrationsrauschen signifikant hoch ist. Rastersondenmikroskope, Interferometer und Taststiftprofilierer werden an Orten aufgestellt, die eine große Herausforderung für die Schwingungsisolierung darstellen. Daher sorgen viele akademische und kommerzielle Forschungslabors nicht nur nur unzureichend für die Schwingungsisolierung ihrer hochempfindlichen Mikroskopieinstrumente, sondern diese Systeme haben auch nicht die Flexibilität, sich an unterschiedliche Standorte und Platzverhältnisse anzupassen.

Der neue Maßstab für Schwingungsisolationssysteme für die Mikro- und Nanomikroskopie kann als "universell anpassungsfähig" definiert werden Dies kann durch drei Merkmale verdeutlicht werden:

1. Niederfrequenz-Isolation an vibrationsbeanspruchten Stellen;

2. Tragbare Schwingungsisolierung, ohne Strom und Luft;

3. Geeignet für die niederfrequente Schwingungsisolierung bei beengten Platzverhältnissen.

Zu diesen Faktoren gehört die Fähigkeit, sich an enge Platzverhältnisse anzupassen und niederfrequente Vibrationen zu isolieren, die den Mikroskopielabors bisher nicht zur Verfügung standen.

NIEDRIGBAUENDE, NIEDERFREQUENTE PLATTFORM REDUZIERT PLATZBESCHRÄNKUNGEN

Angesichts der streng überwachten Bedingungen, die für kontrollierte Umgebungen wie Vakuumkammern und Reinräume erforderlich sind, ist es kein Wunder, dass jeder Zentimeter Platz auf Platinen und Plattformen, die die Präzisionsmikroskopie-Instrumente eines Labors in diesen Umgebungen unterstützen, in vollem Umfang optimiert werden würde. In diesen kontrollierten Umgebungen wird auch die Boden- und Tischfläche optimiert. Und Mikroskopielabors, die außerhalb kontrollierter Umgebungen arbeiten, arbeiten häufig unter engen Bedingungen und haben wenig Platz.

Die Möglichkeiten der Schwingungsisolierung für Mikroskopie-Instrumente in diesen Umgebungen wurden auf Systeme mit einer Höhe von mehreren Zoll und höher beschränkt, die für viele zu groß sind. Dies kann für enge Arbeitsbedingungen sorgen und die Instrumentierung, die auf den Leiterplatten und Plattformen eingesetzt werden kann, einschränken.

Eine negativ steife, schwingungsisolierende Tischplattform von Minus K Technology lindert dieses Problem der Platzbeschränkung erheblich, da sie aufgrund ihrer Konstruktion eine Höhe von nur 2,25 Zoll aufweist. Die Plattform, genannt CT-1, hat eine vertikale Eigenfrequenz von 0,5 Hz und horizontale Eigenfrequenzen von 2-2,25 Hz (Minus K erforscht noch niedrigere horizontale Eigenfrequenzen) - das sind deutlich niedrigere Werte als die Schwingungsisolierungsleistung von Lufttischen und aktiven Systemen.

Negative Steifigkeitsisolatoren basieren auf einem rein mechanischen Konzept zur niederfrequenten Schwingungsisolierung. Der passive mechanische Modus macht Strom oder Druckluft überflüssig - es gibt keine Motoren, Pumpen oder Kammern und keine Wartung, da keine Verschleißerscheinungen auftreten.

Bei der Schwingungsisolierung mit negativer Steifigkeit wird die vertikale Bewegungsisolierung durch eine steife Feder gewährleistet, die eine Gewichtsbelastung trägt, kombiniert mit einem negativen Steifigkeitsmechanismus. Die vertikale Nettosteifigkeit ist sehr gering, ohne die statische Tragfähigkeit der Feder zu beeinträchtigen. Spezielle Flexures, die in Reihe mit dem Vertikal-Bewegungsisolator geschaltet sind, ermöglichen die sehr niedrige, horizontale Bewegungsisolation. Das Ergebnis ist ein kompakter passiver Isolator, der in der Lage ist, niedrige vertikale und horizontale Eigenfrequenzen und hohe interne Strukturfrequenzen zu erreichen.

Der Isolator erreicht ein hohes Maß an Isolation in mehrere Richtungen und hat die Flexibilität, Resonanzfrequenzen vertikal und horizontal individuell anzupassen. Die Tatsache, dass der Isolator vollständig biegsam und nicht translatorisch arbeitet (was Stick-Slip- und Reibungsverhalten zeigen kann), ermöglicht es dem Isolator, in extrem vibrationsarmen Umgebungen zu arbeiten, was bei Hochleistungs-Lufttischen und anderen Schwingungsdämpfungstechnologien wie aktiven Systemen nicht möglich wäre.

Die Schwingung, die durch den Isolator übertragen wird, gemessen als Funktion der Bodenschwingungen, wird als Übertragbarkeit bezeichnet. Die Durchlässigkeit des Negativsteifigkeitsisolators wird über Luft und aktive Isolationssysteme wesentlich verbessert: Bei Einstellung auf eine vertikale Eigenfrequenz von 0,5 Hz erreicht der Negativsteifigkeitsisolator einen Isolationswirkungsgrad von etwa 93% bei 2 Hz, 99% bei 5 Hz und 99,7% bei 10 Hz.

Systeme zur Schwingungsisolierung mit negativer Steifigkeit sind zu einer wachsenden Wahl für Mikro- und Nanotechnologie-Mikroskopieanwendungen geworden. Sie sind nicht nur eine hochgradig funktionsfähige Schwingungslösung, sondern bieten auch Flexibilität und Portabilität, die andere Schwingungsisoliersysteme nicht bieten können.