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多物理場(chǎng)下的電容測(cè)量設(shè)備的制作方法
【專(zhuān)利摘要】多物理場(chǎng)下的電容測(cè)量設(shè)備，由變溫變磁裝置、LCR測(cè)量?jī)x和微機(jī)終端組成；其中，微機(jī)終端安裝有利用LabVIEW2013開(kāi)發(fā)的數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)；微機(jī)終端通過(guò)GPIB連接線分別與LCR測(cè)量?jī)x和變溫變磁裝置連接。其中變溫變磁裝置中的低溫腔內(nèi)安裝有樣品導(dǎo)管、下部外圍安裝有超導(dǎo)線圈，在樣品導(dǎo)管的頂端有傳輸應(yīng)變片電信號(hào)的屏蔽電纜接口，下部有樣品接頭，樣品接頭的下端、有樣品臺(tái)安裝槽，裝有樣品臺(tái)；低溫腔內(nèi)壁安裝了控磁線路；樣品臺(tái)的第一層上有樣品粘貼區(qū)、樣品平板電容器連接通道及功能拓展線路連接通道；第二層中有發(fā)熱器件和熱電偶；第三層為針腳契合孔。實(shí)現(xiàn)多物理場(chǎng)下對(duì)材料的電容特性進(jìn)行測(cè)量。
【專(zhuān)利說(shuō)明】多物理場(chǎng)下的電容測(cè)量設(shè)備

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種多物理場(chǎng)下的電容測(cè)量設(shè)備；實(shí)現(xiàn)多物理場(chǎng)(如低溫，強(qiáng)磁場(chǎng))下對(duì)材料的電容特性進(jìn)行測(cè)量的裝置，這種測(cè)量裝置屬于特殊條件下的物性測(cè)量領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0002]眾所周知，在實(shí)驗(yàn)?zāi)蹜B(tài)物理和材料學(xué)的研究中，將多鐵材料、介電材料以及氧化物等材料置于特殊物理場(chǎng)(如低溫，強(qiáng)磁場(chǎng)等)下對(duì)其電容特性進(jìn)行測(cè)量，有利于對(duì)該類(lèi)材料的電學(xué)性能進(jìn)行研究和開(kāi)發(fā)利用。然而，在實(shí)際的研究工作中，對(duì)材料電容特性的測(cè)量通常需要在給定溫度或者給定磁場(chǎng)等特殊條件下完成，這種特殊的測(cè)試條件致使單一的電容測(cè)量設(shè)備無(wú)法滿足測(cè)試需求，難于實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代材料基礎(chǔ)研究的測(cè)試手段。
[0003]就目前最新物性測(cè)量系統(tǒng)而言,美國(guó)量子設(shè)計(jì)公司(Quantum Design, Inc.)研發(fā)的物性測(cè)量系統(tǒng)(Physics Property Measurement System, PPMS)提供了能夠在低溫和強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境中對(duì)材料或電子器件的電學(xué)、磁學(xué)、熱學(xué)、光電、形貌等各種物理性能測(cè)量的手段；英國(guó)Cryogenic公司研發(fā)和生產(chǎn)的無(wú)液氦低溫強(qiáng)磁場(chǎng)物性測(cè)量系統(tǒng)同樣也能在低溫和強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境中對(duì)材料的電學(xué)、磁學(xué)、熱學(xué)等性能進(jìn)行測(cè)量。然而，上述這些公司所報(bào)道的系列產(chǎn)品中并不包含多物理場(chǎng)下電容特性的測(cè)量功能。因此，研發(fā)一種實(shí)現(xiàn)多物理場(chǎng)下的電容測(cè)量技術(shù)以滿足材料在不同環(huán)境下的電容特性研究具有重要意義。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本實(shí)用新型的目的是提供一種多物理場(chǎng)下的電容測(cè)量設(shè)備，解決低溫和強(qiáng)磁場(chǎng)條件下材料電容特性的測(cè)量，具有溫度環(huán)境穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、實(shí)施過(guò)程容易、建設(shè)成本相對(duì)較低、并且具有全自動(dòng)地實(shí)現(xiàn)多物理場(chǎng)下的電容特性測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)。
[0005]技術(shù)方案:一種多物理場(chǎng)下的電容測(cè)量設(shè)備，包括NF-ZM2353型LCR測(cè)量?jī)x、微機(jī)終端、樣品臺(tái)接頭和樣品臺(tái)、變溫變磁裝置及其中的杜瓦套、低溫腔體、樣品導(dǎo)管、杜瓦蓋、超導(dǎo)線圈；其中:
[0006]變溫變磁裝置中的杜瓦蓋通過(guò)第一法蘭密封地安裝于杜瓦套上端面從而形成一外腔體，此外腔體內(nèi)有一個(gè)杜瓦瓶，杜瓦蓋中央開(kāi)有一通孔，所述低溫腔體下端嵌入杜瓦蓋的通孔中并位于杜瓦瓶?jī)?nèi)，一真空模塊位于低溫腔體上端，此真空模塊與低溫腔體之間通過(guò)密封環(huán)連接，所述真空模塊上設(shè)置了用于抽氣的真空泵接口 ；所述超導(dǎo)線圈纏繞于低溫腔體下部的外側(cè)面，沿著低溫腔的內(nèi)壁設(shè)有防護(hù)層保護(hù)下的超導(dǎo)線圈控制電路，這些密封的超導(dǎo)線圈控制電路緊貼腔體壁并連接至位于真空模塊處的控磁線路接口；
[0007]所述樣品導(dǎo)管下端穿過(guò)真空模塊與密封環(huán)進(jìn)入到低溫腔體內(nèi)，樣品導(dǎo)管的上端設(shè)有屏蔽電纜接口，屏蔽電纜接口用于將樣品導(dǎo)管內(nèi)部的信號(hào)傳輸線路連接至溫度與磁場(chǎng)控制豐旲塊;
[0008]所述樣品臺(tái)分為三層結(jié)構(gòu)，第一層結(jié)構(gòu)包括樣品安裝區(qū)域、線路連接通道A和拓展線路連接通道B，第二層結(jié)構(gòu)中裝配有用于控制樣品的實(shí)驗(yàn)溫度的發(fā)熱片和用于測(cè)溫的熱電偶，第三層結(jié)構(gòu)中設(shè)計(jì)有針腳孔；
[0009]所述微機(jī)終端通過(guò)GPIB轉(zhuǎn)換接口分別與溫度磁場(chǎng)控制模塊、LCR測(cè)量?jī)x連接，溫度磁場(chǎng)控制模塊連接到超導(dǎo)線圈和熱電偶，LCR測(cè)量?jī)x通過(guò)三通屏蔽電纜連接到線路連接通道A的負(fù)極端(V-)、正極端(V+);第一層結(jié)構(gòu)上的樣品安裝區(qū)中安裝樣品平板電容器，樣品平板電容器的2個(gè)側(cè)表面刷制有兩個(gè)銀電極，兩個(gè)銀電極上分別焊接有第一、第二引線，此第一、第二引線通道A的負(fù)極端(V-)、正極端(V+)。
[0010]杜瓦瓶?jī)?nèi)部裝有超過(guò)三分之二的液氦，這些液氦足以完全浸泡超導(dǎo)線圈；密封環(huán)與低溫腔和真空模塊之間的接觸區(qū)域涂抹有真空硅脂層。
[0011]變溫變磁裝置中還包括一個(gè)使低溫腔體在豎直方向上下移動(dòng)并帶動(dòng)超導(dǎo)線圈移動(dòng)實(shí)現(xiàn)調(diào)整超導(dǎo)線圈浸入液氦深度的限位環(huán)，此限位環(huán)側(cè)面具有螺紋面，限位環(huán)位于杜瓦蓋和低溫腔體之間。
[0012]變溫變磁裝置中的低溫腔內(nèi)安裝有樣品導(dǎo)管、在低溫腔下部外圍安裝有超導(dǎo)線圈，在樣品導(dǎo)管的頂端設(shè)有傳輸電容信號(hào)的屏蔽電纜接口，設(shè)有樣品臺(tái)接頭，樣品臺(tái)接頭的下端開(kāi)有樣品臺(tái)安裝槽，裝接有樣品臺(tái)；低溫腔內(nèi)壁鋪設(shè)有超導(dǎo)線圈控制電路。
[0013]樣品臺(tái)的結(jié)構(gòu)分為三層，樣品臺(tái)第一層上有樣品粘貼區(qū)、樣品平板電容器連接通道A，用于樣品臺(tái)功能拓展的線路連接通道B;樣品臺(tái)第二層中裝配有用于控制實(shí)驗(yàn)溫度的發(fā)熱片和用于測(cè)量實(shí)驗(yàn)溫度的熱電偶；第三層為針腳孔；所述樣品臺(tái)接頭的樣品臺(tái)安裝槽內(nèi)設(shè)有引線針腳。樣品臺(tái)接頭上的安裝槽內(nèi)設(shè)計(jì)有限位槽。
[0014]樣品臺(tái)第二層結(jié)構(gòu)中設(shè)有發(fā)熱片，熱電偶(與發(fā)熱片形成對(duì)稱(chēng)安裝。樣品臺(tái)第三層結(jié)構(gòu)上制作有針腳引線焊點(diǎn)和針腳孔，針腳引線焊點(diǎn)為樣品臺(tái)第一層結(jié)構(gòu)和樣品臺(tái)第二層結(jié)構(gòu)中電路的連接點(diǎn)，針腳孔與樣品臺(tái)接頭上的引線針腳一一對(duì)應(yīng)。
[0015]樣品臺(tái)第一層上設(shè)有樣品平板電容器的接線通道A以及用于功能拓展的線路連接通道B，每個(gè)通道中都有線路接線點(diǎn)；所述引線針腳中傳輸樣品平板電容器電容變化響應(yīng)信號(hào)的針腳為1、2、3號(hào)，用于傳輸熱電偶和發(fā)熱片控制電流的針腳為8、9、10、11、12號(hào)，用于樣品臺(tái)擴(kuò)展功能的。
[0016]這一系統(tǒng)主要由變溫變磁裝置、LCR測(cè)量?jī)x(NF-ZM2353型)和微機(jī)終端組成。其中，微機(jī)終端安裝有利用LabVIEW2013開(kāi)發(fā)的數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)。微機(jī)終端通過(guò)GPIB連接線分別與LCR測(cè)量?jī)x和變溫變磁裝置連接；數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)分別從LCR測(cè)量?jī)x和變溫變磁裝置中讀取電容數(shù)據(jù)和溫度/磁場(chǎng)強(qiáng)度，同時(shí)進(jìn)行分析處理并輸出相應(yīng)的結(jié)果。
[0017]變溫變磁裝置主要由樣品導(dǎo)管、提供低溫條件的液氦杜瓦部分和提供強(qiáng)磁場(chǎng)的超導(dǎo)線圈這幾分部分組成。液氦杜瓦部分即制冷部分，是維持特定溫度環(huán)境的各個(gè)組件的綜合，由杜瓦套、杜瓦瓶、杜瓦蓋、低溫腔、真空模塊和防漏氣環(huán)等組件組成。真空模塊的上下均為法蘭結(jié)構(gòu)，一側(cè)有兩個(gè)氣路接口，分別用于連接真空泵和連接氦氣供氣端，另一側(cè)有一個(gè)控磁電路接口。防漏氣環(huán)與低溫腔和真空模塊之間的接觸都涂抹真空硅脂以增強(qiáng)密封性。杜瓦蓋的中央開(kāi)有與低溫腔外徑一致的圓孔，低溫腔通過(guò)這個(gè)圓孔插入到杜瓦瓶里面。由于限位環(huán)中設(shè)有密封螺紋旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，通過(guò)旋轉(zhuǎn)限位環(huán)可以使低溫腔在豎直方向上下移動(dòng)，而超導(dǎo)線圈固定于低溫腔上，因此可通過(guò)杜瓦蓋上的限位環(huán)控制附著在低溫腔上的超導(dǎo)線圈浸入液氦的深度。樣品導(dǎo)管的頂端設(shè)有傳輸電容變化信號(hào)和控溫電流的屏蔽電纜接口，底端為樣品臺(tái)的安裝槽，樣品臺(tái)可以定向插入樣品臺(tái)安裝槽。樣品粘貼于樣品臺(tái)之后，將已安裝有樣品臺(tái)的樣品導(dǎo)管插入低溫腔，此時(shí)的待測(cè)樣品正好位于超導(dǎo)線圈環(huán)的中心部位。樣品導(dǎo)管與低溫腔之間的接合是法蘭結(jié)構(gòu)，由真空模塊和防漏氣環(huán)來(lái)提供密封保障，電容信號(hào)和控溫電流均通過(guò)樣品導(dǎo)管內(nèi)部的電路引出至樣品導(dǎo)管頂端屏蔽電纜接口處，為超導(dǎo)線圈所提供的控制磁場(chǎng)變化的電信號(hào)則通過(guò)鋪設(shè)于低溫腔內(nèi)壁的線路傳輸，該線路緊貼于低溫腔體的內(nèi)壁并裝防護(hù)層以保護(hù)線路不受溫度變化的影響，引線在超導(dǎo)線圈處穿過(guò)低溫腔體壁連接至超導(dǎo)線圈，超導(dǎo)線圈裝置與腔體之間完全密封。
[0018]樣品臺(tái)的結(jié)構(gòu)分為三層，第一層為樣品安裝區(qū)域和樣品平板電容器的線路連接通道，樣品平板電容器連接通道為通道A，通道B用于樣品臺(tái)的功能拓展。第二層中裝配有發(fā)熱器件和熱電偶，用于控制和檢測(cè)樣品的實(shí)驗(yàn)溫度。第三層為針腳孔，是第一層和第二層中的電路接線口。樣品臺(tái)呈柱體型，其側(cè)面有一限位齒，這一限位齒與樣品臺(tái)安裝槽中的限位槽吻合后可使樣品臺(tái)定向插入樣品臺(tái)安裝槽內(nèi)，同時(shí)使得針腳一一對(duì)應(yīng)地插入針腳孔。樣品臺(tái)上總的針腳孔數(shù)為12支，靠近限位齒的兩個(gè)針腳孔按順時(shí)針?lè)较蛞来螢?2號(hào)和I號(hào)針腳孔。樣品臺(tái)安裝槽中靠近限位槽的針腳按順時(shí)針?lè)较蛞来螢镮號(hào)和12號(hào)針腳，傳輸電容變化響應(yīng)信號(hào)的針腳為1-3號(hào)，8-12號(hào)針腳用于傳輸熱電偶和發(fā)熱片的電流，其余的針腳可用于樣品臺(tái)的擴(kuò)展功能。
[0019]此外，在使用多物理場(chǎng)下的電容測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量樣品的電容之前，需要將待測(cè)樣品制作成一個(gè)具有兩個(gè)電極的平板電容器，即樣品平板電容器。具體的樣品平板電容器制作過(guò)程中，首先需要將待測(cè)樣品切割或者打磨為厚度在0.4-0.8mm之間的薄片。然后在薄片的兩個(gè)面上對(duì)稱(chēng)地刷上銀漿，所刷的銀漿應(yīng)該均勻平滑。最后，將高純的銅絲或者銀絲作為電極引線焊接到所刷銀漿的面上，這樣便將需要測(cè)量電容的材料制作成為滿足測(cè)量條件的樣品平板電容器。
[0020]有益效果:對(duì)比現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有恒定的溫度和磁場(chǎng)條件下的電容測(cè)量環(huán)境，具有均勻的變溫或變磁場(chǎng)環(huán)境下的電容測(cè)量條件，能夠滿足在特定溫度(特定磁場(chǎng))條件下研究材料電容量隨磁場(chǎng)(溫度)的變化關(guān)系的需要，同時(shí)還能利用本發(fā)明中的裝置來(lái)研究恒定溫度和特定磁場(chǎng)下材料電容量隨頻率的變化關(guān)系。此外，本發(fā)明中的測(cè)量方法可靠，所測(cè)量的數(shù)據(jù)穩(wěn)定，重復(fù)性好；設(shè)備結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，搭建容易，造價(jià)成本相對(duì)較低，適合用于多鐵材料、介電材料以及氧化物等材料中電容特性研究的領(lǐng)域。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0021]圖1為多物理場(chǎng)下的電容測(cè)量設(shè)備結(jié)構(gòu)方框圖。圖中序號(hào):1為微機(jī)終端，2和5為GPIB連接線，3為L(zhǎng)CR測(cè)量?jī)x，4為三通屏蔽電纜，6為變溫變磁裝中的溫度和磁場(chǎng)控制模塊，7為變溫變磁裝置中的液氦杜瓦與超導(dǎo)線圈部分。
[0022]圖2為變溫變磁裝置結(jié)構(gòu)圖。圖中序號(hào):8為杜瓦套,9為杜瓦瓶,10為樣品導(dǎo)管，11為杜瓦蓋，12為密封環(huán)，13為真空模塊，14為控磁線路接口，15為屏蔽電纜接線口，16為真空泵接口，17為氦氣供氣端接口，18為限位環(huán)，19為法蘭結(jié)構(gòu)，20為超導(dǎo)線圈控制電路，21為樣品臺(tái)接頭，22為超導(dǎo)線圈，23為樣品臺(tái)，24為低溫腔。
[0023]圖3為樣品臺(tái)及插入樣品臺(tái)接頭方式不意圖。圖中序號(hào):21為樣品臺(tái)接頭,25為樣品臺(tái)安裝槽，26為樣品臺(tái)第一層結(jié)構(gòu)，27為樣品臺(tái)第二層結(jié)構(gòu)，28為樣品臺(tái)第三層結(jié)構(gòu)。
[0024]圖4為樣品臺(tái)接頭頂視圖。圖中序號(hào):21為樣品臺(tái)接頭，25為樣品臺(tái)安裝槽，29引線針腳，30限位槽。
[0025]圖5為樣品臺(tái)分層結(jié)構(gòu)圖。圖中序號(hào):26為樣品臺(tái)第一層結(jié)構(gòu)，27為樣品臺(tái)第二層結(jié)構(gòu)，28為樣品臺(tái)第三層結(jié)構(gòu)。
[0026]圖5a是熱電偶、發(fā)熱片在樣品臺(tái)第二層上的連接方式圖。31為熱電偶，32為發(fā)熱片。
[0027]圖5b是針腳引線焊點(diǎn)、針腳孔和限位齒在樣品臺(tái)第三層上的分布示意圖。33針腳弓I線焊點(diǎn)，34為針腳孔，35為限位齒。
[0028]圖6為材料電容測(cè)量線路在樣品臺(tái)第一層上的連接方式圖。圖中序號(hào):36為樣品粘貼區(qū)，37為樣品平板電容器，38為接線點(diǎn)，39為樣品平板電容器上兩個(gè)電極的引線焊點(diǎn)。
[0029]圖7為樣品平板電容器的制作方式圖。圖中序號(hào):39為引線焊點(diǎn)，40為利用銀漿刷制的電極，即銀電極，41為樣品薄片，42為引線(可以是高純度的銅絲或者銀絲)。
[0030]圖8為利用多物理場(chǎng)下的電容測(cè)量設(shè)備所測(cè)量出的樣品CeFeO3在溫度為300 K，磁場(chǎng)強(qiáng)度為O T的條件下的電容量(C)隨頻率(f)的變化關(guān)系，即c-f曲線圖。
[0031 ] 圖9為利用多物理場(chǎng)下的電容測(cè)量系統(tǒng)所測(cè)量出的樣品CeFeO3在頻率為1500Hz，磁場(chǎng)強(qiáng)度分別為O T和3 T的條件下的電容量(C)隨溫度⑴的變化關(guān)系，即C-T曲線圖。

【具體實(shí)施方式】
[0032]參照?qǐng)D1、2、3、4、5、6、7、8、9，詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例如下:
[0033]一種多物理場(chǎng)下的電容測(cè)量設(shè)備，包括NF-ZM2353型LCR測(cè)量?jī)x3、微機(jī)終端1、變及由杜瓦套8、低溫腔體24、樣品導(dǎo)管10、杜瓦蓋11、超導(dǎo)線圈22、樣品臺(tái)接頭21和樣品臺(tái)23構(gòu)成的溫變磁裝置。
[0034]所述杜瓦蓋11通過(guò)第一法蘭19密封地安裝于杜瓦套8上端面從而形成一外腔體，所述杜瓦瓶9位于此外腔體內(nèi)，所述杜瓦蓋11中央開(kāi)有一通孔，所述低溫腔體24下端嵌入杜瓦蓋11的通孔內(nèi)并位于杜瓦瓶9內(nèi)，真空模塊13位于所述低溫腔體24上端，此真空模塊13與低溫腔體24之間通過(guò)密封環(huán)12連接，所述真空模塊13上設(shè)置了用于抽氣的真空泵接口 16、用于沖入氦氣以清洗低溫腔24的氦氣供氣端接口 17和控磁電路接口 14，所述超導(dǎo)線圈22纏繞于低溫腔體24下部的外側(cè)面，沿著低溫腔24的內(nèi)壁設(shè)有防護(hù)層保護(hù)下的超導(dǎo)線圈控制電路20，這些密封的超導(dǎo)線圈控制電路20緊貼腔體壁并連接至位于真空模塊13處的控磁線路接口 14。
[0035]所述樣品導(dǎo)管10下端穿過(guò)真空模塊13與密封環(huán)12進(jìn)入到低溫腔體24內(nèi)，樣品導(dǎo)管10的上端設(shè)有屏蔽電纜接口 15，屏蔽電纜接口 15用于將樣品導(dǎo)管10內(nèi)部的信號(hào)傳輸線路20連接至溫度與磁場(chǎng)控制模塊6。
[0036]所述樣品臺(tái)23分為三層結(jié)構(gòu)，第一層結(jié)構(gòu)26包括樣品安裝區(qū)域、線路連接通道A和拓展線路連接通道B，第二層結(jié)構(gòu)27中裝配有用于控制樣品實(shí)驗(yàn)溫度的發(fā)熱片32和用于測(cè)溫的熱電偶31，第三層結(jié)構(gòu)28為針腳孔34。
[0037]所述微機(jī)終端I通過(guò)GPIB轉(zhuǎn)換接口 2分別與溫度磁場(chǎng)控制模塊6、NF-ZM2353型LCR測(cè)量?jī)x3連接，溫度磁場(chǎng)控制模塊6連接到超導(dǎo)線圈22和熱電偶31，LCR測(cè)量?jī)x3通過(guò)三通屏蔽電纜4連接到線路連接通道A的負(fù)極端V-、正極端V+ ;第一層結(jié)構(gòu)26上的樣品安裝區(qū)36中安裝樣品平板電容器37，樣品平板電容器37的2個(gè)側(cè)表面刷制有兩個(gè)銀電極40，兩個(gè)銀電極40上分別焊接有第一、第二引線42，此第一、第二引線42通道A的負(fù)極端V-、正極端V+。
[0038]所述杜瓦瓶9內(nèi)部裝有超過(guò)三分之二的液氦，這些液氦足以完全浸泡超導(dǎo)線圈22 ;所述密封環(huán)12與低溫腔和真空模塊之間的接觸區(qū)域涂抹有真空硅脂層。
[0039]還包括一限位環(huán)18，此限位環(huán)18側(cè)面具有螺紋面，限位環(huán)18位于杜瓦蓋11和低溫腔體24之間，通過(guò)旋轉(zhuǎn)限位環(huán)18可以使低溫腔體24在豎直方向上下移動(dòng)，并帶動(dòng)超導(dǎo)線圈22移動(dòng)從而調(diào)整超導(dǎo)線圈22浸入液氦的深度。
[0040]如圖1所示，微機(jī)終端I通過(guò)GPIB連接線2與NF-ZM2353型LCR測(cè)量?jī)x3連接，LCR測(cè)量?jī)x3通過(guò)三通屏蔽電纜4讀取已制作為平板電容器的樣品中的電容信號(hào)，這種電容信號(hào)由LCR測(cè)量?jī)x進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為電容值數(shù)據(jù)之后被安裝于微機(jī)終端的數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)讀取并保存；微機(jī)終端I通過(guò)GPIB轉(zhuǎn)換接口 5連接至變溫變磁裝置的溫度和磁場(chǎng)控制模塊6，實(shí)現(xiàn)對(duì)液氦杜瓦與超導(dǎo)線圈7的控制，從而達(dá)到控溫與控磁的目的，并實(shí)時(shí)讀取當(dāng)前的溫度與磁場(chǎng)強(qiáng)度值；數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)從LCR測(cè)量?jī)x3和變溫變磁裝置的溫度和磁場(chǎng)控制模塊6中讀取的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)分析處理后輸出相應(yīng)的關(guān)系曲線圖并對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)處理。
[0041]如圖2所示，變溫變磁裝置是測(cè)量環(huán)境中產(chǎn)生物理場(chǎng)的主要部分，主要由樣品導(dǎo)管10、杜瓦瓶9和超導(dǎo)線圈22這幾分部分組成。杜瓦套8對(duì)杜瓦瓶9起到了機(jī)械保護(hù)和阻止熱量傳輸?shù)淖饔谩６磐咂?內(nèi)部裝有超過(guò)三分之二的液氦，這些液氦足以完全浸泡超導(dǎo)線圈22。由于限位環(huán)18中設(shè)有密封螺紋旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，通過(guò)旋轉(zhuǎn)限位環(huán)18可以使低溫腔24在豎直方向上下移動(dòng)，而超導(dǎo)線圈22固定于低溫腔24外壁上，因此可以通過(guò)杜瓦蓋11上的限位環(huán)18控制附著在低溫腔24上的超導(dǎo)線圈22浸入液氦的深度。超導(dǎo)線圈22在液氦環(huán)境下處于超導(dǎo)體狀態(tài)，因此對(duì)超導(dǎo)線圈22加電流便可以實(shí)現(xiàn)對(duì)磁場(chǎng)強(qiáng)度的控制。沿著低溫腔24的內(nèi)壁設(shè)有防護(hù)層保護(hù)下的超導(dǎo)線圈控制電路20，這些密封的超導(dǎo)線圈控制電路20緊貼于腔體壁并連接至位于真空模塊13處的控磁線路接口 14。真空模塊13與密封環(huán)12相結(jié)合使得低溫腔24與樣品導(dǎo)管10之間密封性顯著增強(qiáng)，同時(shí)有效地阻止了外界環(huán)境中的水蒸氣進(jìn)入到低溫腔24中；為了有效排除安裝或者更換樣品的過(guò)程中從外界進(jìn)入到低溫腔24中氣體，在真空模塊13上設(shè)置了用于抽氣的真空泵接口 16和用于沖入氦氣以清洗低溫腔24的氦氣供氣端接口 17。杜瓦套8與杜瓦蓋11之間設(shè)有法蘭結(jié)構(gòu)19，可有效阻止液氦的外泄。
[0042]樣品導(dǎo)管10穿過(guò)真空模塊13與密封環(huán)12進(jìn)入到低溫腔24，樣品導(dǎo)管10的頂端設(shè)有屏蔽電纜接口 15，底端設(shè)有圖2和圖3中所示的樣品臺(tái)接頭21。其中，圖3所示的是樣品臺(tái)23插入至樣品臺(tái)接頭21中的示意圖，樣品臺(tái)安裝槽25內(nèi)設(shè)有引線針腳29，引線針腳29的布局如圖4所示。屏蔽電纜接口 15用于將樣品導(dǎo)管10內(nèi)部的信號(hào)傳輸線路連接至溫度與磁場(chǎng)控制模塊6，而樣品臺(tái)23安裝于樣品導(dǎo)管10底部的樣品臺(tái)接頭21中，安裝時(shí)樣品臺(tái)23上的限位齒35與樣品臺(tái)接頭21中的限位槽30吻合，這樣引線針腳29與針腳孔34——對(duì)應(yīng)地插入，如圖3、圖4和圖5所示。
[0043]圖3為樣品臺(tái)23插入樣品臺(tái)接頭21的示意圖，其中樣品臺(tái)接頭21中的引線針腳布局圖為圖4，圖5則是樣品臺(tái)23的結(jié)構(gòu)分解圖。如圖5、圖5a和圖5b所示，樣品臺(tái)共分為三層結(jié)構(gòu)，其中樣品臺(tái)第二層結(jié)構(gòu)27是能夠?qū)崿F(xiàn)控溫的關(guān)鍵部件，因?yàn)樵诖藢又性O(shè)有發(fā)熱片32，這一發(fā)熱片的作用是通過(guò)發(fā)熱，釋放熱量來(lái)調(diào)節(jié)和穩(wěn)定實(shí)驗(yàn)溫度點(diǎn)，從而達(dá)到控溫的效果。例如，當(dāng)樣品的實(shí)際溫度高于設(shè)定溫度時(shí)，發(fā)熱片32不發(fā)熱，依靠液氦的作用使樣品降溫，直到樣品的實(shí)際溫度達(dá)到設(shè)定溫度為止；而當(dāng)樣品的實(shí)際溫度低于設(shè)定溫度時(shí)，發(fā)熱片32發(fā)熱，通過(guò)其釋放的熱量使樣品的溫度升高，直到樣品的實(shí)際溫度達(dá)到設(shè)定溫度為止。而在這個(gè)過(guò)程中對(duì)樣品的實(shí)際溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量的器件則是與發(fā)熱片32形成對(duì)稱(chēng)安裝的熱電偶31。樣品臺(tái)23的第三層結(jié)構(gòu)28主要是第一層結(jié)構(gòu)26和第二層結(jié)構(gòu)27中所涉及電路的總接口，這些接口設(shè)計(jì)為針腳引線焊點(diǎn)33和針腳孔34，針腳引線焊點(diǎn)33為第一層結(jié)構(gòu)26和第二層結(jié)構(gòu)27中電路的連接點(diǎn)，針腳孔34與圖4中的引線針腳29 —一對(duì)應(yīng)。
[0044]將需要測(cè)量的樣品制作成為如圖6中所示的樣品平板電容器37，這一樣品平板電容器37具有兩個(gè)銀電極40，這兩個(gè)電極上面有電極的引線焊點(diǎn)39，不要求極性的兩個(gè)銀電極40分別連接樣品臺(tái)第一層結(jié)構(gòu)26中的接線通道A中的V+和V-接線點(diǎn)。其中，通道B中的接線點(diǎn)38用于樣品臺(tái)23的功能擴(kuò)展。為了確保樣品在加磁場(chǎng)的過(guò)程中不晃動(dòng)，穩(wěn)固可靠，需要使用適宜的粘接劑將樣品粘貼于圖6所示的樣品粘貼區(qū)36。
[0045]樣品平板電容器37的具體制作過(guò)如圖7所示，首先需要將需要進(jìn)行電容測(cè)量的材料切割或者打磨為厚度在0.4-0.8mm之間的樣品薄片41。然后在樣品薄片41的兩個(gè)面上對(duì)稱(chēng)地刷上銀漿，所刷的銀漿應(yīng)該均勻平滑，銀漿固化之后即為銀電極40。最后，將高純的銅絲或者銀絲作為電極引線42焊接到所刷制的銀電極40上，這樣便將需要測(cè)量電容的材料制作成為滿足測(cè)量條件的樣品平板電容器。將這樣的樣品平板電容器37連接并粘貼至樣品臺(tái)23之后便可以進(jìn)行材料電容測(cè)量。
[0046]在樣品臺(tái)23的第一層結(jié)構(gòu)中由樣品平板電容器37產(chǎn)生的響應(yīng)信號(hào)，以及樣品臺(tái)23第二層結(jié)構(gòu)中的熱電偶31和發(fā)熱片32的電壓電流均通過(guò)樣品導(dǎo)管10內(nèi)部的電路傳輸至屏蔽電纜接口 15。三通屏蔽電纜4從屏蔽電纜接口 15引出的電信號(hào)分為兩路，一路傳輸至溫度和磁場(chǎng)控制模塊6中進(jìn)行電信號(hào)與數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換，另一路則傳輸至LCR測(cè)量?jī)x3進(jìn)行電容信號(hào)處理，轉(zhuǎn)換為所測(cè)樣品的電容值。最后，參照?qǐng)D8、9微機(jī)終端I中的數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)分別從LCR測(cè)量?jī)x3和變溫變磁裝置的溫度和磁場(chǎng)控制模塊6讀取電容/頻率數(shù)據(jù)和溫度/磁場(chǎng)強(qiáng)度數(shù)據(jù)，系統(tǒng)經(jīng)過(guò)分析處理后便輸出相應(yīng)的電容量C隨溫度T、電容量C隨磁場(chǎng)強(qiáng)度H以及在特定溫度或磁場(chǎng)下電容量C隨頻率f之間的變化關(guān)系圖，即C-T關(guān)系曲線、C-H關(guān)系曲線以及特定溫度或磁場(chǎng)下的C-f關(guān)系曲線，與此同時(shí)，數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)等操作處理。
【權(quán)利要求】
1.一種多物理場(chǎng)下的電容測(cè)量設(shè)備，其特征在于:包括NF-ZM2353型LCR測(cè)量?jī)x(3)、微機(jī)終端(I)、樣品臺(tái)接頭(21)和樣品臺(tái)(23)、變溫變磁裝置及其中的杜瓦套(8)、低溫腔體(24)、樣品導(dǎo)管(10)、杜瓦蓋(11)、超導(dǎo)線圈(22)； 所述變溫變磁裝置中的杜瓦蓋(11)通過(guò)第一法蘭(19)密封地安裝于杜瓦套(8)上端面從而形成一外腔體，此外腔體內(nèi)有一個(gè)杜瓦瓶(9)，杜瓦蓋中央開(kāi)有一通孔，所述低溫腔體(24)下端嵌入杜瓦蓋(11)的通孔中并位于杜瓦瓶(9)內(nèi)，一真空模塊(13)位于低溫腔體(24)上端，此真空模塊(13)與低溫腔體(24)之間通過(guò)密封環(huán)(12)連接，所述真空模塊(13)上設(shè)置了用于抽氣的真空泵接口(16);所述超導(dǎo)線圈(22)纏繞于低溫腔體(24)下部的外側(cè)面，沿著低溫腔(24)的內(nèi)壁設(shè)有防護(hù)層保護(hù)下的超導(dǎo)線圈控制電路(20)，這些密封的超導(dǎo)線圈控制電路(20)緊貼腔體壁并連接至位于真空模塊(13)處的控磁線路接口(14)； 所述樣品導(dǎo)管(10)下端穿過(guò)真空模塊(13)與密封環(huán)(12)進(jìn)入到低溫腔體(24)內(nèi)，樣品導(dǎo)管(10)的上端設(shè)有屏蔽電纜接口(15)，屏蔽電纜接口(15)用于將樣品導(dǎo)管(10)內(nèi)部的信號(hào)傳輸線路連接至溫度與磁場(chǎng)控制模塊(6)； 所述樣品臺(tái)(23)分為三層結(jié)構(gòu)，第一層結(jié)構(gòu)(26)包括樣品安裝區(qū)域、線路連接通道A和拓展線路連接通道B，第二層結(jié)構(gòu)(27)中裝配有用于控制樣品的實(shí)驗(yàn)溫度的發(fā)熱片(32)和用于測(cè)溫的熱電偶(31)，第三層結(jié)構(gòu)(28)中設(shè)計(jì)有針腳孔(34)； 所述微機(jī)終端(I)通過(guò)GPIB轉(zhuǎn)換接口(2)分別與溫度磁場(chǎng)控制模塊出)、LCR測(cè)量?jī)x(3)連接，溫度磁場(chǎng)控制模塊(6)連接到超導(dǎo)線圈(22)和熱電偶(31)，LCR測(cè)量?jī)x(3)通過(guò)三通屏蔽電纜(4)連接到線路連接通道A的負(fù)極端(V-)、正極端(V+);第一層結(jié)構(gòu)(26)上的樣品安裝區(qū)(36)中安裝樣品平板電容器(37)，樣品平板電容器(37)的2個(gè)側(cè)表面刷制有兩個(gè)銀電極(40)，兩個(gè)銀電極(40)上分別焊接有第一、第二引線(42)，此第一、第二引線(42)通道A的負(fù)極端(V-)、正極端(V+)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多物理場(chǎng)下的電容測(cè)量設(shè)備，其特征在于:杜瓦瓶(9)內(nèi)部裝有超過(guò)三分之二的液氦，這些液氦足以完全浸泡超導(dǎo)線圈(22);密封環(huán)(12)與低溫腔和真空模塊之間的接觸區(qū)域涂抹有真空硅脂層。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多物理場(chǎng)下的電容測(cè)量設(shè)備，其特征在于:變溫變磁裝置中還包括一個(gè)使低溫腔體(24)在豎直方向上下移動(dòng)并帶動(dòng)超導(dǎo)線圈(22)移動(dòng)實(shí)現(xiàn)調(diào)整超導(dǎo)線圈(22)浸入液氦深度的限位環(huán)(18)，此限位環(huán)(18)側(cè)面具有螺紋面，限位環(huán)(18)位于杜瓦蓋(11)和低溫腔體(24)之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多物理場(chǎng)下的電容測(cè)量設(shè)備，其特征在于變溫變磁裝置中的低溫腔(24)內(nèi)安裝有樣品導(dǎo)管(10)、在低溫腔(24)下部外圍安裝有超導(dǎo)線圈(22)，在樣品導(dǎo)管(10)的頂端設(shè)有傳輸電容信號(hào)的屏蔽電纜接口(15)，設(shè)有樣品臺(tái)接頭(21)，樣品臺(tái)接頭(21)的下端開(kāi)有樣品臺(tái)安裝槽(25)，裝接有樣品臺(tái)(23);低溫腔(24)內(nèi)壁鋪設(shè)有超導(dǎo)線圈控制電路(20)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多物理場(chǎng)下的電容測(cè)量設(shè)備，其特征在于樣品臺(tái)(23)的結(jié)構(gòu)分為三層，樣品臺(tái)第一層(26)上有樣品粘貼區(qū)(36)、樣品平板電容器(37)連接通道A，用于樣品臺(tái)(23)功能拓展的線路連接通道B;樣品臺(tái)第二層(27)中裝配有用于控制實(shí)驗(yàn)溫度的發(fā)熱片(32)和用于測(cè)量實(shí)驗(yàn)溫度的熱電偶(31);第三層為針腳孔(34);所述樣品臺(tái)接頭(21)的樣品臺(tái)安裝槽(25)內(nèi)設(shè)有引線針腳(29)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或4或5任一項(xiàng)所述的多物理場(chǎng)下的電容測(cè)量設(shè)備，其特征在于樣品臺(tái)接頭(23)上的安裝槽(25)內(nèi)設(shè)計(jì)有限位槽(30)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或4或5任一項(xiàng)所述的多物理場(chǎng)下的電容測(cè)量設(shè)備，其特征在于樣品臺(tái)第二層結(jié)構(gòu)(27)中設(shè)有發(fā)熱片(32)，熱電偶(31)與發(fā)熱片(32)形成對(duì)稱(chēng)安裝。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或4或5任一項(xiàng)所述的多物理場(chǎng)下的電容測(cè)量設(shè)備，其特征在于樣品臺(tái)第三層結(jié)構(gòu)(28)上制作有針腳引線焊點(diǎn)(33)和針腳孔(34)，針腳引線焊點(diǎn)(33)為樣品臺(tái)第一層結(jié)構(gòu)(26)和樣品臺(tái)第二層結(jié)構(gòu)(27)中電路的連接點(diǎn)，針腳孔(34)與樣品臺(tái)接頭(21)上的引線針腳(29) —一對(duì)應(yīng)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1或4或5任一項(xiàng)所述的多物理場(chǎng)下的電容測(cè)量設(shè)備，其特征在于樣品臺(tái)第一層(26)上設(shè)有樣品平板電容器(37)的接線通道A以及用于功能拓展的線路連接通道B，每個(gè)通道中都有線路接線點(diǎn)(38)。
10.根據(jù)權(quán)利要求5所述的多物理場(chǎng)下的電容測(cè)量設(shè)備，其特征在于所述引線針腳(29)中傳輸樣品平板電容器(37)電容變化響應(yīng)信號(hào)的針腳為1、2、3號(hào),用于傳輸熱電偶(31)和發(fā)熱片(32)控制電流的針腳為8、9、10、11、12號(hào)，用于樣品臺(tái)(23)擴(kuò)展功能的針腳為 4、5、6、7 號(hào)。
【文檔編號(hào)】G01R27/26GK204166053SQ201420603572
【公開(kāi)日】2015年2月18日 申請(qǐng)日期:2014年10月20日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月20日
【發(fā)明者】李哲, 張?jiān)? 徐坤, 曹義明 申請(qǐng)人:曲靖師范學(xué)院