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1、现代仪器二○○四年·第五期物理性质测量系统(PPMS)的原理及其应用张 焱 高政祥(北京大学物理学院 北京 100871)高 进 曹立志(英国牛津仪器公司北京代表处 北京 200030)摘 要 本文介绍美国QD公司的PPMS设备的基本原理、测量选项、性能指标、应用和使用中需要注意的问题。关键词 交直流磁化率 比热 交流电输运 热学输运 扭矩磁强计 振动样品磁强计 美国QuantumDesign公司的产品PPMS(PhysicsPropertyMeasurementSystem)是在低温和强磁场的背
2、景下测量材料的直流磁化强度和交流磁化率、直流电阻、交流输运性质、比热和热传导、扭矩磁化率等综合测量系统。北京大学物理学院最近购买这套设备,已经安装调试结束,正常运转。下面将介绍这套设备的设计、测量原理和方法、主要性能指标和设备使用需要注意的问题。1 设计简介图1 可以方便放置和取出的各种样品座1(1)交直流磁化率选件 该选件是研究各种材PPMS是QuantumDesign公司在成功推出MPMS之2料在低温下磁行为的主要设备之一,包括探杆、样后,于20世纪90年代中期推出的又一款产品。二者有品杆、伺服
3、电机、电子控制部分、精密电源和软件部很多的相似之处,同时又有所差别。下面将通过与1分(集成于系统软件)。可以在同一程序中对一个样MPMS的比较来介绍PPMS的设计和使用。品先后进行交流磁化率和直流磁化强度的测量而不一个完整的PPMS系统也是由一个基系统和各需要对样品进行任何调整。样品杆处于探杆的中种选件两个部分构成,根据内部集成的超导磁体的大间,样品置于样品杆的一端,样品杆的另一端连接在小基系统分为7特斯拉、9特斯拉、14特斯拉和16特伺服电机上。探杆之外由内到外依次由校正线圈组斯拉系统。但与MPM
4、S专注于磁测量不同,PPMS在(用于消除仪器电子装置自身带来的信号增益和漂基系统搭建的温度和磁场平台上,利用各种选件进行移)、抗磁温度计、样品磁矩探测线圈、AC驱动线圈磁测量、电输运测量、热学参数测量和热电输运测量。(用于提供交流磁场)以及AC驱动补偿线圈(用于基系统主要包括软件操作系统,温控系统,磁场控制把交流磁场限制在线圈内部、防止它和外部的测量系统,样品操作系统和气体控制系统。与MPMS在硬装置相互作用)组成。件上的主要区别在于:MPMS的样品腔直径为9mm,AC磁化率测量原理 交流激发信号被
5、输入到而PPMS为26mm直径;PPMS没有超导SQUID探测系交流驱动线圈中,伺服电机驱动样品依次到两个绕统;PPMS由于测量选件和种类甚多,专为各种测量设向相反的探测线圈的中心,同时,与时间相关的样品计非常方便的样品、选件更换装置,其结构与MPMS信号被收集。把测得的样品在两个探测线圈中心的不同,样品腔的底部提供即插即拔的接线,大大方便信号相减以消除驱动线圈和探测线圈间的随机相互各种选件的更换。另外,其温控系统也稍有区别,由作用。通过对多次测量的采样和平均,可以减少测于对使用影响不大,在此不作详
6、述。量过程中的信号噪音。2 测量原理和方法与一般交流磁化率测量仪器相比,PPMS上AC磁化率测量装置有两个特点值得指明:首先它没有基于PPMS和MPMS的区别,结合各种选件对采用传统的单相锁相技术来处理信号,而是采用高PPMS加以说明。44二○○四年·第五期仪器评介速数字信号处理器(DSP),这样它不仅提高信噪比、比热量程:1J/K～100mJ/K加快测量速度,而且还不再需要在实部信号和虚部精度:5%@2～300K;2%-5信号之间进行转换。其次,对于如何消除仪器电子样品腔最佳真空度:10torr设
7、备自身给测量数据带来的增益或漂移的技术问(3)AC电输运性质测量系统选件 PPMS的交题,PPMS上AC磁化率测量装置使用校正线圈。在流电测量系统在公共平台的基础上还包含有一个精每次测量之前把校正线圈接入到探测线圈线路中,确的电流源和伏特计。电流源的分辨率为0102μA,进行正向和反向的测量,比较探测信号与初始激发最大电流为2A。交流频率为1Hz～1kHz,因而可以信号的差别,进而修正仪器本身电子设备引起的相用数字滤波和锁相技术提高信号精度。漂移。同样道理,校正线圈还可以精确的校正实际AC输运性质测
8、量系统可以做直流电阻率、交流所加交流磁场强度的幅值,提高B-H测量精度。电阻率4线测量、4线和5接线的Hall效应测量、I-正因为如此,PPMS上AC磁化率测量装置在允许的V曲线和临界电流测量。样品安装连接方便,一次工作频段内(10Hz～10kHz)的测量精度可以达到与可以测量多个样品;金属屏蔽的低噪音前置放大器SQUID相媲美的程度。可以达到015nV/Hz的噪音基和1nV的AC输运测DC磁矩测量:采用提拉法,样品速度可达1m/s。量系统灵敏度;计算机控制的样品水平
