СКВИД-магнитометр

Автоматизированный криогенный СКВИД-магнитометр позволяет проводить в широком диапазоне температур (2-300 К) и магнитном поле до 5 Т высокоточные аналитические измерения магнитных характеристик новых перспективных материалов и объектов, представляющих интерес для науки и производства.

Использование в измерительной части установки оригинальной системы приемных катушек (градиентометр 2-ого порядка) в сочетании с применением для измерений магнитных свойств высокоточного ПТ-СКВИДа позволило при сравнительной простоте конструкции достичь чувствительности установки 10^-8 СГСМ (emu), а, в нулевом поле, до 10^-9 СГСМ (emu).

Высокая точность измерения и стабилизации температуры образца достигнута благодаря включению в состав установки СКВИД-магнитометр оригинального быстродействующего низкотемпературного контроллера. Так использование в этом приборе дополнительного канала 16 бит ЦАП с возможностью двухканального режима регулирования температуры, в сочетании с оригинальной схемой активной компенсации температурного градиента вдоль измерительной ячейки позволило повысить точность стабилизации и измерений температуры вплоть до ~0.02 K. Основные конструктивные и технико-эксплуатационные показатели: высокая точность измерения магнитных свойств материалов, полная автоматизация измерений, широкий диапазон изменения и высокая точность стабилизации температуры исследуемого материала.

 Установка СКВИД-магнитометр

Характеристики магнитометра

Состав магнитометра:

• источник тока сверхпроводящего соленоида;
• температурный контроллер;
• блок измерения магнитного поля и сигнала с чувствительного элемента ПТ-СКВИДа;
• блок управления дискретным перемещением образца и измерения уровня гелия;
• сверхпроводящий соленоид оригинальной конструкции;
• заливной гелиевый криостат;
• вставка в криостат в составе: теплоизолированная шахта с игольчатым вентилем, подвеска соленоида и сенсора СКВИД-измерителя;
• чувствительный элемент - ПТ-СКВИД с электронным блоком контроля и управления;
• вспомогательные модули и крепежные изделия.

Характеристики блоков установки

• Источник тока сверхпроводящего соленоида:

Источник тока может работать как в режиме автономного устройства с управлением с помощью кнопок на передней панели и индикацией параметров на ЖКИ, так и в полностью автоматизированном режиме с управлением от компьютера по интерфейсу RS232. Для обеспечения безопасности при работе в составе криогенных установок источник тока сверхпроводящего соленоида снабжен необходимыми степенями защиты.

• Температурный контроллер:

¹- Контроллер работает в режиме стабилизации напряжения на датчике.

² - Предусмотрена возможно измерять более низкие температуры при использовании соответствующих термометров сопротивления.

³ - Данные приведены для температурного датчика Cernox 1050 (LakeShore)

Температурный контроллер может работать, как автономный прибор с управлением с помощью кнопок на передней панели и индикацией параметров на ЖКИ, так и в полностью автоматизированном режиме с управлением от компьютера по интерфейсу RS232.

Контроллер способен хранить в памяти до 50 градуировочных таблиц различных датчиков температуры и использовать любой из них без дополнительной настройки, а также имеет широкий диапазон изменения параметров ПИД-регулирования

Для достижения заявленной чувствительности СКВИД-магнитометра крайне важным параметром является высокая однородность магнитного поля на длине перемещения образца (~ 6 см.). С этой целью в состав установки включен короткозамкнутый сверхпроводящий соленоид оригинальной конструкции.

Кроме того, в состав СКВИД-магнитометра входит ряд вспомогательных устройств, обеспечивающих контроль и автоматизацию криогенного эксперимента, таких как измеритель магнитного поля, измеритель уровня гелия, модуль управления дискретным перемещением образца с высокой точностью позиционирования. Для регистрации сигнала с приемных катушек измерительной ячейки используется чувствительный элемент - ПТ-СКВИД с электронным блоком контроля и управления. Для обработки сигнала с электронного блока контроля и управления измерителя на - ПТ-СКВИДе, в состав СКВИД-магнитометра также включен специализированный электронный блок, изготовленный компанией КРИОТОН (Москва).

Температурный контроллер

• Сверхпроводящий соленоид:

• Блок управления дискретным перемещением образца и измерения уровня жидкого гелия в криостате:

•  Блок измерителя напряженности магнитного поля и сигнала ПТ-СКВИДа:

Благодаря использованию высокоточных (16 бит) аналогово-цифровых преобразователей (АЦП) и применению оригинальных разработок в управляющих блоках и архитектуре приборов, удалось заметно повысить точность измерения сигнала с трансформатора потока ПТ-СКВИДа (<1 мкВ) и точность измерения высоты столба жидкого гелия жидкого (<1 мм). Использование в системе перемещения образца шагового двигателя с передачей усилия с помощью гидравлической системы, позволило значительно увеличить мощность и максимальную скорость перемещения образца (до 4мм/сек), при соблюдении требований к точности позиционирования и отсутствию электрических помех и вибраций.

Блок измерения магнитного поля и сигнала с трансформатора потока ПТ-СКВИДа и блок управления дискретным перемещением образца и измерения уровня гелия могут работать как в автономном режиме с индикацией параметров и управлением кнопками на передней панели, так и в полностью автоматизированном режиме с управлением от компьютера по интерфейсу RS232.

Характеристики гелиевого криостата.

• Заливаемый гелиевый объем 5 л.
• Диаметр гелиевого объема 111 мм.
• Теплоизоляция криостата высоковакуумная с криогенным насосом и обмоткой азотного объема и радиационного экрана майларовой фольгированной пленкой.
• Теплоизоляция измерительной шахты вставки в криостат - высоковакуумная с криогенным насосом.
• Схема приемных катушек - градиентометр 2-ого порядка.
• Конструкция измерительной ячейки – проточный газовый лабиринт с активной компенсацией температурного градиента вдоль оси перемещения образца.
• Датчики температуры - термометры сопротивления CERNOX 1050 (LakeShore Cryotronics, США)
• Датчик уровнемера на основе СП провода (American Magnetics Inc, США).
• Материал токовводов СП соленоида – высокотемпературный сверхпроводник.

Заливной гелиевый криостат с установленной вставкой

Вставка в криостат: 1 - двустенная ампула 2 - СП соленоид 3 - трубка с тоководами 4 - теплоизоляционные экраны 5 - заливочный канал

Нижняя часть вставки в криостат (СП соленоид демонтирован):1 - двустенная ампула, 2 - приемные катушки,
3 - чувствительный элемент ПТ-СКВИД, 4 - система подвеса СП соленоида, 5 – капилляр, 6 - привод игольчатого вентиля, 7 - игольчатый вентиль, 8 - угольный насос, 9 - СП уровнемер.

Характеристики системы перемещения образца:

• Длина перемещения 60 мм.
• Точность позиционирования 0.05 мм.
• Диапазон скорости перемещения 0.1-4 мм/с.
• Низкий уровень вибрации и электрических помех.
• Длина штока образца 1350 мм.

Программное обеспечение

Программное обеспечение в среде Windows обеспечивает полную автоматизацию процессов и режимов, лежащих в основе рабочего цикла измерений на Установке. Реализуются программы управления движением образца (1), измерения и стабилизации температуры (2), управления источником тока СП соленоида (3), программа магнитных измерений установки СКВИД-магнитометр.

Программа управления движением образца (1) позволяет задавать скорость перемещения образца (параметр StepTime), включать движение в выбранном направлении (кнопки Down, Up) и при необходимости останавливать перемещение (кнопка Stop) до срабатывания концевых выключателей в крайних положениях при перемещении образца.

Программа измерения и стабилизации температуры (2) позволяет в ручном режиме управлять мощностью нагревателей, задавать параметры ПИД регулирования и требуемую температуру, включать режим автоматического регулирования. Также в программе предусмотрена графическая визуализация текущих значений температуры от времени и возможность сохранения данных в файл. Текущее состояние программы соответствует автоматическому режиму стабилизации температуры измерительной ячейки 76.8 К.

Программа управления источником тока СП соленоида (3) предусматривает возможность включения и выключения развертки тока СП соленоида, а также установку параметров развертки – скорость развертки, максимальное и минимальное значения диапазона изменения тока.

Программа магнитных измерений установки СКВИД-магнитометр опрашивает блок управления дискретным перемещением образца, блок измерения магнитного поля и сигнала с ПТ-СКВИДа, температурный контроллер и сохраняет в файл полученные данные текущего положения образца, сигнала с чувствительного элемента ПТ-СКВИДа, значения температуры и магнитного поля. Аппроксимируя полученную зависимость сигнала с чувствительного элемента ПТ-СКВИДа от положения образца, программа автоматически получает значение намагниченности, которое также сохраняется в файл. Для примера в окне программы представлена экспериментальная зависимость сигнала с чувствительного элемента ПТ-СКВИДа от положения образца. В программе также предусмотрена возможность графической визуализации полученных данных намагниченности от температуры и магнитного поля, а также возможность изменять масштаб и границы диапазонов указанных графиков.

Окна программ управления движением образца (1), измерения и стабилизации температуры (2), управления источником тока СП соленоида (3).



Окно программы магнитных измерений. На графике представлена зависимость сигнала с чувствительного элемента ПТ-СКВИДа от положения образца.