M81-SSM di Lake Shore Cryotronics offre sorgente e misura DC, AC e lock-in.
I sistemi di misurazione odierni possono diventare molto complicati molto rapidamente. Gli scienziati che lavorano all'avanguardia nella ricerca dovranno spesso mettere insieme strumenti provenienti da numerosi fornitori diversi. Ciò è problematico perché i sistemi con fornitori misti possono essere difficili da utilizzare e ciò può compromettere seriamente l’accuratezza e la ripetibilità delle misurazioni effettuate.
Lake Shore Cryotronics ha affrontato queste incertezze con il suo sistema MeasureReady M81-SSM (Synchronous Source and Measure), che consente di gestire simultaneamente fino a tre sorgenti e tre moduli di misurazione da un unico strumento di controllo centrale. L'M81-SSM utilizza la tecnologia MeasureSync proprietaria di Lake Shore per garantire che tutti i moduli sorgente e di misura collegati vengano aggiornati in modo sincrono e campionati entro +/-10 ns l'uno dall'altro a una frequenza di campionamento di 375 kHz.
"Abbiamo messo insieme di proposito le capacità di sorgente sincrona e di misurazione", spiega Chuck Cimino, senior product manager presso Lake Shore. “Ciò consente inoltre l’uso di un riferimento di precisione comune al campione da caratterizzare e garantisce prestazioni di rumore costantemente minime”.
L'azienda ha sede a Westerville, Ohio e sviluppa soluzioni di misurazione e controllo da 56 anni. "Disponiamo di numerose tecnologie brevettate nell'M81-SSM che consentono una sincronizzazione superiore, l'alimentazione e la misurazione mista di CC e CA e una modifica più fluida e rapida dell'intervallo di misurazione della tensione", aggiunge.
Il cuore dell'M81-SSM è uno strumento di controllo che attualmente supporta quattro diversi tipi di moduli sorgente e di misurazione: un modulo sorgente di tensione costante; un modulo generatore di corrente costante bilanciato o differenziale; un modulo di misurazione della tensione di impedenza di ingresso maggiore di 1 TΩ; e un modulo di misurazione della corrente di tipo tensione con offset zero con polarizzazione CC programmabile incorporata. Cimino afferma che sono in fase di sviluppo moduli di tipo più specifici per l'applicazione per espandere le capacità del sistema.
Funzionamento estremamente silenzioso
Tutti i moduli M81-SSM contengono componenti elettronici dell'amplificatore lineare alimentati da alimentatori lineari altamente isolati. Cimino afferma che il risultato è un funzionamento estremamente silenzioso che supera molti dei migliori strumenti di misura e sorgente a scatola singola costruiti convenzionalmente, inclusi numerosi amplificatori lock-in di uso comune.
L'M81-SSM è stato progettato fin dall'inizio per coprire la più ampia gamma possibile di applicazioni di caratterizzazione di tensione rispetto a corrente con il rumore più basso possibile e una configurazione e impostazione più rapida per la misurazione di campioni in ambienti sperimentali criogenici e/o ad alto campo. Lake Shore ha una vasta esperienza nella caratterizzazione di materiali e dispositivi in questi e altri ambienti estremi e ha anche sfruttato appieno le tecnologie proprietarie di condizionamento e misurazione del segnale, nonché l'esperienza degli scienziati applicativi dell'azienda, nella progettazione dell'M81-SSM.
Questa capacità di segnale a bassa potenza e basso rumore rende l'M81-SSM molto utile per misurare gli effetti del campo magnetico utilizzando varie strutture di barre Hall e sensori di campo magnetico. Questi dispositivi vengono utilizzati in numerose applicazioni, inclusi esperimenti sul trasporto di spin e lo studio di materiali superconduttori a temperature criogeniche. Oltre a effettuare misurazioni a temperature molto basse riducendo al minimo l'autoriscaldamento, l'M81-SSM può anche caratterizzare materiali in stanze e ambienti a temperature molto elevate, evitando offset termici tramite alimentazione CA con rilevamento lock-in.
Le misurazioni della barra di Hall, utilizzate per effettuare misurazioni molto precise della resistenza elettrica di un campione, possono essere eseguite in modo molto efficace utilizzando la combinazione di sorgente di corrente differenziale e modulo di misurazione della tensione dell'M81-SSM. Anche le applicazioni generali di misurazione della resistenza a quattro fili traggono vantaggio da questi moduli collegati completamente differenziali a basso rumore e bassa potenza.
La natura modulare dell'M81-SSM e la capacità dei moduli di passare facilmente tra le modalità di rilevamento AC (fino a 100 kHz), DC e lock-in offre agli utenti una grande flessibilità nei tipi di misurazioni che possono essere eseguite senza scambiare tra o modifica della strumentazione dedicata solo DC e AC. Questa modularità e flessibilità significano anche che l'M81-SSM può essere utilizzato per testare più dispositivi in condizioni identiche per fornire risultati coerenti.
Il modulo di misurazione della tensione VM-10 è in grado di rilevare segnali dalla gamma bassa di nanovolt fino a 10 V. Funziona da CC fino a 100 kHz e può rilevare ampiezza, fase e armoniche. Il modulo di misurazione della corrente CM-10 è in grado di rilevare correnti nell'intervallo da femtoampere a 100 mA. Le misurazioni della corrente possono essere effettuate da CC a 100 kHz e includono il rilevamento di ampiezza, fase e armoniche.
Il modulo sorgente di corrente bilanciata BCS-10 è programmabile da 100 fA a 100 mA da DC a 100 kHz uscita sinusoidale, mentre il modulo sorgente di tensione VS-10 fornisce tensioni programmabili da 1 µV DC/100 nV AC fino a ± 10 V con DC a 100 kHz uscita sinusoidale.
Lo strumento controller offre una gamma di connettività digitale tra cui USB, GPIB ed Ethernet, nonché l'interfaccia con fonti di riferimento o rilevatori esterni. Il controller e i moduli sono strumenti da banco compatti che possono anche essere montati su rack.
Sincronizzazione e integrazione
Grazie al suo elevato grado di sincronizzazione e integrazione delle capacità di approvvigionamento e misurazione, l'M81-SSM può ridurre il numero di strumenti separati, in molti casi al solo sistema M81-SSM, necessari per effettuare misurazioni di precisione. Questo livello di integrazione riduce inoltre al minimo il numero e la lunghezza dei cavi generalmente utilizzati per collegare sorgenti, strumenti di misura e campioni separati. Questa integrazione evita l’introduzione di effetti parassiti – come perdite, rumore, resistenza e reattanza – che possono degradare in modo significativo le misurazioni.
I moduli remoti sono collegati allo strumento principale tramite cavi di alimentazione e segnale standard immuni al rumore da 2 m, che possono essere estesi facoltativamente fino a 6 m totali tra lo strumento e qualsiasi modulo. Ciò significa che i moduli possono essere posizionati molto vicino al luogo in cui vengono effettuate le misurazioni, ad esempio in una stazione di sonda criogenica. "L'obiettivo nelle misurazioni di basso livello è ridurre al minimo la lunghezza dei cavi del livello del segnale", afferma Cimino. "Con l'M81-SSM puoi posizionare i moduli amplificatori proprio accanto al campione, se lo desideri."
La natura modulare del sistema significa che è possibile creare un'ampia gamma di configurazioni semplicemente scambiando i moduli collegati. Ciò rende l'M81-SSM un sistema estremamente flessibile e le sue prestazioni sono più prevedibili rispetto alle configurazioni costituite da più strumenti separati e da strumenti di diversi fornitori. Inoltre l'intero sistema è supportato da un unico fornitore, rendendo il servizio al cliente e l'assistenza tecnica più semplice e snello.
L'M81-SSM utilizza un sistema analogico brevettato per trasmettere i segnali tra il controller e i suoi moduli. Cimino spiega che questo mantiene i circuiti digitali rumorosi lontani dai circuiti analogici sensibili nei moduli. Ciò riduce al minimo anche gli errori di terra e garantisce la stretta sincronizzazione di tutti i moduli.
ADC e DAC dedicati
I segnali provenienti da un massimo di tre moduli di misurazione collegati vengono digitalizzati nel controller da convertitori analogico-digitali (ADC) dedicati. I segnali di uscita provenienti da un massimo di tre moduli sorgente sono definiti dal controller da convertitori digitale-analogici (DAC) dedicati.
Gli ADC e i DAC vengono attivati dal fronte di salita di un segnale di clock MeasureSync condiviso. MeasureSync è il sistema di sincronizzazione del segnale in attesa di brevetto di Lake Shore che utilizza un segnale di clock comune da 375 kHz per l'aggiornamento e la lettura di tutti i moduli, consentendo il campionamento continuo dei dati su ogni canale collegato anziché le tipiche alternative multicanale multiplex.
Durante gli intervalli tra i fronti del clock di campionamento, i dati ADC vengono letti dal controller e i DAC sono impostati per fornire i valori di uscita successivi. Il risultato è la sincronizzazione completa e il campionamento continuo di un massimo di sei canali dell'amplificatore collegati, il che significa che è possibile effettuare diverse misurazioni sincronizzate in parallelo. Ciascun canale può essere impostato per eseguire misurazioni AC, DC o lock-in. I campioni grezzi vengono acquisiti ed elaborati a 375 kilocampioni al secondo (kSa/s) e le misurazioni completate vengono trasmesse tramite LAN, USB o GPIB a un PC host fino a 5k registrazioni al secondo o una velocità aggregata per 3 canali di misura di 15k misurazioni al secondo.
Questo elevato grado di sincronizzazione tra sorgente e misurazione significa che l'M81-SSM può essere utilizzato per effettuare misurazioni lock-in in grado di estrarre segnali molto deboli da sfondi rumorosi. Si tratta di un vantaggio significativo per gli utenti poiché le misurazioni lock-in vengono solitamente eseguite utilizzando uno strumento amplificatore lock-in dedicato per sole misurazioni CA.
Bloccaggio con il semplice tocco di un pulsante
"Ho dimostrato ad alcuni clienti interessati le principali funzionalità dell'M81-SSM e loro mi hanno chiesto 'allora dov'è l'amplificatore lock-in?'", afferma Cimino. “All’inizio vedono solo i moduli compatti e gli elementi di controllo, e devo spiegare che il lock-in è implementato digitalmente. "Si blocca con il semplice tocco di un pulsante" è la risposta entusiasta che ho ricevuto da diversi potenziali utenti."
Cimino aggiunge che sia i principianti che gli esperti apprezzano la semplicità e l'intuitività con cui Lake Shore ha configurato l'interfaccia utente. All'estremità dello spettro degli utenti esperti, Cimino afferma che “un utente M81-SSM ha adottato il nostro driver Python come driver standard del suo gruppo su tutte le sue apparecchiature. Gli è piaciuto semplicemente il modo in cui abbiamo astrato i controlli M81-SSM nel nostro driver Python."
"Oppure, se non vuoi assolutamente programmare, il nostro software MeasureLINK ti consente semplicemente di trascinare e rilasciare comandi di misurazione e sorgente di alto livello per trasmettere dati o eseguire test di lunga durata", afferma Cimino. "Se vuoi manipolare un campo magnetico o la temperatura di un campione mentre effettui misurazioni elettriche, puoi farlo senza programmazione."
Cimino descrive l'interfaccia utente dell'M81-SSM come “rilevabile” e che qualsiasi utente di smartphone (cioè “tutti”) si sentirebbe a proprio agio nell'usarla. "Ogni modulo è rappresentato nell'interfaccia e quando si fa clic su un modulo, viene visualizzato un pannello frontale virtuale per quello strumento", spiega. Le impostazioni predefinite sull'interfaccia corrispondono alle misurazioni più comuni, ma gli utenti possono anche navigare facilmente nell'interfaccia per controllare l'M81-SSM in un modo che corrisponda al loro livello di competenza e ai requisiti di misurazione. E sia per gli utenti principianti che per quelli esperti, Lake Shore fornisce il supporto del suo team di ingegneri applicativi di livello PhD.
"L'M81-SSM è il risultato di cinque anni di duro lavoro da parte dei team di progettazione e applicazione di Lake Shore", afferma Cimino, aggiungendo che le risposte positive da parte della comunità di utenti suggeriscono che ne è valsa la pena.
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- Fonte: https://physicsworld.com/a/synchronous-source-and-measure-system-takes-a-modular-approach-to-low-level-measurement/