Описание

 Преимущества безжидкостной измерительной системы (CFMS)

• Полностью автоматизированная измерительная система
• Диапазон температур
  • 1,6 K - 400 K в стандартной версии
  • минимальная температура 300 мК в версии с вставкой реконденсации Не-3
  • минимальная температура 50 мК в версии с рефрижератором растворения от Leiden
  • Вставки для высоких температур: 700 / 1000 K
  • Стабильность температуры - мК во всем диапазоне
• Магнитное поле
  • До 9 Т в версии mini-CFMS
  • До 18 Т в версии CFMS с сильным полем
  • Опция низких полей - для измерения полей в области практически нулевого поля 
• Объекты общего пользования - для всех пользователей
  • Полное отсутствие криогенных жидкостей
  • Не требуется специальный опыт
  • Большие интервалы обслуживания
• Высокий уровень безопасности и удобства
  • Отсутствие перекачивания криогенных жидкостей
  • Отсутствие опасности из-за испаряющихся газов
  • Полная защита при отключении электроэнергии
  • Быстрая замена образца
• Модульная архитектура
  • Совместимость со любыми измерительными модулями
  • Быстрая взаимозаменяемость модулей
• Автоматическое управление
  • Стабильные эксплуатационные характеристики поля и температуры
  • Работа в автоматическом режиме (не требует присутствия оператора)
  • Обеспечение возможности проведения сложных и длительных экспериментов
• Поддержка в течение всего срока службы
  • Прямая поддержка со стороны производителя
  • Удаленная поддержка системы через Интернет
  • Международная команда обслуживания
  • Бесплатные обновления программного обеспечения

Температурная стабильность измерялась при нескольких значениях температур по всему диапазону. При каждой температуре данные записывались непрерывно в течение  8 часов. Стандартное отклонение измеренной температуры от заданного значения показано в таблице.

Время охлаждения mini-CFMS и CFMS в часах

Пример стабильности температуры VTI и образца (с кон-троллером LakeShore 340)

Стандартный график охлаждения CFMS

Модуль измерения магнитных свойств содержит магнитометр с вибрирующим образцом (VSM) для измерения магнитного момента при постоянном токе и измеритель магнитной восприимчивости - для измерений при переменном токе. Доступна нагревательная платформа для образцов, позволяющая проводить оба типа измерений.

Модуль измерения электрических свойств обеспечивает ряд методов с использованием постоянного или переменного тока или источников напряжения, а также выбор креплений для образцов с разным количеством контактов и для различной формы образцов. Температурный диапазон, доступный благодаря этому модулю, может быть увеличен до 700 K с использованием пробы (зонда) для нагрева, либо уменьшен до 300 мК с использованием пробы для реконденсации Не-3. Доступны вращающиеся платформы для образцов.

Cryogenic предлагает чувствительные зонды (пробы) для измерения теплоемкости, а также пробу для измерения теплопередачи для комбинированных измерений теплопроводности, термо-ЭДС (или коэффициента Зеебека) и электрического сопротитвления. Для этих измерений требуются тепловые и электрические контакты на противоположных сторонах образца; при этом проба предназначена для образцов различной геометрии.

Для пользователей, которым требуются сверхнизкие температуры и высокие магнитные поля, Cryogenic Ltd производит специализированные рефрижераторы реконденсации и растворения Не-3, предназначенные для использования совместно с системами CFMS и mini-CFMS.

Зависимость магнитного момента (в мкEMU) от температуры, поле - 3 Тл	Зависимость сопротивления от температуры в нулевом приложенном поле	Зависимость теплоемкости от температуры в нулевом магнитном поле	Охлаждение образца от 1.6К (базовая температура VTI) до 0.3К с вставкой реконденсации Не-3

Магнитометр

Модуль VSM от Cryogenic предназначен для измерения магнитного момента при постоянном токе. Для генерации сигнала, пропорционального магнитному моменту, образец подвергается вибрации в постоянном (или медленно меняющемся) приложенном поле. Сигнал обнаруживается с помощью парных измерительных катушек. Катушки обнаруживают изменение магнитного потока при перемещении образца. Измерительные катушки расположены внутри модуля переменной температуры (VTI) внутри сверхпроводящего магнита. Сигнал обнаруживается синхронным усилителем (Lock-In Amplifier).

Стандартные измерения:

• Петли магнитного гистерезиса
• Температурные зависимости

Стандартные образцы

• Объемные образцы
• Тонкие пленки
• Порошки
• Жидкости

Эксплуатационные характеристики

• Частота VSM: 20 Гц
• Амплитуда VSM: 2 мм
• Диапазон измерений: 10-6 - 100 EMU
• Размер образца: < 6 мм (стандартные образец)
• Чувствительность: <2*10-6 EMU/√Гц
• Относительный шум: <(2*10-6 EMU + 5*10-7 EMU/Тл)/ √Гц

Ключевые особенности

• Магнит может работать в рабочем или постоянном режиме
• Автоматизированная система подачи газа
• Автоматическая процедура оптимизации позиции образца при рутинных измерениях
• Измерительные катушки расположены близко к образцам для достижения максимальной чувствительности
• Широкий диапазон амплитуды и частоты вибратора
• Вибратор оснащен детектором движения оптической и подвижной катушки для контроля амплитуды
• Компьютерная поддержка для ручных процедур цен-трирования образцов и калибровки
• Жесткий и термостабильный стержень для образцов из углеволокна
• Комбинированный модуль - с VSM и для измерения восприимчивости при переменном токе

VSM с нагревом

• Образец в вакууме
  • Крепления для образцов для параллельного или перпендикулярного выравнивания с B
  • Миниатюрный, немагнитный проволочный нагреватель на конце вибрирующего стержня
• Немагнитный термометр Pt
• Варианты температурных диапазонов
• 200 K - 700 K
• 300 K - 1000 K

Петля намагничивания слабомагнитного образца (разбавленного раствора магнитных наночастиц)  

Результат вычитания полиномиальной кривой из данных разбавленного раствора магнитных наночастиц (рис. слева), демонстрирующий чувствительность измерения.

Магнитный момент палладия в зависимости от температуры  

Магнитный момент в зависимости от температуры для стандартного никелевого образца

Магнитный момент короткого образца проводника Nb3Sn в зависимости от магнитного поля при различных температурах. Скачки потока происходят только при 2 K, при более высоких температурах их нет.  

Кривые намагничивания сферы железоиттриевого граната (калибровочный образец NIST), измеренные при различных температурах. Наклон при небольшом поле является температурно-зависимым (левая вставка), а намагниченность насыщения увеличивается при понижении температуры (правая вставка).

Магн.восприимчивость при перем.токе

Модуль измерения восприимчивости при переменном токе измеряет реакцию образца в переменном магнитном поле. В простых материалах и при низких частотах магнитный момент образца движется по полю синхронно, измеренный сигнал переменного тока имеет ту же фазу, что и осциллирующее поле, и с помощью данного модуля измеряется производная магнитного момента, dm/dH. В более сложных ситуациях, когда присутствует магнитная динамика, существует запаздывание фазы между сигналом восприимчивости и полем, в результате чего результат может быть представлен как реальная (синфазная) и мнимая (несинфазная) части восприимчивости. Этот метод особенно полезен для изучения магнитной динамики и фазовых переходов

Восприимчивость при переменном токе с извлечение образца из установленных катушек и компенсацией фонового сигнала

Реальная часть восприимчивости при переменном токе при антиферромагнитном фазовом переходе Ширина пика (приблизительно 0.1 K) четко различима.

Стандартные измерения

• Магнитные фазовые переходы
• Определения магнитных характеристик
• Сверхпроводящие фазовые переходы

Стандартные образцы

• Объемные образцы
• Тонкие пленки
• Порошки
• Жидкости

Эксплуатационные характеристики

• Диапазон частот: 1 Гц - 20 кГц
• Амплитуда поля переменного тока: ≤5 мТ при 10 Гц
• Размер образца: стандартно <6 мм
• Точность установки фазы: 0,1° (реальная и мнимая части
• Чувствительность: 10-7  EMU/Гс

Ключевые особенности:

• Паразитные сигналы устраняются за счет пере-мещения образца между центрами измерительных катушек
• Автоматическая процедура оптимизации пози-ции образца при рутинных измерениях
• Широкий диапазон частот с высокой чувстви-тельностью
• Возможность проведения исследований VSM и измерений магнитной восприимчивости при переменном токе с помощью одного модуля

В спиновом стекле AC-восприимчивость сильно зависит от динамики спина, следовательно, положение фазового перехода зависит от частоты поля возбуждения.

Данные показывают стабильную зависимость от частоты и правильного разделения между χ’ и χ’’(т.е. фаза измеряемого сигнала устанавливается точно, в результате чего вклад χ’ и χ’’ разделяется правильно и не смешивается).

При низких температурах образец находится в состоянии Мейснера с чистым диамагнитным откликом (реальная часть комплексной восприимчивости, является отрицательной Re(χ)<0) и отсутствует рассеивание (Im(χ)=0)).

По мере того как образец приближается к критической температура, Тс, магнитное поле начинает проникать в объем образца, вызывая движение магнитных вихрей.

Это отражается в снижении Re(χ) и одновременном появлении пика в Im(χ). Дополнительные более острые пики в Re(χ) и Im(χ) в непосредственной близости Тс связаны с пиковым эффектом (усиленный пиннинг из-за ослабления вихревой решетки).

Температурная зависимость восприимчивости сверхпроводящего сплава при переменном токе 

Удельное сопротивление

Модуль электропроводности обеспечивает возможность выполнения измерений сопротивления посто-янному току и измерения напряжения Холла в образцах с сопротивлением в диапазоне от 1 мкОм до 1 МОм. Cryogenic предлагает широкий выбор держателей образцов с различным числом соединений для образцов и для различных размеров образцов. Возможно использование проводов следующих типов: витая пары, миниатюрные коаксиальные кабели (для высокочастотных измерений) или триаксиальные линии (для измерений с очень низким током).

Cryogenic предлагает модуль для проведения измерений сопротивления переменному току. Опция включает в себя специальный зонд для образцов с микрокоаксиальным кабелем, источник постоянного / переменного тока Keithley и синхронный усилитель (Lock-In Amplifier) Stanford Research Systems.

6-контактный чип для образцов и наконечник пробы

20-контактный чип для образцов и наконечник пробы  

8-контактный чип для образцов и наконечник пробы

Зонд (проба) для нескольких образцов

Стандартные измерения при постоянном токе

•  Сопротивление и магнитное сопротивление
• Вольтамперные (I-V) характеристики
• Критический ток
• Эффект Холла
• Кривые I-V

Стандартные измерения при переменном токе

• Реальная и мнимые части полного сопротивления Z
• Зависимость от температуры: Z(T)
• Зависимость от магнитного поля: Z(H)
• Зависимость от тока источника Z(I) (ВАХ)
• Напряжение Холла (4-клеммная конфигурация)

Эксплуатационные характеристики

• Уровень шума: 1нВ / √Гц
• Диапазон напряжения DC: 10 нВ - 100 В
•  AC: 10 нВ - 1 В
• Диапазон тока: DC: 1 нА - 1 А
• AC: 1 пА - 100 мA
• Диапазон частот переменного тока: 1 мГц -100 кГц
• Измерение амплитуды переменного поля: До 5 мТ при 10 Гц
• Точность установки фазы: 0,10 (реальная и мнимая части)
• Точность измерения: 0,1% в диапазоне: 1Ω - 1MΩ
• Чувствительность: ±10нΩ среднеквадр. зн-ие (стандартно)
• Крепления нескольких образцов: Фиксированные (1, 2 ли 5 образцов)
• Опция для вращения

Дополнительные измерительные опции

• Опция для емкостных и диэлектрических материалов
• Опция для высокого сопротивления 20 GΩ
• Опция для автоматизированного метода Ван дер Пау и эффекта Холла
• Проба для установки нескольких образцов для более высокой пропускной способности
• Вставка реконденсации Не-3 для диапазона температур от 300 мК до 300 K
• Нагреваемая платформа для работы в диапазоне от 200 К до 700 К
• Опции для вращения образца

Резистивный переход в коротком прямом образце проволоки NbTi под разными углами между проволокой и магнитным полем

Критическая температура в зависимости от угла. Эффективный фактор анизотропии - 2.4

Сопротивление короткого образца Nb3Sn при различных приложенных магнитных полях  

Измерения очень низкого напряжения постоянного тока, сделанные с помощью реверсирования полярности, чтобы избежать доминирующего измерения тепловых напряжений

Для обычного определения характеристик полупроводниковых материалов требуется измерение концентрации и подвижности носителей. Эти параметры получаются на основе данных об удельном сопротивлении и коэффициенте Холла для данного материала. Метод Ван дер Пау обеспечивает возможность получить эту информацию при использовании тонких пленок без паттерна или многослойных структур в одном эксперименте. Этот метод очень эффективен, поскольку он не требует специальной подготовки образцов, а все необходимые данные собираются в одной развертке магнитного поля.

Для реализации измерения по методу Ван дер Пау, ток должен проходить последовательно вдоль каждой кромки и каждой диагонали образца. Эта функциональность достигается с помощью автоматического коммутатора каналов измерения, который программно контролируется. На графике показан пример 12 наборов данных для всех возможных конфигураций по методу Ван дер Пау, полученные при одном линейном изменении поля

Нагреваемый зонд сопротивления

• Диапазон температур 200 - 700 K
• Образец в вакууме
• Миниатюрный проволочный нагреватель
• Немагнитный платиновый термометр
• Плоское крепление образца перпендикулярно магнитному полю

Теплоемкость

Миниатюрные калориметры постоянного тока компании Cryogenic Limited разработаны для измерения теплоемкости образцов весом всего в один микрограмм. Метод переменного тока обеспечивает непревзойденную чувствительность в сочетании с простотой эксплуатации.

Образец устанавливается на мембране калориметра с помощью теплопроводной вакуумной смазки и помещается в замкнутую ячейку с газом-теплоносителем низкого давления. Затем крепление для образца вставляется в стандартный зонд, как показано на рисунке ниже. Зонд вставляется в VTI через воздушный шлюз.

Эксплуатационные характеристики

• Датчик размещен на Si3N4
• Мембрана
• Вес образца: 1 - 200 микрограмм
• Диапазон температур 3 K - 300 K
• Температурная модуляция
• Частота: 0,1 - 100 Гц, стандартно
• Амплитуда: 0,01 - 0,1 K
• Чувствительность: 1 нДж/K при 10 K
• Стандартный размер образца: 0,1 х 0,1 х 0,1 мм

Ключевые особенности

• Низкая амплитуда колебаний температуры: Идеально подходит для исследования узких фазовых переходов.
• Быстрое измерение: Позволяет регистрировать
• Теплоемкость в зависимости от постоянно варьирующихся внешних параметров (температура или поле) через фазовый переход.
• Высокая чувствительность: Калориметр изготавливается с использованием технологии кремний-нитридной мембраны.
• Надежность и долговечность: Один датчик может быть использован для многих смен образцов.
• Размер образца: В идеальных условиях продольный размер образца соответствует размеру миниатюрного нагревателя, размещенного на мембране.  

Метод релаксации

Релаксационный метод является альтернативным и дополняющим способом измерения теплоемкости. Сам по себе он медленнее, но может быть использован для изучения более крупных образцов. Измерение выполняется с помощью загружаемой сверху вакуумной пробы.

Образцы монтируются в легком алюминиевом контейнере. Конструкция платформы для образцов регулируется под ожидаемый диапазон тепловой мощности, так что этот способ может быть использован для образцов различных размеров путем простой замены платформы.

Эксплуатационные характеристики

• Вес образца: 1 - 200 миллиграмм
• Размер образца: стандартно до 1 мм3
• Чувствительность: 10 нДж/K при 2 K
• Диапазон температур: от 3 до 300 K

Магнитно-калорийный материал, металлический образец  

Теплоемкость ниобиевой фольги. Экспоненциальное поведение ниже TC

Слева представлены два исследования: первое - система спинового перехода Fell  , второе - ниобий 

Переход в приложенном магнитном поле

Сверхпроводящий переход в объеме ниобия

Теплопроводность

Модуль измерения теплопроводности используется для измерения теплопроводности, термо-ЭДС (эффект Зеебека) и удельного сопротивления одновременно в одной экспериментальной установке.

Платформа для образцов смонтирована во внутренний вакуумной камере (IVC) с конусным уплотнением на конце специального измерительного зонда. Провода, входящие в IVC тщательно термически заземлены таким образом, чтобы не нарушалась работа зонда при низких температурах. Для измерения теплопроводности и термо-ЭДС используется четырехточечная геометрия для устранения выборочных граничных эффектов.

Теплопроводность и термо-ЭДС обычно измеряются одновременно в одном эксперименте с использованием модуля сканирования, поставляемого с системой. Электрическое сопротивление может быть измерено в течение того же эксперимента, т.е. без необходимости установки образца на другой зонд.

 Стандартные измерения:

• Теплопроводность
• Коэффициент Зеебека
• Удельное сопротивление

Эксплуатационные характеристики

• Диапазон температур: 2- 350 К
• Стандартный размер образца: 1*1*10 мм
• Диапазон теплопроводности при 300К: 1мкВт/К - 1 Вт/К
• Диапазон теплопроводности при 10К: 0.1 мкВт/К - 10 мВт/К
• Диапазон измерения термоЭДС: 1 мкВ/К - 1 В/К
• Абсолютная точность: не хуже 5%

Теплопроводность меди в зависимости от температуры  

Термо-ЭДС копелевого (медно-никелевый сплав) образца

Наилучшие результаты с точки зрения точности измерений и скорости получаются с использованием дифференциального метода. Система настроена для генерации разности предопределенной температуры Delta T на образце и измеряет требуемую тепловую мощность P. Процесс повторяется для нескольких значений Delta T и теплопроводность рассчитывается из кривой наклона P в зависимости от Delta T. Процедура измерения полностью автоматизирована. Вид процедуры в программном обеспечении показан на рисунке.

Сверхнизкие температуры

Модуль реконденсации Не-3 с базовой температурой 300 мК

При использовании охлаждающей мощности VTI и двух внутренних терморегулируемых сорбционных насосов может поддерживаться любая температура образца внутри модуля реконденсации Не-3 в диапазоне от 300 мК до более чем 300 K. Модуль помещается внутрь зоны CFMS с переменной температурой и имеет рабочий объем жидкого Не-3 приблизительно 1,5 см3. Стандартный модуль имеет позолоченную медную поверхность для крепления образцов с центральным резьбовым отверстием для крепления разъема для образцов. Предоставляется адаптер, позволяющий использовать стандартные держатели для образцов для измерения удельного сопротивления.

1. Вращающийся блок для образцов с 20-контактным разъемом LCC
2. Сорбционный насос для газа-теплоносителя
3. Конусное уплотнение из нержавею-щей стали
4. Контейнер с гелием-3
5. Вращающийся блок для образцов с 6-контактным штепсельным соединением
6. Основной сорбционный насос

Эксплуатационные характеристики

• Базовая температура - менее 300 мК
• Образец в вакууме
• Верхняя загрузка непосредственно в VTI
• Блок конденсации гелия-3 охлаждается VTI
• Стандартное время работы - до 24 часов

Ключевые особенности

• Гелий-3 перманентно запечатан в модуле, что предотвращает случайную потерю газа
• Зона для образцов: диаметр 16 мм, длина 15 мм
• Для работы зонда не требуются механические насосы
• Доступен ассортимент платформ для образцов с другой конфигурацией контактов
• Дополнительный вращающийся блок

Бескриогенная измерительная система с индукцией 18 Тесла и вставкой гелием-3 для измерения электропроводности

Квантовый эффект Холла в гетероструктуре арсенид галлия - арсенид алюминия-галлия

Вставка с рефрижератором растворения с базовой темперой 50 мК

Криогенный рефрижератор растворения предназначен для работы внутри модуля переменной тем-пературы. При использовании только охлаждающей мощности VTI платформа для образцов рефрижератора растворения может быть охлаждена до температуры всего 50 мК. В комплект поставки входит контролируемый компьютером модуль управления газовыми потоками, необходимый для обеспечения полностью автоматической работы модуля растворения . Вся необходимая электроника размещена в специальной стойке, включающей в себя систему подачи газа и насосную систему, и управляется с компьютерной станции главной системы.

Модуль имеет позолоченную медную поверхность для крепления образцов с центральным резьбо-вым отверстием для крепления разъема для образцов. Предоставляется адаптер, позволяющий использовать стандартные держатели образцов для измерения электропроводности.

Эксплуатационные характеристики

• Базовая температура <50 мК
• Время охлаждения от комнатной тем-пературы до 50 мК - в пределах 8 часов

Ключевые характеристики

• Зона для образцов имеет диаметр 12 мм
• Простой доступ к зоне для образцов через конусное уплотнение
• Стандартный шестиконтактное встав-ное крепление для образцов
• Три витые пары для электрических соединений  образцов входят в стандартную комплектацию
• Совместимость со стандартным модулем VTI диаметром 25 мм
• Установлен откалиброванный датчик сопротивления в смесительной камере
• Дополнительные откалиброванные термометры для различных температурных блоков
• Встроенный высоковакуумный крио-генный насос, управляемый нагревателем
• Программное обеспечение для управления / регистрации данных с помощью резистивного моста Picowatt AVS47B
• Автоматизированная система управле-ния газовыми потоками

1. Турбомолекулярный насос для циркуляции гелия-3
2. Коннекторная коробка зонда
3. Виброизолированная линия от-качки
4. Воздушный шлюз
5. Индиевое уплотнение для полного доступа к внутренним частям
6. Внутренний вакуумный сосуд (Inner Vacuum Can - IVC)

Характеристики