Bodenvibrationen um den Faktor 1.000 reduziert

Hintergrund

Im Binnig and Rohrer Nanotechnologiezentrum von IBM in Zürich arbeitet man an der Förderung der Nanowissenschaften. Hier werden kleinste Strukturen im Nanometerbereich untersucht, um neue Materialien für die Informations- und Halbleitertechnologie zu generieren. Es liegt auf der Hand, dass an diese Forschungslabore außergewöhnliche Anforderungen gestellt werden.

Neues Laborkonzept für Nanotechnologie

Die sechs Noise-free Labore des Nanotechnologiezentrums liegen acht Meter unter der Erde. Hier sind die empfindlichsten und anspruchsvollsten Forschungsexperimente auf der Nanoskala möglich.

Zuvor mussten alle für die Nanotechnologie relevanten Störgrößen, nämlich Vibrationen, elektromagnetische Felder, Temperatur, Feuchtigkeit und Schall gleichzeitig berücksichtigt und möglichst ausgeschlossen werden. Diese Ziele erforderten ein neues Laborkonzept.

Wir waren bereits in der Planungsphase im Team des Noise-free Labs von IBM Research dabei. Unsere kompetente technische Beratung war für das Projekt entscheidend. Nach erfolgreichen Tests haben wir die Lösung für die unterirdischen Labore entwickelt: die Isolierung gegenüber Bodenvibrationen und die Isolierung gegenüber Schall.

Aufgaben

Das Planungsziel für die sechs geräuschfreien Labore war es, dass sich die Raumbedingungen im Laborbetrieb nur minimal verschlechterten. Denn oft stellen die verschiedenen technischen Geräte eines Experiments große Störfaktoren dar: etwa mechanische Pumpen zum Vakuumaufbau oder die Wärmeentwicklung und elektromagnetische Abstrahlung von Netz- und Kontrollgeräten. Bei herkömmlichen Experimenten reicht es aus, einzelne Parameter abzuschirmen, zum Beispiel die Temperatur. Mit den messtechnischen Entwicklungen in der Nanotechnologie gibt es aber Experimente, die empfindlich gegenüber mehreren oder sämtlichen fünf Störgrößen sind. Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Vibrationen, Schall, elektromagnetische Felder sollten daher gleichzeitig abgeschirmt werden. Diese Herausforderungen konnten nur bei der Betrachtung des Gesamtsystems erfolgreich gemeistert werden.

Aufgabe 1: Bodenvibrationen

Zu Beginn der Projektphase wurden verschiedene hochempfindliche Experimente evaluiert und dabei Mess- und Fabrikationsgeräte mit den höchsten Anforderungen berücksichtigt. Diese hochempfindlichen Instrumente, zum Beispiel Elektronenstrahlschreiber, Transmissions-Elektronenmikroskope und spinpolarisierte Rastertunnelmikroskope mussten nun schwingungsfrei gelagert werden.

Lösung 1: Luftgelagerte Fundamentblöcke

In jedem Labor wurde ein luftgelagerter Betonsockel von möglichst großer Masse installiert. Die Eigenresonanz der Luftlager liegt im Bereich von 1,2 – 2,4 Hz. Durch das Luftlager werden die Isolatoren aktiv geregelt. Auf diesen 34 bis 80 Tonnen schweren Sockeln stehen die Experimente; der Benutzer hingegen bewegt sich auf einem schwingungstechnisch entkoppelten Boden.

Zum Einsatz kam hier ein neues Bilz-Produkt: AIS™ Active Isolation System High Performance, unsere aktive elektronisch-pneumatische Schwingungsisolierung für höchste Anforderungen an Isolierwirkung, Abklingzeit und Niveaukonstanz.

Aufgabe 2: Luftschall

In den Noise-free Labs werden kleinste Strukturen im Nanometerbereich erforscht, wie zum Beispiel einzelne Moleküle oder Atome. Selbst Bedingungen unter Reinraumumgebung wären für diese Arbeiten noch zu „laut“.

Lösung 2: Schallisolierung und optimierte Raumakustik

Bilz Akustikelemente aus Noppenschaumstoff ermöglichen hier eine optimierte Raumakustik und Luftschalldämmung. Unsere Lösungen zur Absorption von Schallenergie zeichnen sich durch maximale Schalldämmung oder Schallisolierung und Minimierung der auftretenden Schalldruckpegel sowie der resultierenden Nachhallzeiten aus. Das Ergebnis: eine extrem leise Umgebung mit drastisch reduzierter Störung.