2022-10-21 09:09:43 由 yihong 发表
在最好的情况下，准确测量磁场可能具有挑战性。 在低温环境中进行测量会带来一系列其他方面的考虑。 本文提供了在该领域取得成功所需的指导。
范围
本文重点介绍使用 Lake Shore F71 或 F41 特斯拉计以及与它们一起使用的霍尔传感器或探头的磁场测量。 其他技术，如 SQUID 磁力计或磁通计测量线圈也可以测量低温下的场，本文未涵盖。
低温环境中的霍尔传感器
在可用于磁场的各种测量方法中，简单的霍尔传感器仍然是最通用的，即使在低温下也是如此。 低温环境中的挑战在于纠正随温度变化的各种性能指标，同时还要限制在极冷环境中不必要的功耗。
Lake Shore 开发的 2Dex™ 传感器具有一些有益特性，使其成为低温环境中磁场测量的绝佳候选者：
可以利用 Lake Shore 特斯拉计中的 TruZero™ 技术，无需将传感器“归零”，这通常需要将传感器放置在零高斯室中并将现场测量归零。如果安装了传感器，这将特别复杂 在低温环境中。
与磁通计所需的基于线圈的系统相比，尺寸相对较小。
良好的场灵敏度，即使在低传感器激发水平下也是如此。
与低温环境兼容的简单霍尔传感器结构。
与磁通计和 SQUID 磁力计相比，测量要求相当简单。
鉴于 2Dex 传感器对低温环境的适用性有所提高，因此在这些温度下操作时需要牢记几个因素，这将使您能够利用这些传感器的测量性能。
霍尔灵敏度的温度依赖性
随着霍尔传感器温度的变化，霍尔灵敏度（给定场产生的电压 [VH/B]）也会发生变化。 对于 2Dex 传感器，霍尔灵敏度的平均变化如图 1 所示，表明霍尔灵敏度在低温下会发生 1% 到 2% 的变化。 这些变化直接影响精度，只要向仪器提供温度值，F71 和 F41 特斯拉计就会自动处理此偏移的补偿。
图 1：2Dex 霍尔传感器的平均灵敏度在其整个工作温度范围内略有变化。 幸运的是，如果温度已知，这在测量仪器中相对容易补偿。
量子振荡
在高场和低温下，2DEG 材料的额外量子力学性能开始变得明显。 Shubnikov-de Haas (SdH) 效应导致霍尔灵敏度值振荡，影响测量精度。 图 2 显示了一个特定 2Dex 传感器的这些振荡示例。
图 2：SdH 效应导致低温下高场的量子振荡。 这些振荡的确切形状很难预测，因此它们不容易被补偿，而应该被考虑在内。
不幸的是，这种效果很难像我们对其他效果一样自动补偿。 这些振荡的周期性会因传感器而略有不同，这将需要对每个传感器进行单独的表征。 相反，我们必须意识到在这些条件下会出现额外的测量不确定性。 不确定度图（图 3）发布在特斯拉计规格页面上。 一般来说，这种情况只需要在 25 K 以下和 6 T 以上运行时才需要考虑。
图 3：量子霍尔振荡在极高场和低温温度下导致额外的测量不确定性。
自加热
传统的霍尔传感器通过使驱动电流流过传感器并测量产生的霍尔电压来工作。 最大化这个驱动电流会产生一个更容易测量的成比例最大化的霍尔电压。 但是，此驱动电流会将功率耗散到电阻传感器中。这会导致平衡行为，目标是最大化驱动电流，而不会导致传感器加热到引入温度误差的点。
这个问题在低温系统中特别重要。 让热量不必要地泄漏到系统中会限制低温系统的基础温度，因此最小化散热的测量解决方案非常有用。
图 4 中的图表显示了几种传感器技术如何产生霍尔电压与必须消耗到传感器中的功率相比，更高的灵敏度使其更容易进行准确的测量。
图 4：三种不同霍尔传感器技术的比较。 对于给定的传感器加热量，2Dex 和 GaAs 传感器产生更高的霍尔灵敏度。 不幸的是，GaAs 传感器有几个特性使其不适合低温和非常大的场，因此 2Dex 往往是这些场景的更好选择。
作为传感器/仪器配对的实际测量示例，图 5 显示了具有实际仪器的几种配置。 在室温 (300 K) 下，几毫瓦的耗散差异并不重要。 然而，毫瓦级的功率可能是低温恒温器基础温度的一个重大障碍。
*使用 P = I2R 计算
图 5：当仪器测量传感器时，功率会消耗到传感器中。 这些示例显示了几种传感器/仪器组合之间的功耗差异。 如果功耗太高，低温系统可能会受到负面影响。
外部温度补偿
特斯拉计可以接受来自外部来源的温度值，并根据与这些仪器一起使用的 2Dex 霍尔传感器的已知灵敏度变化进行适当补偿。
但请记住，这仅补偿平均霍尔灵敏度变化。 由于量子霍尔效应的不可预测性，在低温下的非常高的场中仍然会有一些额外的不确定性。 如果进行精确的 delta 测量，这种不确定性尤其成问题，因为误差会在相对较小的场值变化时从正变为负。
低温激发模式
在非常低的温度下，特别是低于 4 K 时，系统的冷却功率会显着下降，建议使用特斯拉计的低温模式（图 7b），它将传感器的功耗降低 2 个数量级。
低温传感器和探头
如果在可以从外部直接访问的位置（例如杜瓦瓶）测量场值，则低温霍尔探头可能是一个方便的选择。 这些设计用于处理浸没在冷冻剂中的情况，并且非常长（最长 150 厘米），可以在保持探头完全浸没的情况下完全浸没。
对于无法访问或需要更精确定位的情况，还可以使用 2Dex 即插即用传感器，可以安装在方便的表面上。 安装传感器需要更多的思考和努力，然后将布线从环境中引出到特斯拉计。这些传感器提供了上述校准霍尔探头的所有优点，但增加了在低温环境中内部安装的灵活性 .
直插式连接器提供了从传感器接线到在低温环境外延伸到特斯拉计的电缆的过渡。 如果特定低温环境需要，可以移除该直插式连接器以直接焊接到馈通件。 如果给定场景需要不同的接线，可以提供传感器定制以适应。
图 7a：室温探头配置。
图 7b：低温探头配置。
图 7a 和 7b：在低温下运行时特斯拉计配置的差异。 打开“低温运行”并设置补偿温度将最大限度地提高精度，同时最大限度地减少系统的热负荷。
图 9：即插即用型霍尔传感器，用于安装在无法从外部直接访问或需要额外定位精度的低温环境中。
上一条：高斯计暴露于外部磁场
