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Contrôle des vibrations : L'isolation basse fréquence de la rigidité négative est compacte pour la microscopie

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Le montage d'une isolation antivibratoire haute performance dans une petite plate-forme de microscope peut être réalisé à l'aide d'isolateurs mécaniques à rigidité négative.

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L'imagerie de molécules, de matériaux et d'interfaces à des longueurs de micro et de nanomètres peut représenter un défi pour la microscopie. Les techniques de micro et de nano-analyse de laboratoire, comme la microscopie à force atomique (AFM), la microscopie à effet tunnel à balayage (STM), la microscopie optique à super résolution et les méthodes avancées d'analyse par spectroscopie de surface comme la diffusion Raman à surface améliorée (SERS) sont conçues pour maximiser la rigidité et minimiser la dérive pour affecter des enregistrements précis. Pour obtenir une imagerie précise de la composition, de la composition chimique et du comportement de ces petites structures, les instruments de microscopie doivent être placés dans un environnement de travail ultrastable, aussi exempt que possible de vibrations ambiantes et opérationnelles, car les signaux mesurés peuvent être influencés par des fréquences allant de moins de 1 Hz à 400 Hz.

Ces vibrations peuvent provenir du vent, de l'activité sismique, de la construction et du transport à proximité, des ascenseurs, des pompes, des compresseurs, des ventilateurs, des moteurs et de l'équipement de traitement de l'air pour le chauffage, le refroidissement, la ventilation et la sécurité dans les laboratoires. Ces sources contribuent à la vibration ambiante dans toute la structure du bâtiment, qui est transmise aux instruments de microscopie sensibles. La vibration est généralement plus prononcée lorsque les instruments sont situés aux étages supérieurs du bâtiment et plus près de la source de la vibration.

Un certain nombre de systèmes d'isolation des vibrations ont été utilisés pour diminuer ou éliminer l'influence de ces vibrations sur les instruments de microscopie sensibles. Ces solutions vont des blocs de caoutchouc relativement simples, des ressorts métalliques et des planches à pain suspendues par un cordon élastique, à des tables à air plus sophistiquées, des systèmes électroniques actifs et des systèmes d'isolation passive construits avec des technologies et des matériaux plus avancés pour une isolation plus précise des vibrations à basse fréquence.

ISOLATION ANTIVIBRATOIRE ADAPTABLE

Tout comme la nature de la recherche aux niveaux micro et nanométrique nécessite une plus grande précision dans l'isolation des vibrations à basse fréquence que ce qui était auparavant disponible avec les techniques traditionnelles, il en va de même pour les systèmes d'isolation des vibrations afin d'offrir un plus haut niveau de flexibilité de localisation et d'adaptabilité aux contraintes spatiales

L'espace disponible pour la recherche en laboratoire est de plus en plus précieux. Les scientifiques et les ingénieurs doivent installer leurs instruments dans une multitude d'endroits où le bruit vibratoire est très élevé. Des microscopes à sonde à balayage, des interféromètres et des profileurs de stylet sont installés à des endroits qui posent un sérieux problème d'isolation vibratoire. Par conséquent, de nombreux laboratoires de recherche universitaires et commerciaux non seulement n'assurent pas suffisamment l'isolation antivibratoire de leurs instruments de microscopie ultrasensible, mais ces systèmes n'ont pas la souplesse nécessaire pour s'adapter à divers emplacements et contraintes spatiales.

La nouvelle référence en matière de systèmes d'isolation vibratoire pour la micro et nanomicroscopie peut être définie comme "universellement adaptable" Cela peut être illustré par trois caractéristiques :

1. Isolation des basses fréquences dans les endroits soumis à des vibrations ;

2. Isolation anti-vibrations portable, sans besoin d'électricité ou d'air ;

3. Adaptable pour l'isolation antivibratoire basse fréquence dans des espaces restreints.

Parmi ces facteurs, c'est la capacité de s'adapter aux contraintes d'espace restreint tout en isolant les vibrations à basse fréquence qui n'était pas disponible jusqu'à présent dans les laboratoires de microscopie.

PLATE-FORME BASSE HAUTEUR ET BASSE FRÉQUENCE PERMETTANT D'ATTÉNUER LES CONTRAINTES D'ESPACE

Étant donné les conditions étroitement surveillées requises pour les environnements contrôlés comme les chambres à vide et les salles blanches, il n'est pas étonnant que chaque pouce d'espace sur les planches à pain et les plates-formes supportant les instruments de microscopie de précision d'un laboratoire dans ces environnements soit optimisé dans toute la mesure possible. Dans ces environnements contrôlés, l'espace au sol et sur table est également optimisé. Et les laboratoires de microscopie opérant en dehors d'environnements contrôlés fonctionnent souvent dans des paramètres confinés, avec peu d'espace disponible.

Les options d'isolation des vibrations pour les instruments de microscopie dans ces environnements ont été limitées à des systèmes de plusieurs pouces de hauteur et plus, qui pour beaucoup sont trop grands. Cela peut créer des conditions de travail difficiles et limiter l'instrumentation qui peut être incluse sur les planches à pain et les plates-formes.

Une plate-forme de table d'isolation contre les vibrations à rigidité négative de Minus K Technology atténue considérablement ce problème de contrainte d'espace, car sa conception lui permet d'avoir une hauteur de seulement 2,25 pouces. La plate-forme, appelée CT-1, a une fréquence propre verticale de 0,5 Hz et des fréquences propres horizontales de 2 à 2,25 Hz (moins K recherche des fréquences propres horizontales encore plus basses) - ce sont des valeurs considérablement inférieures à celles de l'isolation vibratoire des tables d'air et systèmes actifs.

Les isolateurs de rigidité négative reposent sur un concept entièrement mécanique pour obtenir une isolation vibratoire basse fréquence. Le mode mécanique passif élimine le besoin d'électricité ou d'air comprimé - il n'y a ni moteur, ni pompe, ni chambre, ni entretien, car il n'y a rien à user.

Dans l'isolation contre les vibrations à rigidité négative, l'isolation contre les mouvements verticaux est assurée par un ressort rigide qui supporte une charge de poids, combiné à un mécanisme de rigidité négative. La rigidité verticale nette est très faible sans affecter la capacité de charge statique du ressort. Des flexions spéciales connectées en série avec l'isolateur de mouvement vertical permettent d'isoler les mouvements horizontaux à très faible hauteur. Le résultat est un isolateur passif compact capable d'isoler des fréquences propres verticales et horizontales basses et des fréquences structurelles internes élevées.

L'isolateur atteint un haut niveau d'isolation dans de multiples directions et a la flexibilité de permettre l'adaptation personnalisée des fréquences de résonance verticalement et horizontalement. Le fait que l'isolateur fonctionne entièrement en flexion, et non en translation (ce qui peut présenter un comportement de glissement et de frottement), permet à l'isolateur de fonctionner dans des environnements à vibrations extrêmement faibles qui ne seraient pas pratiques avec des tables à air de haute performance et autres technologies d'atténuation des vibrations telles que les systèmes actifs.

La vibration qui est transmise à travers l'isolateur, mesurée en fonction des vibrations du sol, est appelée transmissibilité. La transmissibilité de l'isolateur de rigidité négative est considérablement améliorée par rapport aux systèmes d'isolation active et à l'air : lorsqu'il est réglé sur une fréquence propre verticale de 0,5 Hz, l'isolateur de rigidité négative atteint un rendement d'isolation d'environ 93 % à 2 Hz, 99 % à 5 Hz et 99,7 % à 10 Hz.

Les systèmes d'isolation contre les vibrations à rigidité négative sont devenus un choix croissant pour les applications de micro et nanotechnologie en microscopie. En plus d'être une solution très pratique pour les vibrations, ils offrent une flexibilité d'emplacement et une portabilité que d'autres systèmes d'isolation antivibratoire ne peuvent pas offrir.

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