De M81-SSM van Lake Shore Cryotronics biedt DC-, AC- en lock-in-bron en -meting.
De huidige meetsystemen kunnen heel snel erg ingewikkeld worden. Wetenschappers die op het snijvlak van onderzoek werken, zullen vaak instrumenten van een aantal verschillende leveranciers moeten samenstellen. Dit is problematisch omdat systemen van gemengde leveranciers moeilijk te bedienen kunnen zijn en dit de nauwkeurigheid en herhaalbaarheid van de uitgevoerde metingen ernstig in gevaar kan brengen.
Lake Shore Cryotronics heeft deze onzekerheden aangepakt met zijn MeasureReady M81-SSM-systeem (Synchronous Source and Measure), waarmee maximaal drie bron- en drie meetmodules gelijktijdig kunnen worden bediend door één centraal controle-instrument. De M81-SSM maakt gebruik van Lake Shore's eigen MeasureSync-technologie om ervoor te zorgen dat alle aangesloten bron- en meetmodules synchroon worden bijgewerkt en bemonsterd binnen een afstand van +/- 10 ns van elkaar met een bemonsteringsfrequentie van 375 kHz.
“We hebben met opzet synchrone bron- en meetmogelijkheden samengevoegd”, legt Chuck Cimino uit, senior productmanager bij Lake Shore. "Dit maakt ook het gebruik mogelijk van een gemeenschappelijke nauwkeurigheidsreferentie voor het monster dat wordt gekarakteriseerd en zorgt voor consistent minimale ruisprestaties."
Het bedrijf heeft zijn hoofdkantoor in Westerville, Ohio en ontwikkelt al 56 jaar meet- en regeloplossingen. “We hebben meerdere gepatenteerde technologieën in de M81-SSM die superieure synchronisatie, gemengde DC- en AC-sourcing en -metingen, en een soepelere/snellere wijziging van het spanningsmeetbereik mogelijk maken”, voegt hij eraan toe.
De kern van de M81-SSM is een controllerinstrument dat momenteel vier verschillende soorten bron- en meetmodules ondersteunt: een bronmodule met constante spanning; een gebalanceerde of differentiële constante stroombronmodule; een ingangsimpedantie-spanningsmeetmodule van meer dan 1 TΩ; en een nul-offset stroommeetmodule van het spanningstype met ingebouwde programmeerbare DC-bias. Cimino zegt dat er meer toepassingsspecifieke modules worden ontwikkeld om de mogelijkheden van het systeem uit te breiden.
Extreem geluidsarme werking
Alle M81-SSM-modules bevatten lineaire versterkerelektronica die wordt gevoed door sterk geïsoleerde lineaire voedingen. Cimino zegt dat het resultaat een extreem geluidsarme werking is die veel van de beste conventioneel gebouwde single-box bron- en meetinstrumenten overtreft, waaronder een aantal veelgebruikte lock-in-versterkers.
De M81-SSM is vanaf het begin ontworpen om een zo breed mogelijk scala aan spanning- versus stroomkarakteriseringstoepassingen te dekken met de laagst mogelijke ruis en de snelste configuratie en opstelling voor het meten van monsters in cryogene en/of hoogveldexperimentomgevingen. Lake Shore heeft uitgebreide ervaring met het karakteriseren van materialen en apparaten in deze en andere extreme omgevingen en heeft ook volledig gebruik gemaakt van eigen signaalconditionerings- en meettechnologieën, evenals de expertise van de toepassingswetenschappers van het bedrijf, bij het ontwerp van de M81-SSM.
Dit signaalvermogen met laag vermogen en lage ruis maakt de M81-SSM zeer nuttig voor het meten van magnetische veldeffecten met behulp van verschillende Hall-bar-structuren en magnetische veldsensoren. Deze apparaten worden gebruikt in een aantal toepassingen, waaronder experimenten met spintransport en de studie van supergeleidende materialen bij cryogene temperaturen. Naast het uitvoeren van metingen bij zeer lage temperaturen en het minimaliseren van zelfopwarming, kan de M81-SSM ook materialen karakteriseren in kameromgevingen en omgevingen met zeer hoge temperaturen, waarbij thermische offsets via AC-bron met lock-in-detectie worden vermeden.
Hallbar-metingen, die worden gebruikt om zeer nauwkeurige metingen van de elektrische weerstand van een monster uit te voeren, kunnen zeer effectief worden uitgevoerd met behulp van de combinatie van de differentiële stroombron en de spanningsmeetmodule van de M81-SSM. Algemene toepassingen voor weerstandsmeting met vier draden profiteren ook van deze geluidsarme en laagvermogen volledig differentieel verbonden modules.
Het modulaire karakter van de M81-SSM en de mogelijkheid van de modules om eenvoudig te schakelen tussen AC (tot 100 kHz), DC en lock-in detectiemodi geeft gebruikers grote flexibiliteit in de soorten metingen die kunnen worden uitgevoerd zonder te hoeven wisselen tussen of het aanpassen van speciale DC- en AC-only-instrumentatie. Deze modulariteit en flexibiliteit betekent ook dat de M81-SSM kan worden gebruikt om meerdere apparaten onder identieke omstandigheden te testen om consistente resultaten te leveren.
De VM-10 spanningsmeetmodule kan signalen detecteren van het lage nanovoltbereik tot 10 V. Hij werkt van DC tot 100 kHz en kan amplitude, fase en harmonischen detecteren. De CM-10 stroommeetmodule kan stromen detecteren in het femtoampere tot 100 mA bereik. Stroommetingen kunnen worden uitgevoerd van DC tot 100 kHz en omvatten amplitude-, fase- en harmonische detectie.
De BCS-10 gebalanceerde stroombronmodule is programmeerbaar van 100 fA tot 100 mA van DC tot 100 kHz sinusoïdale uitgang, terwijl de VS-10 spanningsbronmodule programmeerbare spanningen levert van 1 µV DC/100 nV AC tot ± 10 V met DC tot 100 kHz sinusoïdale uitvoer.
Het controllerinstrument biedt een reeks digitale connectiviteit, waaronder USB, GPIB en Ethernet, en interface met externe referentiebronnen of detectoren. De controller en modules zijn compacte tafelinstrumenten die ook in een rek kunnen worden gemonteerd.
Synchronisatie en integratie
Dankzij de hoge mate van synchronisatie en integratie van sourcing- en meetmogelijkheden kan de M81-SSM het aantal afzonderlijke instrumenten verminderen, in veel gevallen tot alleen het M81-SSM-systeem, dat nodig is om precisiemetingen uit te voeren. Dit integratieniveau minimaliseert ook het aantal en de lengte van kabels die doorgaans worden gebruikt om afzonderlijke bronnen, meetinstrumenten en monsters aan te sluiten. Deze integratie vermijdt de introductie van parasitaire effecten – zoals lekkage, ruis, weerstand en reactantie – die allemaal de metingen aanzienlijk kunnen verslechteren.
De externe modules zijn verbonden met het hoofdinstrument via standaard geluidsbestendige stroom- en signaalkabels van 2 m, die optioneel kunnen worden verlengd tot een totaal van 6 m tussen het instrument en een willekeurige module. Dit betekent dat de modules zeer dichtbij de plaats kunnen worden geplaatst waar wordt gemeten, bijvoorbeeld in een cryogeen sondestation. "De essentie van metingen op laag niveau is het minimaliseren van de lengte van de signaalniveaukabels", zegt Cimino. “Met de M81-SSM kun je de versterkermodules desgewenst direct naast de sample plaatsen.”
Het modulaire karakter van het systeem betekent dat er een breed scala aan configuraties kan worden gecreëerd door simpelweg aangesloten modules te verwisselen. Dit maakt de M81-SSM tot een extreem flexibel systeem en de prestaties zijn voorspelbaarder dan opstellingen die zijn opgebouwd uit meerdere afzonderlijke instrumenten en instrumenten van verschillende leveranciers. Bovendien wordt het hele systeem ondersteund door één leverancier, waardoor de klantenservice en technische assistentie eenvoudiger en gestroomlijnder worden.
De M81-SSM maakt gebruik van een gepatenteerd analoog systeem om signalen tussen de controller en zijn modules te verzenden. Cimino legt uit dat hierdoor digitale circuits met ruis ver weg blijven van de gevoelige analoge circuits in de modules. Dit minimaliseert ook grondfouten en zorgt voor een nauwe synchronisatie van alle modules.
Speciale ADC's en DAC's
Signalen van maximaal drie aangesloten meetmodules worden in de controller gedigitaliseerd door speciale analoog-naar-digitaal (ADC) converters. Uitgangssignalen van maximaal drie bronmodules worden door de controller gedefinieerd door speciale digitaal-naar-analoog-converters (DAC's).
De ADC's en DAC's worden geactiveerd door de stijgende flank van een gedeeld MeasureSync-kloksignaal. MeasureSync is het signaalsynchronisatiesysteem van Lake Shore, waarvoor patent is aangevraagd, dat een gemeenschappelijk kloksignaal van 375 kHz gebruikt voor het bijwerken en lezen van alle modules, waardoor continue gegevensbemonstering op elk aangesloten kanaal mogelijk is in plaats van de typische gemultiplexte meerkanaalsalternatieven.
Tijdens de pauzes tussen de bemonsteringsklokflanken worden ADC-gegevens door de controller gelezen en worden de DAC's ingesteld om de volgende uitvoerwaarden te leveren. Het resultaat is de volledige synchronisatie en continue sampling van maximaal zes aangesloten versterkerkanalen – wat betekent dat meerdere gesynchroniseerde metingen parallel kunnen worden uitgevoerd. Elk kanaal kan worden ingesteld om AC-, DC- of lock-in-metingen uit te voeren. Ruwe monsters worden verzameld en verwerkt met een snelheid van 375 kilosamples per seconde (kSa/s) en voltooide metingen worden via LAN, USB of GPIB naar een host-pc verzonden met maximaal 5 records per seconde of een totale snelheid voor 3 meetkanalen van 15 metingen per seconde. seconde.
Deze hoge mate van synchronisatie tussen bron en meting betekent dat de M81-SSM kan worden gebruikt om lock-in-metingen uit te voeren die zeer zwakke signalen uit ruisachtige achtergronden kunnen halen. Dit is een aanzienlijk voordeel voor gebruikers, omdat lock-in-metingen meestal worden uitgevoerd met behulp van een speciaal lock-in-versterkerinstrument dat alleen AC-metingen kan uitvoeren.
Met één druk op de knop vergrendeld
"Ik heb voor een aantal geïnteresseerde klanten de belangrijkste mogelijkheden van de M81-SSM gedemonstreerd en zij vragen 'waar is de lock-in versterker?'", zegt Cimino. “In eerste instantie zien ze alleen de compacte modules en controllerelementen, en ik moet uitleggen dat de lock-in digitaal wordt geïmplementeerd. ‘Het is een lock-in met één druk op de knop’ is de enthousiaste reactie die ik kreeg van meerdere potentiële gebruikers.”
Cimino voegt eraan toe dat zowel beginners als experts het waarderen hoe eenvoudig en intuïtief Lake Shore de gebruikersinterface heeft geconfigureerd. Aan de deskundige gebruikerskant van het spectrum zegt Cimino dat “een M81-SSM-gebruiker onze Python-driver heeft overgenomen als de driverstandaard van zijn groep voor al zijn apparatuur. Hij hield gewoon van de manier waarop we de M81-SSM-besturingselementen in onze Python-driver hebben geabstraheerd.”
"Of als je helemaal niet wilt programmeren, kun je met onze MeasureLINK-software eenvoudig bron- en meetopdrachten op hoog niveau slepen en neerzetten om gegevens te streamen of langdurige tests uit te voeren", zegt Cimino. “Als je een magnetisch veld of een monstertemperatuur wilt manipuleren terwijl je elektrische metingen doet, kun je dat zonder programmeren doen.”
Cimino beschrijft de gebruikersinterface van de M81-SSM als “vindbaar” en dat elke smartphonegebruiker (dwz “iedereen”) deze met gemak zou kunnen gebruiken. “Elke module wordt weergegeven in de interface en als je op een module klikt, zie je een virtueel frontpaneel voor dat instrument”, legt hij uit. De standaardinstellingen op de interface komen overeen met de meest voorkomende metingen, maar gebruikers kunnen ook eenvoudig door de interface navigeren om de M81-SSM te besturen op een manier die past bij hun vaardigheidsniveau en meetvereisten. En voor zowel beginnende als ervaren gebruikers biedt Lake Shore ondersteuning door een team van applicatie-ingenieurs op PhD-niveau.
“De M81-SSM is het resultaat van vijf jaar keihard werken door de engineering- en applicatieteams van Lake Shore”, zegt Cimino, eraan toevoegend dat positieve reacties van de gebruikersgemeenschap erop duiden dat het de moeite zeker waard was.
- Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
- PlatoData.Network Verticale generatieve AI. Versterk jezelf. Toegang hier.
- PlatoAiStream. Web3-intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
- PlatoESG. carbon, CleanTech, Energie, Milieu, Zonne, Afvalbeheer. Toegang hier.
- Plato Gezondheid. Intelligentie op het gebied van biotech en klinische proeven. Toegang hier.
- Bron: https://physicsworld.com/a/synchronous-source-and-measure-system-takes-a-modular-approach-to-low-level-measurement/