PDF《美国 Quantum Design 公司》

Quantum Design Partners in Your Lab 美国 Quantum Design 公司 磁学测量系统 MPMS(SQUID) 产品说明手册 Quantum Design 中国子公司

2012 年09 月By Scientist For Scientist Quantum Design Partners in Your Lab 美国 Quantum Design 公司简介 图1Quantum Design 全球总部 美国 Quantum Design 公司于

1982 年由世 界上第一台商业化 SQUID 测量系统的设计者创 立,总部位于美国加州圣迭戈市.

在公司成立的 近三十年里,Quantum Design 公司专注于打造 两条主产品线――SQUID 磁学测量系统(MPMS)和综合物性测量系统(PPMS) .目前 PPMS 和MPMS 已经成为实验数据可靠的标志, 被广泛应用于物理、化学及材料科学等众多研究 领域,几乎遍布所有世界一流相关实验室.在中 国已有将近

100 台PPMS 和MPMS 正服务于全 国各大重点实验室和顶尖的科学研究小组. MPMS 系统总述 SQUID ( Superconducting QUantum Interference Device)是MPMS 高灵敏度的根 源, 因此人们常常直接以 SQUID 来称呼 MPMS. MPMS系统磁学灵敏度可高达 10-9 emu,基 系统的测量温度范围为 1.9K - 400K (另有选件 可拓展至 0.48K - 1000K) , 同时设备由超导磁体 提供最高到

7 特斯拉的外加磁场. 7T以上的磁噪 声会使SQUID的测量精度明显下降, 因此MPMS 系统不配备 7T以上的磁体. MPMS 系统由一个基系统和各种测量及拓 展选件组成.用户首先选择一个基系统,在功能 上基系统提供了一个集温度、磁场、控制软硬件 部分于一体的测量平台以及基本的 SQUID 直流 磁学测量功能.其中主要包含内置超导磁体、低 温杜瓦、温控系统、磁场控制系统、MPMS 系统 中央控制平台,SQUID 探测单元等.在此基础 上,用户进一步根据自己研究的需要选择购买 MPMS 上其他各种拓展功能的选件, 来实现在此 低温强磁场平台上的更多测量功能. Qunatum Design 公司目前提供两个系列的 MPMS 磁学测量系统供用户选择,分别为: MPMS (SQUID) XL 系列和 MPMS (SQUID) VSM,前者简称为 MPMS XL 系列,后者简称为 SQUID-VSM. 第一部分 MPMS XL 系列 图2MPMS XL 系列 MPMS XL 系列产品是开发比较早并且目前 使用最为广泛的 SQUID 磁学测量系统,它集成 了丰富的磁学相关测量功能.目前分为 XL

5 和XL

7 两种型号, 区别在于可分别提供最高

5 T 和7T的高均匀度的背景测量磁场. MPMS XL 系列产品功能强大,可以进行直 流磁学、交流磁学、横向磁矩、巨磁矩、高温磁 测量、 高压磁测量、 磁各向异性、 光诱导磁测量、 超低磁场测量(自动形成最低达 0.05 高斯的磁 场环境) 、精细磁电相关测量等. MPMS XL 基本系统 MPMS 的基本系统按功能可以分为以下几 个部分:温度控制、磁场控制、SQUID 探测单 元、直流磁学测量和 MPMS 软件控制系统.基 本系统的硬件包括测量样品室、液氦杜瓦、超导 磁体及磁体电源组件、真空泵、计算机和电子控 制系统等.基本系统提供了低温和强磁场的测量 环境以及用于对整个 MPMS 系统控制部分,自 带的磁学测量包含 DC 和RSO 模式. SQUID 探测单元 SQUID 器件是测量磁信号最灵敏的装置, 但是 SQUID 器件并不直接测量样品的磁矩.基 本工作原理是:样品磁矩在超导探测线圈里感生 By Scientist For Scientist Quantum Design Partners in Your Lab 出电流,感生电流与探测线圈里的磁通成正比, 样品在探测线圈里的移动引起感生电流的变化, 探测线圈的电流与 SQUID 感应耦合, SQUID 输 出的是电压的变化.SQUID 电子探测系统可以 保证输出电压正比于输入电流,因此可以把 SQUID 看作极高精度的电流-电压转换器.从而 SQUID 的输出电压正比与样品的磁矩. (见图 3) 图3SQUID 探测单元基本工作原理图 SQUID 探测线圈是一种高度平衡的二阶梯 度线圈,轴向长度约 3cm.这种二阶梯度线圈可 以保证均匀磁场在其内几乎不产生信号,使得 SQUID 对磁场漂移相对不敏感.磁场漂移是指 磁场改变到目标场后随时间的微小变化.一般的 测量参数选用以探测线圈中心为中心的 4cm 扫描,就是要让样品的行程经过整个探测线圈,以 得到相对完整的 SQUID 输出电压响应曲线.这 个实测的响应曲线与理想磁偶极子模型在探测 线圈里移动的理想响应曲线相匹配,进行数值拟 合后得到的响应曲线的电压峰值(位于响应曲线 的对称中心) ,经过公式换算就得到样品的磁矩 值.换算公式里的参数通过测量已知磁矩的 Pd 标准样品标定得到. (见图 4) 图4SQUID 探测线圈和完整的 SQUID 电压响应曲线 MPMS XL 样品室 样品室的内径是