集磁、電、熱測量多功能于一體的振動樣品磁強計
——VersaLab
席研發(fā)科學(xué)家Dr. Jim O’brien 和VersaLab， 從圖中可以看出設(shè)備非常小巧。 | 美國Quantum Design公司成立于1982年，是由公司的SQUID磁強計的設(shè)計者創(chuàng)立，坐落于美國加州圣迭戈市。在公司成立的二十多年里，Quantum Design公司專注于打造兩種產(chǎn)品線—SQUID磁學(xué)測量系統(tǒng)（MPMS）和綜合物性測量系統(tǒng)（PPMS），它們已經(jīng)成為研究領(lǐng)域?qū)嶒灁?shù)據(jù)可靠的標(biāo)志，被廣泛應(yīng)用于物理、化學(xué)及材料科學(xué)等眾多研究領(lǐng)域，遍布國內(nèi)外相關(guān)實驗室。 2007年1月美國Quantum Design公司鄭重推出了第三種產(chǎn)品—多功能振動樣品磁強計（VSM）—VersaLab，它是Quantum Design公司推出的無液氦多功能振動樣品磁強計系統(tǒng)，溫度范圍為50~400 K，全溫區(qū)磁場可至3 T，可以全自動高精度的進行磁、電、熱等多種物性測量。 |
從某種意義上來說，VersaLab也是一種經(jīng)濟型的PPMS系統(tǒng)（Quantum Design公司一種廣為認可的材料研究大平臺），因為VersaLab上的測量選件如磁學(xué)、電輸運、比熱等都是從PPMS上移植過來的，是非常成熟可靠的技術(shù)，經(jīng)過了長時間的實驗檢驗，這些測量方法的可靠性和便捷性在過去的十幾年中已經(jīng)得到科學(xué)界的廣泛認可。與PPMS相比，VersaLab的測量功能和精度幾乎完全相同，只不過磁場略低、溫區(qū)略窄，但產(chǎn)品的諸多新特點使得用戶的購買成本和運行成本大大降低。
主要特征：
◎ 集合磁、電學(xué)、熱等高精度測量，功能強大 ◎ 50-400K測量全程無需液氦或液氮，（微型制冷機冷卻超導(dǎo)磁體以及樣品室） ◎ 技術(shù)提供更高溫度控制精度? 超導(dǎo)磁體提供更均勻的背景磁場 | ◎ 高低溫下均可達到大3T磁場 ◎ 無磁間距調(diào)整及鞍區(qū)調(diào)整等復(fù)雜操作 ◎ 高磁場下長期運行也無需冷卻水 ◎ 單相電源供電(220V)能耗小(2.4KW) ◎ 體積小巧，便于移動(重86 kg高1.31m) |
豐富多樣的選件：
樣品水平旋轉(zhuǎn)桿選件(磁學(xué)、電學(xué)測量)
VersaLab上的樣品水平旋轉(zhuǎn)桿選件是用于測量與角度相關(guān)聯(lián)的電和磁性質(zhì)，例如電阻率、霍爾效應(yīng)、臨界電流、伏安特性以及磁各向異性等。樣品安裝在能夠輕易拆裝的帶有鍍金引線的樣品板上，僅需要將特定功能的樣品板插入到旋轉(zhuǎn)臺上就能進行角度相關(guān)測量，在測量的過程中轉(zhuǎn)桿由步進馬達控制按照輸入的轉(zhuǎn)動精度進行全自動轉(zhuǎn)動。
技術(shù)參數(shù)： ◎ 轉(zhuǎn)角范圍： -10° to 370° ◎ 角度轉(zhuǎn)動步長： 0.05°或0.0045° (高精度) ◎ 轉(zhuǎn)動重復(fù)性： < 1.0° ◎ 轉(zhuǎn)動速度： 10°每秒或1°每秒(高精度) |
VSM 高溫爐選件
VersaLab上VSM的高溫爐選件用于擴展磁學(xué)測量的溫度區(qū)間，高可以達到1000K。采用的樣品腔真空絕熱技術(shù)而沒有采用任何加熱爐腔，既沒有引入噪聲源保證了高溫磁測量精度而且操作非常簡單易行。
高溫磁學(xué)測量技術(shù)參數(shù)： ◎ 穩(wěn)定工作溫度：300-1100K ◎ 均方根靈敏度：<10-5emu ◎ 噪音基：<10-5emu rms ◎ 溫度測量度： 0.5K |
電輸運測量選件
磁、電測量往往密不可分，VersaLab系統(tǒng)新推出電測量選件，允許用戶在50-400K，±3T的系統(tǒng)環(huán)境下全自動的進行諸如電阻、微分電阻（非線性電阻）、磁電阻、伏安特性和霍爾效應(yīng)等各種電學(xué)測量。
技術(shù)參數(shù)： ◎ 噪聲基：1 nV/rtHz ◎ 電壓輸出范圍：± 4.5 V (一倍增益時) ◎ 電流范圍： 10nA-100mA 持續(xù)操作 ◎ 頻率范圍： 直流或交流（0.1Hz-200Hz） ◎ 電阻測量精度：0.1% (R < 200 kΩ) 0.2% (R > 200 kΩ) ◎ 相對靈敏度： ± 10 nΩ RMS (typical) ◎ 電阻測量范圍：四線法10-8Ω-106Ω 二線法106Ω-5X109Ω |
比熱測量選件
比熱是非常重要的物理量，但是實驗上很難獲得高品質(zhì)的比熱測量數(shù)據(jù)。Quantum Design公司采用了熱馳豫法，使用雙τ模型技術(shù)對馳豫曲線進行擬合，全自動快速地獲得變溫和變場下的高質(zhì)量比熱數(shù)據(jù)，該項技術(shù)曾獲得1998年“R&D100”大獎。
技術(shù)參數(shù)： ◎ 測量溫度范圍：50-400K ◎ 磁場范圍：±3T ◎ 樣品尺寸：1mg - 500mg（典型值20mg） ◎ 測量靈敏度：10nJ/K @2K ◎ 測量精度：<5% @2K - 300K（典型值<2%） |
熱輸運測量選件
熱輸運選件可以同時測量樣品的熱傳導(dǎo)系數(shù)、Seebeck系數(shù)（熱電勢）和交流電阻率，并根據(jù)這三個數(shù)據(jù)計算出熱電材料的品質(zhì)因子。樣品測量采用樣品托的方式，并配套有專用的樣品安裝工具。
技術(shù)參數(shù)： ◎ 熱傳導(dǎo)測量精度：± 5 % ◎ Seebeck系數(shù)測量精度：± 5 % ◎ Seebeck系數(shù)測量范圍：1 μV/K - 1 V/K ◎ 品質(zhì)因子測量精度：± 15 %（取決于S） |
多功能樣品桿選件
多功能樣品桿能夠方便用戶將外接儀表的電源引線、信號采集線、光纖、微波導(dǎo)管等引入VersaLab系統(tǒng)的樣品室內(nèi)，從而可以進行例如鐵電、介電、激光或微波輻照下的電輸運等測量。
VersaLab與傳統(tǒng)電磁鐵VSM對比：
VersaLab | 傳統(tǒng)電磁鐵VSM | |
磁場控制 | NbTi超導(dǎo)磁體 | 銅線圈電磁鐵 |
均勻區(qū)大(2.4cm) | 均勻區(qū)窄(約0.5cm) | |
高場下均勻度不變(0.1%) | 高場均勻區(qū)大幅下降，磁噪聲大 | |
全自動化控制，操作方便 無需水冷 | 手動調(diào)節(jié)磁間距和鞍區(qū)等復(fù)雜操作 需水冷 | |
一體化機身屏蔽罩 | 無磁屏蔽，高場對周邊人體與設(shè)備危害 | |
溫度控制 | 低溫?zé)o需任何溫度插件 高溫使用自加熱樣品桿 | 低溫、高溫均需要外部插件 (使得磁間距必須擴大，從而降低磁場強度和測量精度，并有巨大背景信號) |
內(nèi)置微型制冷機 低溫?zé)o需液氦或液氮 | 低溫需要液氦或液氮 | |
VSM馬達 | 長程電磁力驅(qū)動馬達 (無任何機械噪聲和磨損，無需維護) | 機械馬達 (機械噪聲對磁測量產(chǎn)生影響) |
振動方向與磁場平行 (提高磁信號探測靈敏度) | 振動方向與磁場垂直 | |
VSM測量 | 0-3T靈敏度均達到10-7emu 數(shù)據(jù)平均時間1秒 | 高場下由于電磁鐵噪聲對測量精度產(chǎn)生影響，數(shù)據(jù)測量時間長 |
內(nèi)置<10-4 Torr高真空 (無機械振動和噪聲) | 配備機械真空泵，約10?3 Torr | |
拓展功能 | 電輸運、比熱、鐵電、介電、光電、磁電等 | 手動電測量、無其他功能 |
能耗 | 總功率2.4kW | 磁場能耗5~8 kW 水冷機功率5~8 kW |
變頻壓縮機，自動調(diào)節(jié)制冷功率，效率提高50%，噪音下降10% | ||
儀器尺寸 | 重86Kg，高1.31m 底部滑輪，可隨意移動 | 重達上千公斤，無法移動 |
