Das M81-SSM von Lake Shore Cryotronics bietet DC-, AC- und Lock-in-Quelle und -Messung.
Heutige Messsysteme können sehr schnell sehr kompliziert werden. Wissenschaftler, die auf dem neuesten Stand der Forschung sind, müssen oft Instrumente von verschiedenen Anbietern zusammenbasteln. Dies ist problematisch, da Systeme mit gemischten Anbietern schwierig zu bedienen sein können und die Genauigkeit und Wiederholbarkeit der durchgeführten Messungen ernsthaft beeinträchtigt werden kann.
Lake Shore Cryotronics hat diese Unsicherheiten mit seinem MeasureReady M81-SSM-System (Synchronous Source and Measure) angegangen, das den gleichzeitigen Betrieb von bis zu drei Quellen und drei Messmodulen durch ein einziges zentrales Steuerungsinstrument ermöglicht. Der M81-SSM nutzt die proprietäre MeasureSync-Technologie von Lake Shore, um sicherzustellen, dass alle angeschlossenen Quell- und Messmodule synchron aktualisiert und mit einem Abstand von +/-10 ns voneinander bei einer Abtastrate von 375 kHz abgetastet werden.
„Wir haben bewusst synchrone Quell- und Messfunktionen kombiniert“, erklärt Chuck Cimino, leitender Produktmanager bei Lake Shore. „Dies ermöglicht auch die Verwendung einer gemeinsamen Genauigkeitsreferenz für die zu charakterisierende Probe und gewährleistet eine durchweg minimale Rauschleistung.“
Das Unternehmen hat seinen Hauptsitz in Westerville, Ohio und entwickelt seit 56 Jahren Mess- und Steuerungslösungen. „Wir verfügen im M81-SSM über mehrere patentierte Technologien, die eine hervorragende Synchronisierung, gemischte DC- und AC-Quelle und -Messung sowie einen sanfteren/schnelleren Wechsel des Spannungsmessbereichs ermöglichen“, fügt er hinzu.
Das Herzstück des M81-SSM ist ein Controller-Instrument, das derzeit vier verschiedene Arten von Quellen- und Messmodulen unterstützt: ein Konstantspannungsquellenmodul; ein symmetrisches oder differenzielles Konstantstromquellenmodul; ein Spannungsmessmodul mit einer Eingangsimpedanz von mehr als 1 TΩ; und ein Strommessmodul vom Typ Null-Offset-Spannung mit integrierter programmierbarer Gleichstromvorspannung. Laut Cimino werden weitere anwendungsspezifische Module entwickelt, um die Fähigkeiten des Systems zu erweitern.
Extrem geräuscharmer Betrieb
Alle M81-SSM-Module enthalten lineare Verstärkerelektronik, die von hochisolierten linearen Netzteilen gespeist wird. Laut Cimino ist das Ergebnis ein extrem rauscharmer Betrieb, der viele der besten herkömmlich gebauten Single-Box-Quellen- und Messgeräte übertrifft, einschließlich einer Reihe häufig verwendeter Lock-in-Verstärker.
Der M81-SSM wurde von Anfang an so konzipiert, dass er den größtmöglichen Bereich von Spannungs-Strom-Charakterisierungsanwendungen mit geringstmöglichem Rauschen und schnellster Konfiguration und Einrichtung für die Messung von Proben in kryogenen und/oder Hochfeld-Experimentumgebungen abdeckt. Lake Shore verfügt über umfassende Erfahrung bei der Charakterisierung von Materialien und Geräten in diesen und anderen extremen Umgebungen und hat bei der Entwicklung des M81-SSM auch proprietäre Signalkonditionierungs- und Messtechnologien sowie die Fachkompetenz der Anwendungswissenschaftler des Unternehmens voll genutzt.
Aufgrund dieser stromsparenden und rauscharmen Signalfähigkeit ist der M81-SSM sehr nützlich für die Messung von Magnetfeldeffekten mithilfe verschiedener Hall-Bar-Strukturen und Magnetfeldsensoren. Diese Geräte werden in einer Reihe von Anwendungen eingesetzt, darunter Spintransportexperimente und die Untersuchung supraleitender Materialien bei kryogenen Temperaturen. Der M81-SSM führt nicht nur Messungen bei sehr niedrigen Temperaturen durch und minimiert gleichzeitig die Eigenerwärmung, sondern kann auch Materialien in Räumen und Umgebungen mit sehr hohen Temperaturen charakterisieren und thermische Offsets durch Wechselstromversorgung mit Lock-in-Erkennung vermeiden.
Hall-Bar-Messungen, mit denen sehr präzise Messungen des elektrischen Widerstands einer Probe durchgeführt werden, können mit der Kombination aus Differenzstromquelle und Spannungsmessmodul des M81-SSM sehr effektiv durchgeführt werden. Auch allgemeine Vierleiter-Widerstandsmessanwendungen profitieren von diesen rauscharmen, stromsparenden, vollständig differenziell angeschlossenen Modulen.
Der modulare Aufbau des M81-SSM und die Fähigkeit der Module, problemlos zwischen AC- (bis zu 100 kHz), DC- und Lock-in-Erkennungsmodi umzuschalten, bieten Benutzern große Flexibilität bei den Arten von Messungen, die ohne Wechsel zwischen oder durchgeführt werden können Änderung dedizierter DC- und AC-Instrumente. Diese Modularität und Flexibilität bedeutet auch, dass der M81-SSM zum Testen mehrerer Geräte unter identischen Bedingungen verwendet werden kann, um konsistente Ergebnisse zu liefern.
Das Spannungsmessmodul VM-10 kann Signale aus dem niedrigen Nanovoltbereich bis 10 V erfassen. Es arbeitet von Gleichstrom bis 100 kHz und kann Amplitude, Phase und Oberwellen erkennen. Das Strommessmodul CM-10 kann Ströme im Femtoampere- bis 100-mA-Bereich erfassen. Strommessungen können von Gleichstrom bis 100 kHz durchgeführt werden und umfassen Amplituden-, Phasen- und Oberschwingungserkennung.
Das symmetrische Stromquellenmodul BCS-10 ist von 100 fA bis 100 mA von DC bis 100 kHz Sinusausgang programmierbar, während das Spannungsquellenmodul VS-10 programmierbare Spannungen von 1 µV DC/100 nV AC bis zu ± 10 V mit DC bereitstellt bis 100 kHz Sinusausgang.
Das Controller-Instrument bietet eine Reihe digitaler Konnektivität, einschließlich USB, GPIB und Ethernet, sowie die Schnittstelle zu externen Referenzquellen oder Detektoren. Der Controller und die Module sind kompakte Tischgeräte, die auch im Rack montiert werden können.
Synchronisierung und Integration
Dank seines hohen Synchronisierungsgrads und der Integration von Beschaffungs- und Messfunktionen kann das M81-SSM die Anzahl der separaten Instrumente reduzieren, die in vielen Fällen nur auf das M81-SSM-System beschränkt sind, um Präzisionsmessungen durchzuführen. Dieser Integrationsgrad minimiert auch die Anzahl und Länge der Kabel, die normalerweise zum Anschluss separater Quellen, Messgeräte und Proben verwendet werden. Diese Integration vermeidet die Einführung parasitärer Effekte – wie Leckage, Rauschen, Widerstand und Reaktanz – die alle die Messungen erheblich verschlechtern können.
Die Remote-Module werden über standardmäßige 2 m lange, störsichere Strom- und Signalkabel mit dem Hauptgerät verbunden, die optional auf insgesamt 6 m zwischen dem Gerät und einem beliebigen Modul verlängert werden können. Dies bedeutet, dass die Module sehr nahe am Ort der Messung platziert werden können, beispielsweise in einer kryogenen Sondenstation. „Bei Low-Level-Messungen kommt es darauf an, die Länge der Signalpegelkabel zu minimieren“, sagt Cimino. „Mit dem M81-SSM können Sie die Verstärkermodule auf Wunsch direkt neben der Probe platzieren.“
Durch den modularen Aufbau des Systems können durch einfaches Austauschen verbundener Module vielfältige Konfigurationen erstellt werden. Dies macht das M81-SSM zu einem äußerst flexiblen System und seine Leistung ist vorhersehbarer als bei Setups, die aus mehreren separaten Instrumenten und Instrumenten verschiedener Anbieter bestehen. Darüber hinaus wird das gesamte System von einem Lieferanten unterstützt, was den Kundenservice und die technische Unterstützung einfacher und effizienter macht.
Der M81-SSM nutzt ein patentiertes analoges System zur Signalübertragung zwischen dem Controller und seinen Modulen. Cimino erklärt, dass dadurch verrauschte digitale Schaltkreise von den empfindlichen analogen Schaltkreisen in den Modulen ferngehalten werden. Dadurch werden auch Erdungsfehler minimiert und die enge Synchronisierung aller Module gewährleistet.
Dedizierte ADCs und DACs
Signale von bis zu drei angeschlossenen Messmodulen werden im Controller durch spezielle Analog-Digital-Wandler (ADC) digitalisiert. Ausgangssignale von bis zu drei Quellmodulen werden vom Controller durch spezielle Digital-Analog-Wandler (DACs) definiert.
Die ADCs und DACs werden durch die ansteigende Flanke eines gemeinsam genutzten MeasureSync-Taktsignals getriggert. MeasureSync ist das zum Patent angemeldete Signalsynchronisationssystem von Lake Shore, das ein gemeinsames 375-kHz-Taktsignal zum Aktualisieren und Lesen aller Module verwendet und so eine kontinuierliche Datenabtastung auf jedem angeschlossenen Kanal anstelle der typischen Multiplex-Mehrkanalalternativen ermöglicht.
Während der Lücken zwischen den Abtasttaktflanken werden ADC-Daten vom Controller gelesen und die DACs werden so eingestellt, dass sie die nächsten Ausgangswerte liefern. Das Ergebnis ist die vollständige Synchronisation und kontinuierliche Abtastung von bis zu sechs angeschlossenen Verstärkerkanälen – wodurch mehrere synchronisierte Messungen parallel durchgeführt werden können. Jeder Kanal kann so eingestellt werden, dass er AC-, DC- oder Lock-In-Messungen durchführt. Rohproben werden mit 375 Kilosamples pro Sekunde (kSa/s) erfasst und verarbeitet und abgeschlossene Messungen werden über LAN, USB oder GPIB an einen Host-PC mit bis zu 5 Datensätzen pro Sekunde oder einer Gesamtrate für 3 Messkanäle von 15 Messungen pro Sekunde übertragen zweite.
Dieser hohe Grad an Synchronisation zwischen Quelle und Messung bedeutet, dass der M81-SSM für Lock-in-Messungen verwendet werden kann, die sehr schwache Signale aus verrauschten Hintergründen extrahieren können. Dies ist ein erheblicher Vorteil für Benutzer, da Lock-in-Messungen normalerweise mit einem speziellen Lock-in-Verstärkergerät nur für AC-Messungen durchgeführt werden.
Einrasten per Knopfdruck
„Ich habe einigen interessierten Kunden die Hauptfunktionen des M81-SSM demonstriert und sie fragten: ‚Wo ist denn der Lock-in-Verstärker?‘“, sagt Cimino. „Sie sehen zunächst nur die kompakten Module und Steuerungselemente und ich muss erklären, dass der Lock-in digital umgesetzt wird. „Es ist ein Lock-in auf Knopfdruck“ ist die begeisterte Antwort, die ich von mehreren potenziellen Benutzern erhalten habe.“
Cimino fügt hinzu, dass Anfänger und Experten gleichermaßen schätzen, wie einfach und intuitiv Lake Shore die Benutzeroberfläche konfiguriert hat. Am Ende des Expertenspektrums sagt Cimino, dass „ein M81-SSM-Benutzer unseren Python-Treiber als Treiberstandard seiner Gruppe für alle seine Geräte übernommen hat.“ Ihm gefiel einfach die Art und Weise, wie wir die M81-SSM-Steuerelemente in unserem Python-Treiber abstrahiert haben.“
„Oder wenn Sie überhaupt nicht programmieren möchten, können Sie mit unserer MeasureLINK-Software einfach Quell- und Messbefehle auf hoher Ebene per Drag-and-Drop verschieben, um Daten zu streamen oder Langzeittests durchzuführen“, sagt Cimino. „Wenn Sie ein Magnetfeld oder eine Probentemperatur manipulieren möchten, während Sie elektrische Messungen durchführen, können Sie dies ohne Programmierung tun.“
Cimino beschreibt die Benutzeroberfläche des M81-SSM als „auffindbar“ und dass jeder Smartphone-Benutzer (dh „jeder“) problemlos damit umgehen kann. „Jedes Modul wird in der Benutzeroberfläche dargestellt und wenn Sie auf ein Modul klicken, sehen Sie eine virtuelle Frontplatte für dieses Instrument“, erklärt er. Die Standardeinstellungen auf der Schnittstelle entsprechen den gängigsten Messungen, aber Benutzer können auch einfach durch die Schnittstelle navigieren, um den M81-SSM auf eine Weise zu steuern, die ihrem Kenntnisstand und ihren Messanforderungen entspricht. Und sowohl für Anfänger als auch für Experten bietet Lake Shore Unterstützung durch sein Team aus promovierten Anwendungsingenieuren.
„Der M81-SSM ist das Ergebnis von fünf Jahren wirklich harter Arbeit der Entwicklungs- und Anwendungsteams von Lake Shore“, sagt Cimino und fügt hinzu, dass die positiven Reaktionen der Benutzergemeinschaft darauf hindeuten, dass sich die Mühe gelohnt hat.
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- Quelle: https://physicsworld.com/a/synchronous-source-and-measure-system-takes-a-modular-approach-to-low-level-measurement/
