CN110632423A - 一种低温物性测试系统及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种低温物性测试系统及装置，所述系统包括：多通道直流测试电路，用于根据第一待测样品的电压和电流对其进行直流电学参数表征；SQUID读出电路，用于读取第二待测样品的磁通或待转换为磁通的电信号，以对所述第二待测样品进行器件性能表征；其中，在对所述第一待测样品进行直流信号放大测试时，所述低温物性测试系统还包括：标准SQUID，设于所述样品安装区；此时所述标准SQUID的输入端电连接于所述多通道直流测试电路的输出端以作为所述多通道直流测试电路的次级放大电路，用于对所述多通道直流测试电路的输出信号进行放大。通过本发明解决了现有技术中没有高效低温物性测试系统的问题。

Description

一种低温物性测试系统及装置
技术领域
本发明涉及低温电子学测量领域，特别是涉及一种低温物性测试系统及装置。
背景技术
材料与器件的低温物性是当前研究的重要方向，不同的材料或器件在低温环境下，会表现出不同的性能，如金属材料在低温环境下表现出较低电阻特性，而半导体材料在低温环境下则表现出较高电阻特性。
对于一般器件，在一定温度范围内，随着温度降低，与温度相关的器件热噪声也随之降低，从而实现更佳的工作性能。因此，如何提供材料及器件的高效低温物性表征测试，是本领域技术人员迫切需要解决的问题。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种低温物性测试系统及装置，用于解决现有技术中没有高效低温物性测试系统的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种低温物性测试系统，所述低温物性测试系统包括：
多通道直流测试电路，用于根据第一待测样品的电压和电流对其进行直流电学参数表征；其中所述多通道直流测试电路包括：
样品绑定区，设于低温环境下，用于放置第一待测样品，同时引出电压引出端和电流引出端；
电压源，设于常温环境下且电连接于所述电压引出端，用于为所述第一待测样品提供电压或测量所述第一待测样品的输出电压；
电流源，设于常温环境下且电连接于所述电流引出端，用于为所述第一待测样品提供电流或测量所述第一待测样品的输出电流；
SQUID读出电路，用于读取第二待测样品的磁通或待转换为磁通的电信号，以对所述第二待测样品进行器件性能表征；其中所述SQUID读出电路包括：
样品安装区，设于低温环境下，用于放置第二待测样品，同时引出读出引线端；
SQUID控制器，设于常温环境下且电连接于所述读出引线端，用于读取所述第二待测样品的磁通或待转换为磁通的电信号；
其中，在对所述第一待测样品进行直流信号放大测试时，所述低温物性测试系统还包括：标准SQUID，设于所述样品安装区；此时所述标准SQUID的输入端电连接于所述多通道直流测试电路的输出端，所述标准SQUID的输出端电连接于所述SQUID控制器，以通过所述SQUID控制器控制所述标准SQUID的工作状态，使所述标准SQUID作为所述多通道直流测试电路的次级放大电路，对所述多通道直流测试电路的输出信号进行放大。
可选地，所述多通道直流测试电路还包括：低通滤波器，设于低温环境下、电连接于所述样品绑定区和所述电压引出端或所述样品绑定区和所述电流引出端之间，用于对所述多通道直流测试电路的输出信号进行低通滤波。
可选地，所述多通道直流测试电路还包括：低通滤波器，设于常温环境下、电连接于所述电压引出端和所述电压源之间或所述电流引出端和所述电流源之间，用于对所述多通道直流测试电路的输出信号进行低通滤波。
本发明还提供了一种低温物性测试装置，所述低温物性测试装置包括：
空心杆管，其一端设有装配接口，其另一端设有引出接口；
物性测试管，设于所述装配接口上，包括内设空腔的测试管主体，设于所述空腔内的基座，设于所述基座一端且具有样品绑定区的样品托，设于所述样品托上且电连接于所述样品绑定区的多通道引出PCB板，其中所述多通道引出PCB板具有电压引出端和电流引出端；设于所述基座另一端的样品筒，设于所述样品筒内的样品安装区，其中所述样品安装区具有读出引线端；
样品托引线端，设于所述引出接口，用于通过空心杆管内的电压连接线将所述电压引出端引出，通过空心杆管内的电流连接线将所述电流引出端引出；
样品筒引线端，设于所述引出接口，用于通过空心杆管内的读出连接线将所述读出引线端引出；
其中，在对第一待测样品进行直流电学参数表征时，所述第一待测样品放置于所述样品绑定区，此时所述电压引出端通过所述电压连接线电连接于电压源，所述电流引出端通过所述电流连接线电连接于电流源；在对第二待测样品进行器件性能表征时，所述第二待测样品放置于所述样品安装区，此时所述读出引线端通过所述读出连接线电连接于SQUID控制器；在对所述第一待测样品进行直流信号放大测试时，所述第一待测样品放置于所述样品绑定区，此时标准SQUID放置于所述样品安装区，所述标准SQUID的输入端电连接于所述多通道直流测试电路的输出端，所述读出引线端通过所述读出连接线电连接于SQUID控制器；其中所述空心杆管和所述物性测试管设于低温环境下，所述样品托引线端、所述样品筒引线端、所述电压源、所述电流源和所述SQUID控制器设于常温环境下。
可选地，所述多通道引出PCB板上还设有低通滤波器，其中所述低通滤波器电连接于所述样品绑定区和所述电压引出端或所述样品绑定区和所述电流引出端之间。
可选地，所述低温物性测试装置还包括：低通滤波器，设于常温环境下、电连接于所述电压引出端和所述电压源之间或所述电流引出端和所述电流源之间。
可选地，所述样品托通过多芯屏蔽线接地或浮地。
可选地，所述空心杆管的材质包括G10玻璃纤维；所述测试管主体的材质包括铌或铅，所述样品筒的材质包括铌或铅；所述样品托的材质包括铜镀金。
可选地，所述电压连接线和所述电流连接线采用多芯屏蔽双绞线。
如上所述，本发明低温物性测试系统及装置中，多通道直流测试电路和SQUID读出电路可独立工作，利用一次降温可独立对各自待测样品进行测试；也可联合工作，以在标准SQUID作为多通道直流测试电路的次级放大电路时，对多通道直流测试电路中待测样品的输出信号进行放大测试；即通过本发明低温物性测试系统及装置，大大增加了测试的灵活性和高效性。同时在多通道直流测试电路和SQUID读出电路联合工作时，结合多通道直流测试电路和标准SQUID，能够实现具有更高增益的两级SQUID放大系统，有利于压制系统后端噪声，达到更佳的系统噪声性能。
附图说明
图1显示为多通道直流测试电路独立工作时的等效电路图。
图2显示为SQUID读出电路独立工作时的等效电路图。
图3显示为多通道直流测试电路和SQUID读出电路联合工作时的等效电路图。
图4显示为低温物性测试装置的结构示意图。
图5显示为物性测试管的结构示意图。
元件标号说明
100 空心杆管
200 物性测试管
201 测试管主体
202 基座
203 样品托
204 样品绑定区
205 多通道引出PCB板
206 电压/电流引出端
207 样品筒
300 样品托引线端
400 样品筒引线端
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图1至图5。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，虽图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的形态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局形态也可能更为复杂。
实施例一
如图1至图3所示，本实施例提供一种低温物性测试系统，所述低温物性测试系统包括：
多通道直流测试电路，用于根据第一待测样品的电压和电流对其进行直流电学参数表征；其中所述多通道直流测试电路包括：
样品绑定区，设于低温环境下，用于放置第一待测样品，同时引出电压引出端和电流引出端；
电压源，设于常温环境下且电连接于所述电压引出端，用于为所述第一待测样品提供电压或测量所述第一待测样品的输出电压；
电流源，设于常温环境下且电连接于所述电流引出端，用于为所述第一待测样品提供电流或测量所述第一待测样品的输出电流；
SQUID读出电路，用于读取第二待测样品的磁通或待转换为磁通的电信号，以对所述第二待测样品进行器件性能表征；其中所述SQUID读出电路包括：
样品安装区，设于低温环境下，用于放置第二待测样品，同时引出读出引线端；
SQUID控制器，设于常温环境下且电连接于所述读出引线端，用于读取所述第二待测样品的磁通或待转换为磁通的电信号；
其中，在对所述第一待测样品进行直流信号放大测试时，所述低温物性测试系统还包括：标准SQUID，设于所述样品安装区；此时所述标准SQUID的输入端电连接于所述多通道直流测试电路的输出端，所述标准SQUID的输出端电连接于所述SQUID控制器，以通过所述SQUID控制器控制所述标准SQUID的工作状态，使所述标准SQUID作为所述多通道直流测试电路的次级放大电路，对所述多通道直流测试电路的输出信号进行放大。
作为示例，通过所述多通道直流测试电路对所述第一待测样品进行直流电学参数表征时，对应的等效电路如图1所示；其中第一待测样品放置于样品绑定区，电压源通过电压引出端为所述第一待测样品提供电压或测量所述第一待测样品的输出电压，电流源通过电流引出端为所述第一待测样品提供电流或测量所述第一待测样品的输出电流，从而根据电压源的电压和电流源的电流对所述第一待测样品进行直流电学参数表征，如I-V特性曲线表征、四线法测电阻等。具体的，所述第一待测样品为现有任一种可实现直流电学参数表征的材料或器件，如低温超导材料、低温超导器件、常温材料、常温器件等，本示例并不对其具体类型进行限定；同时电压引出端和电流引出端的数量根据实际需要进行设定，可以为一个，也可以为多个，本示例并不对其具体数量进行限定。
作为示例，通过所述SQUID读出电路对所述第二待测样品进行器件性能表征时，对应的等效电路如图2所示；其中所述第二待测样品放置于样品安装区，SQUID控制器通过读出引线端读取所述第二待测样品的磁通或待转换为磁通的电信号(如电压或电流等)，从而对所述第二待测样品进行器件性能表征，如磁通转换系数表征等。具体的，所述第二待测样品为SQUID、nano SQUID等同类型器件，所述SQUID控制器采用商用Magincon XXF-1，而读出引线端的数量则根据实际需要进行设定，可以为一个，也可以为多个，本示例并不对其具体数量进行限定。
作为示例，通过所述多通道直流测试电路和所述SQUID读出电路对所述第一待测样品进行直流信号放大测试时，对应的等效电路如图3所示；其中所述第一待测样品放置于样品绑定区，标准SQUID放置于样品安装区，所述多通道直流测试电路通过电压引出端或电流引出端作为输出端电连接于所述标准SQUID的输入端，所述标准SQUID的输出端电连接于所述SQUID控制器，此时所述SQUID控制器控制所述标准SQUID的工作状态，使所述标准SQUID作为所述多通道直流测试电路的次级放大电路，对所述多通道直流测试电路的输出信号进行放大，并最终通过SQUID控制器读出放大信号，从而实现对所述第一待测样品的输出信号(微弱电信号、微弱磁信号等)的放大测试，如超导Crytron开关测试等。电压引出端、电流引出端及读出引线端的数量根据实际需要进行设定，可以为一个，也可以为多个，本示例并不对其具体数量进行限定。
作为一示例，所述多通道直流测试电路还包括：低通滤波器，设于低温环境下、电连接于所述样品绑定区和所述电压引出端或所述样品绑定区和所述电流引出端之间，用于对所述多通道直流测试电路的输出信号进行低通滤波。
作为另一示例，所述多通道直流测试电路还包括：低通滤波器，设于常温环境下、电连接于所述电压引出端和所述电压源之间或所述电流引出端和所述电流源之间，用于对所述多通道直流测试电路的输出信号进行低通滤波。
实施例二
如图4和图5所示，本实施例提供一种低温物性测试装置，所述低温物性测试装置包括：
空心杆管100，其一端设有装配接口，其另一端设有引出接口；
物性测试管200，设于所述装配接口上，包括内设空腔的测试管主体201，设于所述空腔内的基座202，设于所述基座202一端且具有样品绑定区204的样品托203，设于所述样品托203上且电连接于所述样品绑定区204的多通道引出PCB板205，其中所述多通道引出PCB板205具有电压引出端和电流引出端206；设于所述基座202另一端的样品筒207，设于所述样品筒207内的样品安装区，其中所述样品安装区具有读出引线端；
样品托引线端300，设于所述引出接口，用于通过空心杆管100内的电压连接线将所述电压引出端引出，通过空心杆管100内的电流连接线将所述电流引出端引出；
样品筒引线端400，设于所述引出接口，用于通过空心杆管100内的读出连接线将所述读出引线端引出；
其中，在对第一待测样品进行直流电学参数表征时，所述第一待测样品放置于所述样品绑定区204，此时所述电压引出端通过所述电压连接线电连接于电压源，所述电流引出端通过所述电流连接线电连接于电流源；在对第二待测样品进行器件性能表征时，所述第二待测样品放置于所述样品安装区，此时所述读出引线端通过所述读出连接线电连接于SQUID控制器；在对所述第一待测样品进行直流信号放大测试时，所述第一待测样品放置于所述样品绑定区204，此时标准SQUID放置于所述样品安装区，所述标准SQUID的输入端电连接于所述多通道直流测试电路的输出端，所述读出引线端通过所述读出连接线电连接于SQUID控制器；其中所述空心杆管100和所述物性测试管200设于低温环境下，所述样品托引线端300、所述样品筒引线端400、所述电压源、所述电流源和所述SQUID控制器设于常温环境下。
作为示例，所述空心杆管100为空心圆柱状结构；本示例通过在空心圆柱状结构内部放置与各引出端电连接的连接线，以将各引出端通过连接线从低温环境引至常温环境。其中，所述空心杆管100的材质包括G10玻璃纤维；本示例采用热导较低的G10玻璃纤维制作所述空心杆管100，使其具有较好的隔热效果，从而能够降低杜瓦瓶中液氦的挥发率，进而提高液氦利用率。
作为示例，所述测试管主体201通过所述装配接口可拆卸地套设于所述空心杆管100的一端，所述基座202通过所述装配接口固定安装于所述空心杆管100的一端且位于所述测试管主体201内，所述样品托203和所述样品筒207通过固定件(如螺丝)固定安装于所述基座202上，所述多通道引出PCB板205通过固定件(如螺丝)固定安装于所述样品托203上；本示例所述物性测试管200在测试前期，需要将所述测试管主体201拆卸下来，以在样品绑定区安装第一待测样品，在样品安装区安装第二待测样品或标准SQUID，并通过电压连接线、电流连接线及/或读出连接线将电压引出端、电流引出端及/或读出引线端引出，之后将所述测试管主体201通过装配接口固定安装于所述空心杆管100上，再进行相应测试。其中，所述测试管主体201的材质包括铌或铅，所述样品筒207的材质包括铌或铅；本示例所述测试管主体201和所述样品筒207优选为相同材质，本示例通过采用双层筒结构，以在对第二待测样品(如SQUID或nano SQUID)进行器件性能表征时，双层筒结构具有更优的射频和静磁场屏蔽能力，从而使得测试结果更好地反映第二待测样品的本征特性，其中以铅筒为最佳。所述基座202的材质包括铜镀金，以使其具有较好的导热性。所述样品托203的材质包括铜镀金，以在将第一待测样品直接安装在样品托203上时，充分保证第一待测样品的降温冷却能力，同时保证其具有较好的导热性。所述电压连接线和所述电流连接线采用多芯屏蔽双绞线，以减小传输信号的电磁干扰，提高其抗干扰能力。需要注意的是，本示例所述电压引出端、所述电流引出端及所述读出引线端的数量根据实际需要进行设定，可以为一个，也可以为多个，本示例并不对其具体数量进行限定。
作为示例，所述样品托203通过多芯屏蔽线接地或浮地，其中多芯屏蔽线为12芯屏蔽线；具体所述样品托203是通过多芯屏蔽线接地还是浮地，需要根据实际测试时的测试噪声和电磁干扰情况决定。本示例通过样品托203接地或浮地设计，增强了其对外部磁场干扰的屏蔽效果。
作为示例，所述样品托引线端300和所述样品筒引线端400均为具有接头的多芯真空密封接线盒，以通过电压连接线将电压引出端从低温环境中引至常温环境中并通过接头电连接于电压源，通过电流连接线将电流引出端从低温环境中引至常温环境中并通过接头电连接于电流源，通过读出连接线将读出引线端从低温环境中引至常温环境中并通过接头电连接于SQUID控制器。
作为一示例，所述多通道引出PCB板205上还设有低通滤波器，所述低通滤波器电连接于所述样品绑定区203和所述电压引出端或所述样品绑定区203和所述电流引出端之间；其中所述低通滤波器的截止频率可根据测量需要，通过选择合适的电阻、电容或电感元件实现。
作为另一示例，所述低温物性测试装置还包括：低通滤波器，设于常温环境下、电连接于所述电压引出端和所述电压源之间或所述电流引出端和所述电流源之间；其中所述低通滤波器的截止频率可根据测量需要，通过选择合适的电阻、电容或电感元件实现。
综上所述，本发明低温物性测试系统及装置中，多通道直流测试电路和SQUID读出电路可独立工作，利用一次降温可独立对各自待测样品进行测试；也可联合工作，以在标准SQUID作为多通道直流测试电路的次级放大电路时，对多通道直流测试电路中待测样品的输出信号进行放大测试；即通过本发明低温物性测试系统及装置，大大增加了测试的灵活性和高效性。同时在多通道直流测试电路和SQUID读出电路联合工作时，结合多通道直流测试电路和标准SQUID，能够实现具有更高增益的两级SQUID放大系统，有利于压制系统后端噪声，达到更佳的系统噪声性能。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (9)

1.一种低温物性测试系统，其特征在于，所述低温物性测试系统包括：
多通道直流测试电路，用于根据第一待测样品的电压和电流对其进行直流电学参数表征；其中所述多通道直流测试电路包括：
样品绑定区，设于低温环境下，用于放置第一待测样品，同时引出电压引出端和电流引出端；
电压源，设于常温环境下且电连接于所述电压引出端，用于为所述第一待测样品提供电压或测量所述第一待测样品的输出电压；
电流源，设于常温环境下且电连接于所述电流引出端，用于为所述第一待测样品提供电流或测量所述第一待测样品的输出电流；
SQUID读出电路，用于读取第二待测样品的磁通或待转换为磁通的电信号，以对所述第二待测样品进行器件性能表征；其中所述SQUID读出电路包括：
样品安装区，设于低温环境下，用于放置第二待测样品，同时引出读出引线端；
SQUID控制器，设于常温环境下且电连接于所述读出引线端，用于读取所述第二待测样品的磁通或待转换为磁通的电信号；
其中，在对所述第一待测样品进行直流信号放大测试时，所述低温物性测试系统还包括：标准SQUID，设于所述样品安装区；此时所述标准SQUID的输入端电连接于所述多通道直流测试电路的输出端，所述标准SQUID的输出端电连接于所述SQUID控制器，以通过所述SQUID控制器控制所述标准SQUID的工作状态，使所述标准SQUID作为所述多通道直流测试电路的次级放大电路，对所述多通道直流测试电路的输出信号进行放大。
2.根据权利要求1所述的低温物性测试系统，其特征在于，所述多通道直流测试电路还包括：低通滤波器，设于低温环境下、电连接于所述样品绑定区和所述电压引出端或所述样品绑定区和所述电流引出端之间，用于对所述多通道直流测试电路的输出信号进行低通滤波。
3.根据权利要求1所述的低温物性测试系统，其特征在于，所述多通道直流测试电路还包括：低通滤波器，设于常温环境下、电连接于所述电压引出端和所述电压源之间或所述电流引出端和所述电流源之间，用于对所述多通道直流测试电路的输出信号进行低通滤波。
4.一种低温物性测试装置，其特征在于，所述低温物性测试装置包括：
空心杆管，其一端设有装配接口，其另一端设有引出接口；
物性测试管，设于所述装配接口上，包括内设空腔的测试管主体，设于所述空腔内的基座，设于所述基座一端且具有样品绑定区的样品托，设于所述样品托上且电连接于所述样品绑定区的多通道引出PCB板，其中所述多通道引出PCB板具有电压引出端和电流引出端；设于所述基座另一端的样品筒，设于所述样品筒内的样品安装区，其中所述样品安装区具有读出引线端；
样品托引线端，设于所述引出接口，用于通过空心杆管内的电压连接线将所述电压引出端引出，通过空心杆管内的电流连接线将所述电流引出端引出；
样品筒引线端，设于所述引出接口，用于通过空心杆管内的读出连接线将所述读出引线端引出；
其中，在对第一待测样品进行直流电学参数表征时，所述第一待测样品放置于所述样品绑定区，此时所述电压引出端通过所述电压连接线电连接于电压源，所述电流引出端通过所述电流连接线电连接于电流源；在对第二待测样品进行器件性能表征时，所述第二待测样品放置于所述样品安装区，此时所述读出引线端通过所述读出连接线电连接于SQUID控制器；在对所述第一待测样品进行直流信号放大测试时，所述第一待测样品放置于所述样品绑定区，此时标准SQUID放置于所述样品安装区，所述标准SQUID的输入端电连接于所述多通道直流测试电路的输出端，所述读出引线端通过所述读出连接线电连接于SQUID控制器；其中所述空心杆管和所述物性测试管设于低温环境下，所述样品托引线端、所述样品筒引线端、所述电压源、所述电流源和所述SQUID控制器设于常温环境下。
5.根据权利要求4所述的低温物性测试装置，其特征在于，所述多通道引出PCB板上还设有低通滤波器，其中所述低通滤波器电连接于所述样品绑定区和所述电压引出端或所述样品绑定区和所述电流引出端之间。
6.根据权利要求4所述的低温物性测试装置，其特征在于，所述低温物性测试装置还包括：低通滤波器，设于常温环境下、电连接于所述电压引出端和所述电压源之间或所述电流引出端和所述电流源之间。
7.根据权利要求4所述的低温物性测试装置，其特征在于，所述样品托通过多芯屏蔽线接地或浮地。
8.根据权利要求4所述的低温物性测试装置，其特征在于，所述空心杆管的材质包括G10玻璃纤维；所述测试管主体的材质包括铌或铅，所述样品筒的材质包括铌或铅；所述样品托的材质包括铜镀金。
9.根据权利要求4所述的低温物性测试装置，其特征在于，所述电压连接线和所述电流连接线采用多芯屏蔽双绞线。
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