2.2.Комп'ютернасистема вимірювання гальваномагнітних ефектів

Принцип комп'ютерної автоматизації більшості систем для вимірювання гальваномагнітних ефектів узагальнюється у вигляді спрощеної схеми:

Рис. 5. Схема вимірювання гальваномагнітних ефектів

1 – виконавчий пристрій; 2 – зразок із кріостатом і магнітом;

3 – комутаційний пристрій; 4 – ЦАП (цифрово–аналоговий перетворювач);

5 – АЦП (аналогово–цифровий перетворювач); 6 – блок живлення;

7 – мікрокомп'ютер; 8 – реєстратор сигналів

У відповідності з програмою, закладеною в комп'ютері 7, кодові сигнали через блок живлення 6 і при необхідності через цифрово–аналоговий перетворювач (ЦАП) 4, що перетворює кодові сигнали в аналогові, надходять на виконавчий пристрій 1, наприклад, джерело живлення зразка, джерело живлення магніту, джерело живлення кріостата–нагрівача і т. д. Команди з комп'ютера надходять на комутаційний пристрій 3, керуючий, наприклад, послідовністю включення контактів зразка Ван дер Пау. Вимірювальні цифрові прилади 5, що являються перетворювачами аналогового сигналу в код, передають вимірювальні сигнали через блок живлення 6 в мікрокомп'ютер 7. Після математичної обробки сигналів у комп'ютері результати вимірювань реєструються пристроєм 8. Відповідно до вище поданого принципу, була розроблена універсальна комп’ютерна система вимірювання гальваномагнітних ефектів:

Рис.6 Комп’ютерна система вимірювання гальваномагнітних ефектів[1]

1– кріостат; 2 – зразок; 3 – електромагніт; 4 – перетворювач струм – напруга;

5 – комутаційний пристрій; 6 – підсилювач; 7 – цифровий вольтметр;

8 – джерело постійної напруги; 9 – джерело постійного струму ;

10 – 13,15 – ЦАП (цифрово–аналоговий перетворювач);

14 – мікроконтролер; 16 – самописець, 17 – мікрокомп'ютер;

18 – реєструючий пристрій .

Мікрокомп'ютер 17 керує температурою зразка (канал 1–6–10–14), магнітним полем (канал 3–9–13–14), напругою (струмом ) на зразку (канал 4–8–12–14), комутацією контактів зразка (канал 4–5–14), записом температури зразка (канал 14 15–16). Сигнали, що знімаються зі зразка і термопари, передаються на мікрокомп'ютер (канал 4–5–7–11–14). Після перетворення чи математичної обробки вони надходять на реєструючий пристрій 18.

2.3. Універсальна установка для вимірювання параметрів напівмагнітних напівпровідників у широкому температурному діапазоні

Цікавий варіант установки для вимірювання параметрів напівмагнітних напівпровідників у широкому температурному діапазоні був запропонований авторами роботи [2]. Установка дає змогу в діапазоні температур від гелієвих до кімнатних вимірювати параметри напівмагнітних напівпровідників такими методами: метод Холла, метод електронного парамагнітного резонансу, індукційний метод вимірювання магнітної сприйнятливості та метод порушеного повного внутрішнього відбиття. Характеристиками установки є широкий діапазон температур, універсальність і максимальна автоматизація експерименту.

Вимірювальний комплекс складається з таких головних блоків: рефрижератор безперервного потоку, вакуумне обладнання, потрібне для створення вакууму у кожусі рефрижератора, кріогенне обладнання для досягнення гелієвих температур, система вимірювання та керування температурою, система вимірювання та керування постійним магнітним полем. Для реалізації кожного з методів дослідження параметрів напівпровідників створено спеціальні вимірювальні модулі та схеми реєстрації сигналів, що пов’язані з фізичними характеристиками напівпровідників. Зокрема, реалізовано одночасне вимірювання питомого опору та сталої Холла за методом Ван дер Пау, а також магнетоопору двох зразків. Нижче, на рис.7, показана схема комплексу, яку використовують для вимірювання параметрів зразків методом Холла.

Запуск рефрижератора починається з одержання вакууму. Потім відбувається охолодження до необхідної температури та приєднання системі стабілізації. Під час роботи підбирають економічний режим. Після виходу на відповідний режим температурної стабілізації та досягнення необхідної температури виконують вимірювання.

Рис.7. Схема вимірювання параметрів напівпровідників методом Холла

1 – нагрівачі; 2 – зразки; 3 – датчики температури; 4 – комутаційна схема; 5 – блок вимірювання температури; 6 – блок сполучення; 7 – блок живлення; 8 – блок вимірювання магнітного поля; 9 – блок реверса магнітного поля; 10 – електромагніт; 12 – блок живлення; 11– датчик магнітного поля.[2]

Для керування роботою установки та вимірювання аналогових сигналів використовують плату АЦП–ЦАП L761 фірми L–Card. Ця плата має 32–канальний 14–розрядний АЦП, 2–канальний 12–розрядний ЦАП, а також 16–цифрові вхідні і 16–цифрові вихідні лінії. Плата L–Card забезпечує введення аналогового сигналу з частотою до 125 кГц і точністю 0.1–0.2 % залежно від діапазону вимірювання. На платі є попередній підсилювач із коефіцієнтами підсилювання 1, 4, 16 чи 64, що перемикаються програмно. У базовий комплект програмного забезпечення (ПЗ) входить програмний драйвер керування для сигнального процесора плати, а також драйвер і динамічна бібліотека функцій керування платою. Установка працює у широкому інтервалі температур (4.2–300 К) у рефрижераторі безперервного потоку зі стабілізацією температури з точністю 0.1 К. Для вимірювання температури в діапазоні 77–300 К використовують платинові датчики, а в діапазоні 4.2–77 К – вуглецеві. Зміну температури та її стабілізацію досягають за допомогою створення безперервного потоку холодного газу, що випаровується, та нагрівальних елементів, які розташовані на дні робочої камери.

Процеси вимірювання температури та її стабілізації відбуваються програмним шляхом за допомогою пропорційно–інтегрально алгоритму. Під час реєстрації магнітолольових залежностей керування магнітним полем та його стабілізація в точці вимірювання забезпечуване системою керування зі зворотним зв’язком у діапазоні 100–7000 Гс з точністю 1.5 Гс. Для зміни напряму магнітного поля передбачено блок реверсу магнітного поля, також керованого програмним шляхом. Керування експериментом і записування даних відбувається за допомогою програмного забезпечення мовою програмування Borland С++ 5.02 з використанням бібліотеки АРІ функцій драйвера плати L–Card .

Програмне забезпечення виконано у вигляді єдиного програмного модуля, що дало змогу об’єднати експерименти єдиними інтерфейсом і функціями вибору параметрів, а також мінімізувати витрати часу під час розробки програми.

Програмне забезпечення підтримує виконання чотирьох видів експериментів: дослідження ефекту Холла і питомої провідності, вимірювання магнітної сприйнятливості, записування лінії ЕПР та вимірювання параметрів магнітоплазмових хвиль за методом ППВВ. На підставі вимірюваних у ході експерименту даних програмне забезпечення установки обчислює значення шуканих фізичних величин і виводить їх у зручному вигляді на екран комп’ютера. Це дає змогу експериментаторові, не витрачаючи часу на опрацювання результатів вимірювання, коректувати параметри експерименту, не перериваючи його. Такий підхід дає змогу значно підвищити швидкість вимірювань.

За допомогою описаної установки ми маємо змогу досліджувати температурні та польові залежності коефіцієнта Холла, провідності напівмагнітних напівпровідників.