同期ソースおよび測定システムは、低レベル測定にモジュール式アプローチを採用 – Physics World

同期ソースおよび測定システムは、低レベル測定にモジュール式アプローチを採用 – Physics World

タイムスタンプ：25年2024月7日午前00時XNUMX分

Lake Shore Cryotronics の M81-SSM は、DC、AC、ロックイン電源と測定を提供します。

<a href="https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/04/synchronous-source-and-measure-system-takes-a-modular-approach-to-low-level-measurement-physics-world-2.jpg" data-fancybox data-src="https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/04/synchronous-source-and-measure-system-takes-a-modular-approach-to-low-level-measurement-physics-world-2.jpg" data-caption="同期モジュール性 81 つのソース モジュールを備えた MXNUMX-SSM コントローラ (左)。 XNUMX つの測定モジュール (右)。すべてがテスト対象のデバイスに接続されています。システムは一度に最大 XNUMX つのモジュールをサポートできます。 (提供: レイクショア クライオトロニクス) ”>
テスト対象デバイス
同期モジュール性 81 つのソース モジュールを備えた MXNUMX-SSM コントローラ (左)。 XNUMX つの測定モジュール (右)。すべてがテスト対象のデバイスに接続されています。システムは一度に最大 XNUMX つのモジュールをサポートできます。 (提供: レイクショア クライオトロニクス)

今日の測定システムは、急速に非常に複雑になる可能性があります。研究の最先端で働く科学者は、多くの異なるサプライヤーからの機器を組み合わせなければならないことがよくあります。ベンダーが混在するシステムは操作が難しく、実行される測定の精度と再現性が著しく損なわれる可能性があるため、これは問題です。

Lake Shore Cryotronics は、MeasureReady M81-SSM (同期ソースおよび測定) システムでこれらの不確実性に対処しました。これにより、単一の中央制御機器で最大 81 つのソース モジュールと 10 つの測定モジュールを同時に操作できるようになります。 M375-SSM は、Lake Shore 独自の MeasureSync テクノロジーを使用して、接続されているすべてのソースおよび測定モジュールが同期的に更新され、XNUMX kHz のサンプリング レートで互いに +/-XNUMX ns 以内でサンプリングされることを保証します。

「私たちは、同期ソース機能と測定機能を意図的に組み合わせています」と、Lake Shore のシニア製品マネージャーである Chuck Cimino 氏は説明します。 「これにより、特性評価対象のサンプルに対する共通の精度基準の使用も可能になり、一貫して最小限のノイズ性能が保証されます。」

同社はオハイオ州ウェスタービルに本社を置き、56 年間にわたって測定および制御ソリューションを開発してきました。 「M81-SSMには複数の特許取得済みテクノロジーがあり、優れた同期、DCおよびAC混合の供給と測定、およびよりスムーズで高速な電圧測定範囲の変更を非常に可能にします。」と彼は付け加えました。

M81-SSM の中心となるのは、現在 1 つの異なるタイプの電源および測定モジュールをサポートするコントローラ機器です。平衡または差動定電流源モジュール。 XNUMXTΩを超える入力インピーダンス電圧測定モジュール。 Cimino氏によると、システムの機能を拡張するために、より多くのアプリケーション固有のタイプのモジュールが開発されているという。

極めて低騒音な動作

すべての M81-SSM モジュールには、高度に絶縁されたリニア電源によって電力を供給されるリニア アンプ電子機器が含まれています。 Cimino 氏は、その結果、一般的に使用されている多くのロックイン アンプを含む、従来から構築されている最高のシングルボックス ソースおよび測定機器の多くを上回る、極めて低ノイズの動作が実現したと述べています。

M81-SSM は、極低温および/または高磁場の実験環境でサンプルを測定するための、可能な限り低いノイズと最も迅速な構成とセットアップで、可能な限り幅広い電圧対電流特性評価アプリケーションをカバーするように最初から設計されました。 Lake Shore は、これらおよびその他の極限環境における材料およびデバイスの特性評価に豊富な経験を有しており、また、M81-SSM の設計において、独自の信号調整および測定技術、および同社のアプリケーションサイエンティストの専門知識を最大限に活用しています。

この低電力および低ノイズ信号機能により、M81-SSM はさまざまなホールバー構造や磁界センサーを使用した磁界の影響の測定に非常に役立ちます。これらのデバイスは、スピン輸送実験や極低温での超伝導材料の研究など、多くの用途に使用されています。 M81-SSM は、自己発熱を最小限に抑えながら極低温での測定を行うだけでなく、ロックイン検出を備えた AC 電源による熱オフセットを回避し、室内および超高温環境での材料の特性評価も行うことができます。

サンプルの電気抵抗を非常に正確に測定するために使用されるホールバー測定は、M81-SSM の差動電流源と電圧測定モジュールの組み合わせを使用して非常に効果的に行うことができます。一般的な XNUMX 線式抵抗測定アプリケーションでも、これらの低ノイズ、低電力の完全差動接続モジュールのメリットが得られます。

M81-SSM のモジュール式の性質と、AC (最大 100 kHz)、DC、ロックイン検出モード間を簡単に切り替えるモジュールの機能により、ユーザーは、測定の種類を切り替えることなく実行できる柔軟性が高まります。専用の DC および AC 専用計装を変更する。このモジュール性と柔軟性は、M81-SSM を使用して同一条件下で複数のデバイスをテストし、一貫した結果を提供できることも意味します。

VM-10 電圧測定モジュールは、最大 10 V の低ナノボルト範囲の信号を検出できます。DC から最大 100 kHz で動作し、振幅、位相、高調波を検出できます。 CM-10 電流測定モジュールは、フェムトアンペアから 100 mA の範囲の電流を検出できます。電流測定は DC から 100 kHz まで行うことができ、振幅、位相、高調波の検出が含まれます。

BCS-10 平衡電流源モジュールは、DC ～ 100 kHz の正弦波出力で 100 fA ～ 100 mA までプログラム可能です。一方、VS-10 電圧源モジュールは、DC で 1 µV DC/100 nV AC から最大 ± 10 V までのプログラム可能な電圧を提供します。 100kHzまでの正弦波出力。

このコントローラ計測器は、USB、GPIB、イーサネットなどの幅広いデジタル接続を提供するだけでなく、外部基準ソースまたは検出器とのインターフェースも提供します。コントローラとモジュールは、ラックマウントも可能なコンパクトなベンチトップ機器です。

同期と統合

M81-SSM は、ソースおよび測定機能の高度な同期と統合により、高精度測定を行うために必要な個別の機器の数を (多くの場合は M81-SSM システムのみに) 減らすことができます。このレベルの統合により、個別のソース、測定機器、サンプルを接続するために通常使用されるケーブルの数と長さも最小限に抑えられます。この統合により、漏れ、ノイズ、抵抗、リアクタンスなどの寄生効果の導入が回避され、これらすべてが測定を大幅に劣化させる可能性があります。

リモートモジュールは、標準の 2 m のノイズ耐性のある電源および信号ケーブルを介してメイン機器に接続されます。オプションで、機器と任意の 6 つのモジュール間を合計 81 m まで延長できます。これは、極低温プローブステーションなど、測定が行われる場所の非常に近くにモジュールを配置できることを意味します。 「低レベル測定における勝負の要は、信号レベルのケーブルの長さを最小限に抑えることです」と Cimino 氏は言います。 「MXNUMX-SSM を使用すると、必要に応じてアンプ モジュールをサンプルのすぐ隣に配置できます。」

システムのモジュール式の性質は、接続されたモジュールを交換するだけで幅広い構成を作成できることを意味します。これにより、M81-SSM は非常に柔軟なシステムとなり、複数の個別の機器や異なるベンダーの機器で構築されたセットアップよりもパフォーマンスが予測しやすくなります。さらに、システム全体が XNUMX つのサプライヤーによってサポートされるため、顧客サービスと技術支援がよりシンプルかつ合理化されます。

M81-SSM は、特許取得済みのアナログ システムを使用して、コントローラとそのモジュールの間で信号を送信します。 Cimino 氏は、これによりノイズの多いデジタル回路がモジュール内の敏感なアナログ回路から遠く離れた場所に保たれると説明しています。これにより、接地誤差も最小限に抑えられ、すべてのモジュールの確実な同期が確保されます。

専用のADCおよびDAC

接続された最大 3 つの測定モジュールからの信号は、コントローラー内で専用のアナログ - デジタル (ADC) コンバーターによってデジタル化されます。最大 3 つのソース モジュールからの出力信号は、専用のデジタル - アナログ コンバーター (DAC) によってコントローラーによって定義されます。

<a data-fancybox data-src="https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/04/synchronous-source-and-measure-system-takes-a-modular-approach-to-low-level-measurement-physics-world-1.jpg" data-caption="正確なタイミング Up to three measure modules and three source modules can be synchronized by the M81-SSM using Lake Shore’s MeasureSync technology. (Courtesy: Lake Shore Cryotronics)” title=”Click to open image in popup” href=”https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/04/synchronous-source-and-measure-system-takes-a-modular-approach-to-low-level-measurement-physics-world-1.jpg”>タイミングチャート
正確なタイミング Lake Shore の MeasureSync テクノロジーを使用して、M81-SSM で最大 XNUMX つの測定モジュールと XNUMX つのソース モジュールを同期できます。 (提供: レイクショア クライオトロニクス)

ADC と DAC は、共有された MeasureSync クロック信号の立ち上がりエッジによってトリガーされます。 MeasureSync は、Lake Shore の特許出願中の信号同期システムで、すべてのモジュールの更新と読み取りに共通の 375 kHz クロック信号を使用します。これにより、一般的な多重化されたマルチチャネルの代替ではなく、接続されているすべてのチャネルで連続的なデータ サンプリングが可能になります。

サンプリング クロック エッジ間のギャップ中に、ADC データがコントローラによって読み取られ、DAC は次の出力値を提供するように設定されます。その結果、接続された最大 375 つのアンプチャンネルの完全な同期と連続サンプリングが実現します。これは、複数の同期測定を並行して実行できることを意味します。各チャネルは、AC、DC、またはロックイン測定を実行するように設定できます。生サンプルは 5 キロサンプル/秒 (kSa/s) で収集および処理され、完了した測定値は LAN、USB、または GPIB 経由で最大 3 レコード/秒、または 15 つの測定チャネルの合計レートで XNUMX 秒あたり XNUMX の測定値でホスト PC に送信されます。 XNUMX番。

ソースと測定の間のこの高度な同期は、M81-SSM を使用して、ノイズの多い背景から非常に弱い信号を抽出できるロックイン測定を実行できることを意味します。ロックイン測定は通常、専用のAC測定専用ロックインアンプ機器を使用して行われるため、これはユーザーにとって大きな利点です。

ボタンを押すだけでロックイン

「興味のある一部の顧客に M81-SSM の主な機能をデモしましたが、彼らは『それで、ロックイン アンプはどこにあるの?』と尋ねてきました」と Cimino 氏は言います。 「最初は、彼らはコンパクトなモジュールとコントローラー要素を見るだけで、ロックインがデジタル的に実装されていることを説明する必要がありました。 『ボタンに触れるだけでロックインできる』というのが、複数の潜在ユーザーから得た熱狂的な反応です。」

Cimino 氏は、初心者も専門家も同様に、Lake Shore がユーザー インターフェイスをいかにシンプルかつ直観的に構成しているかを高く評価していると付け加えました。スペクトルのエキスパート ユーザーである Cimino 氏は次のように述べています。「ある M81-SSM ユーザーは、グループのすべての機器にわたるドライバー標準として当社の Python ドライバーを採用しています。彼は、Python ドライバーで M81-SSM コントロールを抽象化した方法を気に入ってくれました。」

「まったくプログラミングしたくない場合でも、当社の MeasureLINK ソフトウェアを使用すると、高レベルのソースおよび測定コマンドをドラッグ アンド ドロップするだけでデータをストリーミングしたり、長時間のテストを実行したりできます」と Cimino 氏は言います。 「電気測定をしながら磁場やサンプル温度を操作したい場合は、プログラミングなしで実行できます。」

Cimino 氏は、M81-SSM のユーザー インターフェイスを「発見可能」であり、スマートフォン ユーザー (つまり「誰もが」) が快適に使用できると説明しています。 「各モジュールはインターフェースに表示され、モジュールをクリックすると、その機器の仮想フロントパネルが表示されます。」と彼は説明します。インターフェイスのデフォルト設定は最も一般的な測定に対応していますが、ユーザーはインターフェイスを簡単に操作して、スキル レベルと測定要件に一致する方法で M81-SSM を制御することもできます。また、初心者ユーザーにも専門ユーザーにも同様に、Lake Shore は博士レベルのアプリケーション エンジニアのチームによるサポートを提供します。

「M81-SSM は、レイクショアのエンジニアリング チームとアプリケーション チームによる XNUMX 年間の懸命な努力の結果です」と Cimino 氏は述べ、ユーザー コミュニティからの肯定的な反応は、努力の価値があったことを示していると付け加えました。

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