Автоматизированный лабораторный комплекс для проведения лабораторной работы по физике АЛКП-1

Комплекс АЛКП-1 создан по заказу МФТИ. Изготовлена автоматизированная экспериментальная установка для изучения явления квантовой механики – тунеллирования электронов в вырожденном p-n переходе. В работе исследуется вольт-амперная характеристика (ВАХ) германиевого туннельного диода из которой экспериментально определяется положение экстремальных точек ВАХ для различных температур в диапазоне от температуры кипения жидкого азота (T=77.3K при давлении 1 атм.) до комнатной. Для измерения ВАХ используется автоматизированный лабораторный комплекс модели АЛКП-1, включающий двухканальный вольтметр постоянного напряжения, программируемый источник постоянного тока/напряжения, криогенный регулятор температуры, лабораторный криостат для радиотехнических измерений и персональный компьютер.

Измерение ВАХ тестируемого образца осуществляется при помощи двухканального вольтметра, реализованного на базе 16-битных аналогово-цифровых преобразователей АЦП1 и АЦП2. Один из каналов (АЦП1) задействован для измерения тока через образец, определяемого по падению напряжения на образцовом сопротивлении в цепи тестируемого образца. Для изменения параметров используется программируемый источник тока/напряжения с диапазонами регулировки тока и напряжения 0-0,1А и 0-2,5В и разрешением 40 мкВ и 2 мкА, соответственно. Переключение режимов работы (источник тока – источник напряжения) осуществляется вручную при помощи тумблера, расположенного на передней панели блока. Скорость и направление развертки тока (напряжения) задается в диалоговом окне прилагаемого программного обеспечения. Изменение параметров ЦАП и считывание информации с АЦП осуществляется через контроллер порта RS232.

Измерение температуры образца осуществляется при помощи образцового платинового термометра сопротивления (R(273,15 K)=100 Ом), сопротивление которого измеряется в режиме постоянного тока (100 мкА). Высокая точность измерения температуры (на уровне 0,02-0,03 K) достигается путем использования схемы на основе 16-битного аналогово-цифрового преобразователя АЦП3 Температура образца визуально контролируется на соответствующем дисплее измерительного комплекса АЛКП-1. Перестройка и стабилизация температуры осуществляется при помощи трехпараметрического пропорционально-интегрально-дифференциального (ПИД) регулятора, а также в ручном режиме изменения тока через нагреватель (до 1А) с использованием программируемого источника тока на основе 16-битного цифро-аналогового преобразователя ЦАП2.

Исследуемый образец монтируется на столик-ячейку низкотемпературной вставки лабораторного криостата. В непосредственной близости от образца смонтированы платиновый термометр сопротивления и нагреватель из константанового провод, бифилярно намотанный на столик. Для уменьшения температурного градиента и электромагнитных помех на столик-ячейку накручивается экран, изготовленный, как и сам столик, из теплопроводящего сплава меди. Для перестройки температуры в системе реализована схема «перевернутого стакана», при которой пары азота вытесняют жидкий азот из полости внешнего экрана вставки при закрытом патрубке вставки.

Блок-схема автоматизированного лабораторного комплекса модели АЛКП-1

Основные элементы и органы управления автоматизированного лабораторного комплекса модели АЛКП-1

1. Выключатель питания
2. Тумблер переключения режима работы источника тока/ напряжения
3. Индикатор режима работы источника напряжения
4. Тумблер переключения режима развертки тока/ напряжения (ручной/ автоматический)
5. Индикатор ручного режима развертки тока/ напряжения
6. Цифровое табло напряжения (значения в Вольтах)
7. Цифровое табло температуры (значения в Кельвинах)
8. Индикатор режима работы источника тока
9. Индикатор автоматического режима развертки тока/ напряжения
10. Потенциометр ручного режима развертки тока/ напряжения
11. Цифровое табло тока (значения в Амперах)
12. Цифровое табло тока нагревателя (значения в Амперах)
13. Разъем соединения с вставкой

Лабораторный криостат для радиотехнических измерений с низкотемпературной вставкой для монтажа и измерения вольт-амперных характеристик полупроводниковых элементов.

1 – верхний фланец вставки с разъемом; 2 – сальниковое уплотнение; 3 – патрубок вставки; 4 – патрубок азотного объема криостата; 5 – гайка крепления вставки; 6 – вакуумная полость криостата; 7- внешний экран вставки; 8 – жидкий азот (разница уровней отвечает перекрытому патрубку вставки); 9 – фланец крепления вставки; 10 – теплоизолирующие центраторы; 11- нагреватель; 12 – образец (туннельный диод); 13 – столик-ячейка; 14 – термометр; 15 – экран столика.

Програмное обеспечение

Для управления комплексом АЛКП-1 используется программное обеспечение, разработанное на базе пакета LabWindows CVI 8.1 (National Instruments), которое позволяет регистрировать вольт-амперные характеристики исследуемых образцов в изохронных режимах развертки тока/напряжения, изменять параметры ПИД регулятора, управлять током нагревателя вставки в ручном режиме, осуществлять сбор и запись данных на жесткий диск, а также представлять экспериментальные данные на графике в режиме реального времени.

Иллюстрации