物性测量系统的功能扩展

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摘 要: 物性测量系统(Physical Property Measurement System,简称PPMS)是美国量子设计(Quantum Design)公司生产的一款专门用于不同磁场和温度条件下表征样品物理性质的平台,主要用于常规的交直流电输运性质、交直流磁性以及热性质等测量.除此以外,PPMS为用户提供可扩展的通用接口总线(General—Purpose Interface Bus,简称GPIB),用户可按自己的需求把自行设计并搭建好的功能模块集成到PPMS上.将简要介绍如何在PPMS上扩展一些个性化的测试功能.

关 键 词 : PPMS;GPIB;物性测量

改革开放以来,随着国内科学研究的不断发展和壮大,越来越多的先进科研仪器逐步进入中国,并且数量开始越来越多.其中,美国量子设计(Quantum Design)公司生产的PPMS就是一款基于自身2K—400 K温度范围,可高达16特斯拉强磁场环境下的多功能测试系统(如图1所示).

PPMS的主要优势体现在它本身优异的温度控制功能,以及利用超导磁体所实现的十几特斯拉的强磁场环境.其本身集成在这个温度和磁场平台上的各个测试不同物理参数的组件,主要通过不同的测试单元配合不同的测试杆实现(如图2所示),本身并不是很强大.例如电输运测量,无论是直流电输运还是交流电输运,可测量的参数范围非常有限,通常,电阻的测量最高只能到106欧姆,交流电输运的频率测量范围也非常有限.这极大的限制了PPMS这个温度磁场平台性能的充分发挥.

这些限制主要源自于PPMS本身的各个测试组件的阈值以及PPMS内部复杂电路之间的相互干扰等因素.而利用各种商业化的仪表产品,我们在实验室内却可以通过自行设计来搭建所需要的测试系统,并编写相应的数据采集和仪器控制软件来实现自动化测量.例如对于前面所描述的电阻测量,只要合理的设计测试电路,解决好可能存在的漏电或电磁干扰等问题,选择Keithley 6517B高阻表就可以实现高达1012欧姆电阻的测量.由此可见,我们自行搭建的测试组件所能实现的测试功能远优越于PPMS本身所集成的组件.

如果能够利用PPMS本身的温度磁场环境,并设计出能够实现所需测试功能的样品杆(主要用于放置样品和引线布局),同时解决好样品杆的导热问题以及电磁屏蔽等问题,我们便可以实现在PPMS腔体环境下的个性化测量(例如图3所示的用于介电常数测量的自行设计的样品杆).另外,由于PPMS本身使用GPIB线缆通信,并预留了可扩展的接口,这为实现PPMS和外接仪表的相互控制以及数据采集带来了方便.鉴于以上诸多有利因素,我们不但可以在PPMS上扩大原有的测试功能,而且还扩展我们自己的个性化的测试系统.

其中,样品杆的设计是非常重要的一个环节,这主要设计到导热和绝热材料的选择和线缆的屏蔽以及绝热问题.通常,选择低温下导热性好的铜作为PPMS恒温区的样品支撑部分,并用蓝宝石等导热性比较好且绝缘性比较高的材料作为绝缘层.整个黄铜部分用导热性极差的不锈钢管连接到样品腔的顶端,做好真空的密封以及电极的过度,测试所用导线可以选用同轴线缆屏蔽腔体内存在的电磁干扰.至此,样品的固定以及引线的连接部分得到解决.通常,样品杆的设计可以用Solidworks


或Autocad等辅助设计软件来完成图纸的设计,并由机械加工厂来完成机械加工.

我们知道,实验室虚拟仪器工程平台(Laboratory Virtual

Instrumentation Engineering Workbench,简称LabVIEW)是美国国家仪器公司所开发的图形化程式编译平台,并广泛应用于工业界、学术界以及研究实验室,并被视为标准的仪器控制和数据采集软件.由于PPMS本身使用GPIB接口来连接各个需要通信的部件,我们也可以方便的把实现扩展功能所需的仪表用GPIB线缆连接到PPMS上,并使用LabVIEW编写程序,自动采

集测试中需要记录的各个参数,这极大的提供了测试的方便.

目前为止,PPMS在世界范围内得到了非常广泛的应用,除了本身集成的多项功能外,也源自于它的可扩展性能.据我们了解,利用前面描述的扩展的方法,很多的研究小组已经在PPMS上实现了除了常规功能以外的更多物理参数的测量.例如通过外接LCR表或者阻抗分析仪,并设计样品杆,实现了在PPMS平台上的阻抗谱、介电常数、磁电容等介电性质的测量;利用集成到PPMS上的皮安计,实现PPMS系统上的热释电流、磁释电流(温度和磁场引起的样品电极化强度的变化而释放出的皮安量级的电流信号)等温度或磁场诱导的铁电性质的测量;利用集成到PPMS上的铁电分析仪,并设计能够耐高电压的样品杆,实现不同温度和磁场下的电滞回线的测量等等.

由此可见,在物性测量系统PPMS上,发展自己的测试系统可行而且非常有必要.不但能够充分的利用PPMS的温度磁场平台,尽量扩大原有功能的参数范围,而且能够进一步的实现更多物理参数的测量.当然,任何物理参数的测量,需要充分的了解这个物理参数的意义和相应的测量原理,然后利用辅助设计软件等,将想法付诸现实.其实,其他类似于PPMS的温度磁场平台,我们也可以采取类似的方案来做相同的扩展功能,只要我们详细了解相应仪器的原理.

关于PPMS的基础功能的介绍,大家可以参考曹立志等人的文献以及PPMS的相关手册[1,2].

希望本文能对使用类似平台的广大工作者提供一定的参考.

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