JP4092396B2 - Magnetization measuring device using helium-3 refrigerator - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、各種物質の極低温時の物性を研究するのに必要な磁化測定装置に関し、特に、従来からヘリウム4を用いて1.8K程度の極低温を発生させることができるMPMSを利用し、更にヘリウム3を用いるとともに、簡単な装置を付加するのみで0.3Kまでの極低温を発生させ、容易に所望の磁化測定を行うことができるようにしたヘリウム3冷凍機利用磁化測定装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
磁性体・超伝導体などの各種の物性を研究するには、磁化測定は欠かすことのできない手段であるが、現在、この磁化測定については、米国のQuantum Design社のMPMS(Magnetic Property Measurement System)(商品名、以下同様)という測定装置が、事実上の標準測定装置として広く用いられている。
【0003】
このMPMSの測定温度の上限は、高温オプションを導入することにより800Kに及ぶが、下限は液体ヘリウム4の減圧による1.8Kにとどまっている。そのため、近年注目を集めている、超伝導転移温度が1K前後であるRu系やRe系の超伝導酸化物、種々の重い電子系超伝導体などの特異な超伝導体の研究に際してその磁化測定をこのMPMSによって行うことは不可能である。なお、磁性体の例を挙げれば、世界初の純粋有機強磁性体であるpNPNNの強磁性転移温度は0.6Kであったため、手作りの装置で研究が行われた。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように、従来から広く用いられてきたMPMSは1.8K程度までしか温度が下がらないため、前記のように近年注目されている種々の物質の磁化測定を行うことができなかった。そのため、特別に1.8K以下で磁化測定を行うことができる装置を作成する必要があるが、その際はいわゆる特注品となるためきわめて高価なものとならざるを得ず、また汎用性がないため、作成された装置を広範な分野で使用することは困難である。
【0005】
また、このような特注品の装置では、超伝導干渉素子(SQUID)を用いて直流磁化を測定できるように構成することは極めて困難であり、交流磁化を測定するしかなくなる。しかしながら、このような交流磁化による測定は感度が低く、磁化の大きさを直接判定することができない。更に、直流磁化を測定する場合であっても、引き抜き法・振動試料法・磁場挿引法など旧式の測定法を用いることとなり、超高感度のSQUIDを用いて計測を行うことができなかった。そのため、上記のようなSQUIDを用いることにより得られる超高感度の恩恵を受けられずにいた。
【0006】
したがって本発明は、従来から広く用いられているMPMS(Magnetic Property Measurement System)を用いて、それに対して簡単な手段を付加するのみで0.3K程度の極低温を発生させることができるようにし、その極低温下で磁化特性を高感度で測定することができるようにした、ヘリウム3冷凍機利用磁化測定装置を提供することを主たる目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記のような現状を踏まえて、現在広く利用されている市販の磁化測定装置としてのMPMSを利用して、0.3Kまでの極低温下での磁化測定が可能な装置を開発したものである。また、この装置と本件発明者による先の発明である特願2001−353149号に示された技術を併用することで、0.3Kまでの電気抵抗およびホール効果測定を行うことができるようにしたものである。
【0008】
本発明の基本的な考え方は、MPMSが提供する1.8Kの空間を、補助ロータリーポンプにより1.5Kに下げ、その中に上下動可能な小型のヘリウム3冷凍機を挿入し、冷凍機全体をピックアップコイル中で上下させることで、直流磁化を測定するというものである。ヘリウム3冷凍機は試料の温度を0.3Kまで下げることができる。冷凍機全体を上下させることで、試料のみを液化ヘリウム3中で上下させる場合と異なり、試料温度を一定に保つことができる。本発明は上記のような基本的な技術思想に基づき、上記課題を解決するため下記のような構成を採用したものである。
【0009】
即ち、請求項1に係る発明は、試料を固定した試料ロッドと、前記試料ロッドを装着し、該試料ロッドの周囲にヘリウム3により冷却を行う空間を形成する主パイプを備えたヘリウム3冷凍機と、前記ヘリウム3冷凍機が挿入される筒体と、該筒体外周にヘリウム4による冷却手段を備え、超伝導磁石、磁場形成手段、温度調整手段、及び磁場調整手段を備えたSQUID素子を検出器とする磁化測定装置とを備え、前記SQUID素子を検出器とする磁化測定装置の筒体に前記ヘリウム3冷凍機を挿入し、該ヘリウム3冷凍機の主パイプに前記試料ロッドを装着したことを特徴とするヘリウム3冷凍機利用磁化測定装置としたものである。
【0010】
また、請求項2に係る発明は、前記主パイプは、外部のヘリウム3供給装置とベローズにより連通し、前記ヘリウム3冷凍機は、前記ベローズの可動範囲の空間を気密状態に保つためのボックスと、前記筒体に気密状態でボックスを装着するために設けられた下端開口と、前記主パイプとを備え、前記試料ロッドに温度測定手段及び温度可変手段とを備えるとともに、該温度測定手段及び温度可変手段と外部の制御装置とを信号線により接続したことを特徴とする請求項1記載のヘリウム3冷凍機利用磁化測定装置としたものである。
【0011】
また、請求項3に係る発明は、前記ヘリウム4による冷却手段には、前記SQUID素子を検出器とする磁化測定装置用主ポンプとは別設の補助ポンプを備えることを特徴とする請求項1記載のヘリウム3冷凍機利用磁化測定装置としたものである。
【0012】
また、請求項4に係る発明は、前記SQUID素子を検出器とする磁化測定装置と、前記ヘリウム3冷凍機前記試料ロッドに接続し、前記SQUID素子を検出器とする磁化測定装置の磁場制御前記SQUID素子を検出器とする磁化測定装置及びヘリウム3冷凍機並びに試料ロッドに設けたヒータによる試料温度制御と、試料ロッドに設けた試料の磁化測定作動とを制御する磁化測定装置用制御装置を備えたことを特徴とする請求項1記載のヘリウム3冷凍機利用磁化測定装置としたものである。
【0013】
【発明の実施の形態】
本発明の実施例を図面に沿って説明する。図1は本発明によるヘリウム3冷凍機利用磁化測定装置の構造を模式的に示すと共に、磁化測定装置用制御装置のソフト構成を示した図である。同図におけるヘリウム3冷凍機利用磁化測定装置の基本構成は、従来から上記のようにMPMSと称して広く用いられている装置の主要構成部分を利用した磁化測定装置1を用いている。この装置においては、内部の液体ヘリウム容器2に上部の開口から、後述するようなヘリウム3冷凍装置20を装着可能とし、このヘリウム3冷凍装置20内に、従来からMPMSに用いられているものと同様に試料ロッド5を装着することができるようにしている。
【0014】
この磁化測定装置1における測定装置としての基本機能は、試料ロッド5に固定した磁性試料によって発生する微小磁場を、超伝導体のジョセフソン効果を応用したSQUID素子で検出することができるようになっており、磁性物質の磁化率、磁化曲線、及び超伝導体試料のマイスナー効果の測定等を行うことができる。
【0015】
上記磁化測定装置1及びヘリウム3冷凍装置20等の、より詳細な構成は図2に分解図として、また図3に一部構成を拡大して示した模式図に示すように、液体ヘリウム4を収容する液体ヘリウム容器2内に、その上部開口から円筒状の外筒6が吊り下げられており、その下端面には液体ヘリウム容器2内に貯留される液体へリウム4中に延びて開口する細管7を備えている。
【0016】
この外筒6は液体ヘリウム容器2の上方外部に延び、その側壁部にポンプ接続用開口19を備えており、ポンプ接続用開口19には従来のMPMSにおいて備えている主ポンプ9が配管10によって接続されている。更にこの装置においては前記配管10に対して図1に示すように補助ポンプ11も接続しており、後述するように、主ポンプ9の作動に加えてこの補助ポンプ11を作動することによって、試料室12内をより低温にすることができるようにしている。
【0017】
外筒6の内側には円筒状の試料室内筒8を備え、その試料室内筒8の下端には細管7の開口から離れた位置に端面13を備えるとともに、その上端部は外筒6の上端部よりも更に上方に延び、試料装着開口14を形成しており、その直下に測定空間を大気から遮断するためのバルブ、試料ロッドが一部太くなっている部分をキャッチして試料ロッドを上下動させる駆動機構33が存在する。また試料装着開口14に対して、図2(c)に示すような蓋15、及び同図(b)に示すようなボックス16の下端開口17と、密封性良いウィルソンシール等のシール部材18により接続できるようになっている。なお、ウィルソンシールは、ねじを締めこむとOリングが中央のパイプを締め付けて真空を封止することができる。該シール部分はまた、ウィルソンシール方式に限られるものではなく、Oリングガスケットを用いたフランジで構成しても良い。
【0018】
図2(a)に示すように、下方に複数の試料片、ヒータ、温度センサ等の測定用部材21を固定した試料ロッド5は、図2(b)に示すようなヘリウム3冷凍装置20の蓋36を開けることにより、主パイプ23の上端部に形成した試料ロッド装着開口24から主パイプ23内に挿入して装着可能となっている。なお、上記のように試料ロッド5を主パイプ23内に挿入した際には、試料ロッド装着開口24部分に設けたウィルソンシール等のシール部材38により密封性良くシールを行うことができるようにしている。なお、図示実施例においては、主パイプ23の下部外周に断熱真空部材29を設け、主パイプ23内部をその外部の試料室12の空間から断熱を行うようにしている。
【0019】
ヘリウム3冷凍装置20は図2(b)、或いは図3の模式図に示すように、主パイプ23の上部側壁に設けた開口25と、ボックス16の側壁26の開口27との間をベローズ28によって接続し、ヘリウム3のガスハンドリングシステム30によって、後述するように主パイプ23内の排気、主パイプ23へのヘリウム3の導入、気化ヘリウム3の排出による減圧を行うことができるようにしている。なお、ヘリウム3のガスハンドリングシステム30と開口27との間は配管31により接続し、その途中にバルブ32を設けている。
【0020】
また、このようなヘリウム3のガスハンドリングシステム30を設けたものにおいて、主パイプ23をボックス16に対して移動可能とし、それにより、磁化測定装置1の外筒6に固定されるボックス16に対して、移動装置33により主パイプ23を上下動可能とし、試料ロッド5を測定時に上下動させ、外筒6の外周に巻き付けられたピックアップコイルに、試料の磁化に比例した誘導起電力を発生せしめ、SQUIDにて検出する。
【0021】
図2(b)に示すように、ボックス16の側壁26から内部に対して信号線34を延出しており、図1及び図3に示すように主パイプ23に試料ロッド5を装着した際には、試料ロッド5の上端部に設けたコネクタ35に接続する。それにより、図1に示すような磁化測定装置用制御装置40と信号の授受を可能としている。なお、磁化測定装置1においても、その内部の磁場制御、温度制御のため、磁化測定装置用制御装置40と接続可能となっている。
【0022】
磁化測定装置用制御装置40は図1に示すように、従来から磁化測定装置1の制御用ソフトとして既に存在するMV(Multi-View)ソフト41を用いて作動させることができ、本発明においてはヘリウム3冷凍装置20を用いてヘリウム3の0.3〜2Kの温度範囲の磁化測定を行うため、図中i-Helium3として示しているソフト42を更に用いている。
【0023】
このi-Helium3のソフト42によって、試料ロッド5上の試料・温度センサー・ヒーターとの入出力を単独で直接行うことができ、また、この磁化測定装置が所定の作動を行うことができるように、予め利用者が測定作動指令としての測定用基本データ入力43を行うようにしている。それにより、測定作動中はi-Helium3のソフトの指令が、現在広く用いられているHSPソフト44を介してMVソフト41を作動させ、MVソフト41のシーケンス制御手段によって、磁化測定装置1内の磁場制御、試料の磁化測定、更には試料磁化測定信号の入力処理等を行うことができるようにしている。
【0024】
上記のような装置を組み合わせて構成した本発明によるヘリウム3冷凍機利用磁化測定装置において、その使用に際しては、最初図2に示すように各部材が分解されている状態から、図2(a)に示すように温度センサーとヒーターが固定されている試料ロツド5に試料を装着し、図2(b)に示すようなボックス16の天井部の蓋36を開けて主パイプ23の試料ロッド装着開口24中に挿入した後、図3に示すように主パイプ23の上端部のウィルソンシール等のシール部材38により確実にシールを行う。
【0025】
その後、試料ロッド5上部のコネクタ35に、ボックス16内に延出している信号線34のコネクタを連結する。この信号線34を通じて試料温度の計測とその制御が行なわれる。次いでボックス16天井部の蓋36を閉めて内部を密封する。その後、図1に示すヘリウム3のガスハンドリングシステム30により、ベローズ28を介して主パイプ23内を高真空排気系で予備排気し、その状態でバルブ32を閉じる。
【0026】
次いで、磁化測定装置用制御装置40のMPMS制御ソフトであるMVソフトの機能を用いて試料空間を300Kに暖め、ベントバルブを開けてヘリウムガスのカーテンができるようにしておき、図2(c)に示す試料室内筒8の最上部の試料装着開口14の蓋15を開ける。この試料装着開口14に対して、前記のように試料ロッド5を装着したヘリウム3冷凍装置20の主パイプ23を挿入し、試料装着開口14とボックス16の下端開口17とを当接させ、シール部材18で封止する。なおこのシール部材18は、MPMSの標準品ではシール性が不十分であるので、上記のようにウィルソンシールに交換し、シール性を高めている。
【0027】
その後、バルブ32を解放し、ヘリウム3のガスハンドリングシステム30によって主パイプ23内を高真空に排気しながら、磁化測定装置用制御装置40におけるMPMSの制御ソフトであるMVソフト41の機能により主ポンプ9を作動し、試料空間を1.8Kに冷却する。ここでロータリポンプ等からなる補助ポンプ11を更に稼動させると、試料空間の温度を約1.5Kに下げることができる。
【0028】
この状態で、ヘリウム3ガスハンドリングシステム30の作動により、液体窒素トラップを通じてヘリウム3ガス(3Heガス)を主パイプ23内に導入すると、ヘリウム3ガスが液化され、主パイプ23の下方に貯留する。所定量の液化ヘリウム3ガスの貯留後、ヘリウム3ガスハンドリングシステム30の作動により閉鎖排気系を用いて主パイプ23内のヘリウム3ガスを排気することにより、試料ロッド5の下端部に取り付けた試料の周囲を0.3Kの低温に維持することが可能となる。
【0029】
その後は、測定者の必要に応じて試料の温度と磁場を制御しつつ、MPMSの測定ソフトの機能によりデータを取得していくことになるが、その際は、図1に示す磁化測定装置用制御装置40の前記のようなソフトによって作動させることができるものであるが、従来よりMPMSにおいて用いているMV(Multi-View)ソフト41で作動させることができない部分はこれを補うために開発したi-Helium3のソフト42によって作動させることができるようにしている。
【0030】
i-Helium3は二つの機能を持つ。一つは、i)0.3〜2Kの温度測定・制御で、もう一つは、ii)MVをHSPを介して間接的に制御し、データを自動的にとらせることである。i)の機能だけでも、測定者がMVを直接操作すれば測定は可能であるが、それでは多くのデータをとりたい場合非常に不便なので、ii)の機能を付け加えた。即ち、測定者はi-Helium3に対して、必要な温度変化・磁場変化の指示を一度に与える。i-Helium3は必要な温度点を、PID温度制御機構付き抵抗ブリッジを制御して自ら作り出し、磁場に関してはHSPを介してMVを間接的に制御して、必要な磁場を作り出す。その後、i-Helium3はMVを間接制御して、試料がセットされたヘリウム3冷凍機を上下動させて、磁化のデータを取得する。
【0031】
なお、先の出願の磁気測定装置においては、MPMSを制御するコンピューターと電気抵抗・ホール効果等を測定するコンピューターは別のものとしていたが、上記実施例に示す装置においては、オペレーティングシステムのメッセージを発行する方法により、1台にまとめることができ、さらに測定の制御を行なうソフトウェアも一つにまとめることができるようになった。
【0032】
上記構造をなし、前記のように作動する本発明のヘリウム3冷凍装置利用磁気測定装置は、従来から広く用いられているMPMSを利用して、主パイプ23内の空間を0.3K迄の低温の試料空間とすることができるので、これを上記のような磁化測定装置として用いる以外に、更に汎用的に用いることができる、例えば電気抵抗・ホール効果の測定も可能である。
【0033】
【発明の効果】
本発明は上記のように構成したので、従来から広く用いられているMPMSを用い、それに対して簡単な手段を付加するのみで0.3K程度の極低温を発生させることができ、その極低温下で磁化特性等の物性を高感度で測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例のシステム構成図である。
【図2】同実施例の分解断面図である。
【図3】同実施例の主要構成部の模式図である。
【符号の説明】
1 磁化測定装置
2 液体ヘリウム容器
5 試料ロッド
6 外筒
7 細管
9 主ポンプ
10 配管
11 補助ポンプ
12 試料室
13 端面
14 試料装着開口
15 蓋
16 ボックス
17 下端開口
18 シール部材
19 ポンプ接続用開口
20 ヘリウム3冷凍装置
21 測定用部材
23 主パイプ
24 試料ロッド装着開口
25 開口
26 側壁
27 開口
28 ベローズ
29 断熱真空部材
30 ガスハンドリングシステム
31 配管
32 バルブ
33 移動装置
34 信号線
35 コネクタ
40 磁化測定装置用制御装置
41 MVソフト
42 i-Helium3ソフト
43 測定用基本データ入力部
44 HSPソフト
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a magnetization measuring apparatus necessary for studying physical properties of various substances at cryogenic temperatures, and in particular, uses MPMS that can generate a cryogenic temperature of about 1.8 K using helium 4 conventionally. Furthermore, the present invention relates to a magnetization measuring apparatus using a helium 3 refrigerator, which uses helium 3 and generates a cryogenic temperature up to 0.3K by simply adding a simple device, and can easily perform desired magnetization measurement. .
[0002]
[Prior art]
Magnetization measurement is an indispensable means for studying various physical properties such as magnetic materials and superconductors. Currently, this magnetization measurement is based on MPMS (Magnetic Property Measurement System) of Quantum Design, USA. A measuring device (trade name, the same applies hereinafter) is widely used as a de facto standard measuring device.
[0003]
The upper limit of the measured temperature of this MPMS reaches 800K by introducing the high temperature option, but the lower limit remains at 1.8K due to the decompression of the liquid helium 4. Therefore, the magnetization measurement is being conducted in the research of special superconductors such as Ru-based and Re-based superconducting oxides and various heavy electron-based superconductors that have attracted attention in recent years. Is not possible with this MPMS. As an example of a magnetic material, pNPNN, the world's first pure organic ferromagnet, had a ferromagnetic transition temperature of 0.6 K, so research was conducted with a handmade device.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, the temperature of MPMS, which has been widely used in the past, can only be lowered to about 1.8 K, and as described above, it has not been possible to measure the magnetization of various substances that have been attracting attention in recent years. Therefore, it is necessary to create a device that can perform magnetization measurement at 1.8K or less, but in that case, it becomes a so-called custom-made product, so it must be very expensive and not versatile. Therefore, it is difficult to use the created device in a wide range of fields.
[0005]
In addition, it is extremely difficult to configure such a custom-made device so as to be able to measure DC magnetization using a superconducting interference element (SQUID), and it is only possible to measure AC magnetization. However, such AC magnetization measurement has low sensitivity, and the magnitude of magnetization cannot be determined directly. Furthermore, even when measuring DC magnetization, old measurement methods such as the extraction method, vibration sample method, and magnetic field insertion method were used, and measurement could not be performed using the ultra-sensitive SQUID. . For this reason, the benefits of ultra-high sensitivity obtained by using the SQUID as described above cannot be obtained.
[0006]
Therefore, the present invention can generate a cryogenic temperature of about 0.3 K by simply adding a simple means to the conventional MPMS (Magnetic Property Measurement System), It is a main object to provide a magnetization measuring apparatus using a helium 3 refrigerator capable of measuring the magnetization characteristics with high sensitivity at the extremely low temperature.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
The present invention has developed an apparatus capable of measuring magnetization at a cryogenic temperature of up to 0.3K by utilizing MPMS as a commercially available magnetization measuring apparatus that is currently widely used in light of the above-described present situation. Is. In addition, by using this apparatus in combination with the technique disclosed in Japanese Patent Application No. 2001-353149, which is the previous invention by the present inventor, the electrical resistance and Hall effect measurement up to 0.3K can be performed. Is.
[0008]
The basic idea of the present invention is that the 1.8K space provided by MPMS is lowered to 1.5K by an auxiliary rotary pump, and a small helium 3 refrigerator that can be moved up and down is inserted into the space. The DC magnetization is measured by moving up and down in the pickup coil. The helium 3 refrigerator can reduce the temperature of the sample to 0.3K. By moving the entire refrigerator up and down, the sample temperature can be kept constant, unlike the case where only the sample is moved up and down in the liquefied helium 3. The present invention adopts the following configuration in order to solve the above-described problems based on the basic technical idea as described above.
[0009]
That is, the invention according to claim 1 is a helium 3 refrigerator equipped with a sample rod on which a sample is fixed, and a main pipe which is mounted with the sample rod and forms a space for cooling with helium 3 around the sample rod. When a cylindrical body in which the helium 3 refrigerator is to be inserted, provided with a cooling means according to helium 4 in the cylindrical body periphery, superconducting magnet, the magnetic field forming means, temperature control means, and a SQUID device having a magnetic field adjustment means A helium 3 refrigerator is inserted into a cylinder of the magnetization measuring device having the SQUID element as a detector, and the sample rod is attached to a main pipe of the helium 3 refrigerator. This is a magnetization measuring device using a helium 3 refrigerator.
[0010]
In the invention, the primary pipe is communicated with the outside of the helium-3 supply device and base rose, the helium 3 refrigerator box for keeping the space of the movable range of the bellows airtight according to claim 2 When a lower end opening provided to mount the box in an airtight state to the cylindrical body, and a said main pipe, Rutotomoni and a temperature measuring means and temperature varying means to the sample rod, the temperature measuring means And a temperature variable means and an external control device are connected by a signal line .
[0011]
The invention according to claim 3 is characterized in that the cooling means by the helium 4 is provided with an auxiliary pump provided separately from the main pump for the magnetization measuring device using the SQUID element as a detector. The described helium-3 freezer-based magnetization measurement device.
[0012]
Further, the invention includes a magnetization measuring device according to the detector the SQUID element and the helium 3 refrigerator, connected to the sample rod, the magnetic field of the magnetization measuring apparatus for a detector of the SQUID element according to claim 4 control and a sample temperature control by a heater provided in the magnetization measuring device and helium 3 refrigerator and samples rod and detector the SQUID element, for magnetization measuring device for controlling the magnetization measurement operation of the sample provided to the sample rod 2. A magnetization measuring apparatus using a helium 3 refrigerator according to claim 1 , further comprising a control device.
[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a diagram schematically showing the structure of a magnetization measuring apparatus using a helium 3 refrigerator according to the present invention and a software configuration of a control apparatus for a magnetization measuring apparatus. The basic configuration of the magnetization measuring apparatus using the helium 3 refrigerator shown in FIG. 1 uses the magnetization measuring apparatus 1 that uses the main components of an apparatus that has been widely used conventionally as MPMS as described above. In this apparatus, a helium 3 refrigeration apparatus 20 as will be described later can be attached to an internal liquid helium container 2 through an upper opening, and this helium 3 refrigeration apparatus 20 has been conventionally used for MPMS. Similarly, the sample rod 5 can be mounted.
[0014]
The basic function of the magnetization measuring apparatus 1 as a measuring apparatus is that a micro magnetic field generated by a magnetic sample fixed to the sample rod 5 can be detected by a SQUID element applying the Josephson effect of a superconductor. Therefore, it is possible to measure the magnetic susceptibility, the magnetization curve, and the Meissner effect of the superconductor sample.
[0015]
More detailed configurations of the magnetization measuring device 1 and the helium 3 refrigeration device 20 and the like are shown in an exploded view in FIG. 2 and in a schematic diagram in which a part of the configuration is enlarged in FIG. A cylindrical outer cylinder 6 is suspended from the upper opening in the liquid helium container 2 to be accommodated, and the lower end surface of the liquid helium container 2 extends into the liquid helium 4 and opens. A thin tube 7 is provided.
[0016]
The outer cylinder 6 extends to the upper outside of the liquid helium container 2 and is provided with a pump connection opening 19 in a side wall portion thereof. A main pump 9 provided in the conventional MPMS is connected to the pump connection opening 19 by a pipe 10. It is connected. Further, in this apparatus, an auxiliary pump 11 is also connected to the pipe 10 as shown in FIG. 1, and, as will be described later, by operating the auxiliary pump 11 in addition to the operation of the main pump 9, The interior of the chamber 12 can be cooled further.
[0017]
A cylindrical sample chamber cylinder 8 is provided inside the outer cylinder 6, and an end surface 13 is provided at a position away from the opening of the thin tube 7 at the lower end of the sample chamber cylinder 8, and its upper end is the upper end of the outer cylinder 6. The sample mounting opening 14 is formed further upward than the section, and a valve for blocking the measurement space from the atmosphere immediately below it, catching the part where the sample rod is partially thick, and moving the sample rod up and down There is a drive mechanism 33 to be moved. 2C, the lower end opening 17 of the box 16 as shown in FIG. 2B, and a sealing member 18 such as a Wilson seal with good sealing performance. It can be connected. In the Wilson seal, when the screw is tightened, the O-ring can tighten the central pipe to seal the vacuum. The seal portion is not limited to the Wilson seal method, and may be constituted by a flange using an O-ring gasket.
[0018]
As shown in FIG. 2 (a), a sample rod 5 having a plurality of sample pieces, heaters, temperature sensors and other measurement members 21 fixed below is provided on a helium 3 freezer 20 as shown in FIG. 2 (b). By opening the lid 36, it can be inserted into the main pipe 23 through the sample rod mounting opening 24 formed at the upper end of the main pipe 23. When the sample rod 5 is inserted into the main pipe 23 as described above, the seal member 38 such as a Wilson seal provided in the sample rod mounting opening 24 can be sealed with good sealing performance. Yes. In the illustrated embodiment, a heat insulating vacuum member 29 is provided on the outer periphery of the lower portion of the main pipe 23 to insulate the inside of the main pipe 23 from the space of the sample chamber 12 outside thereof.
[0019]
As shown in FIG. 2B or the schematic diagram of FIG. 3, the helium 3 refrigeration apparatus 20 has a bellows 28 between an opening 25 provided in the upper side wall of the main pipe 23 and an opening 27 in the side wall 26 of the box 16. And the gas handling system 30 of helium 3 makes it possible to perform decompression by exhausting the main pipe 23, introducing helium 3 into the main pipe 23, and discharging vaporized helium 3, as will be described later. . The gas handling system 30 of helium 3 and the opening 27 are connected by a pipe 31, and a valve 32 is provided in the middle.
[0020]
Further, in the case where such a helium 3 gas handling system 30 is provided, the main pipe 23 can be moved with respect to the box 16, whereby the box 16 fixed to the outer cylinder 6 of the magnetization measuring device 1 is made. Thus, the main pipe 23 can be moved up and down by the moving device 33, the sample rod 5 is moved up and down at the time of measurement, and an induced electromotive force proportional to the magnetization of the sample is generated in the pickup coil wound around the outer periphery of the outer cylinder 6. , Detected by SQUID.
[0021]
As shown in FIG. 2B, the signal line 34 extends from the side wall 26 of the box 16 to the inside, and when the sample rod 5 is attached to the main pipe 23 as shown in FIGS. Is connected to a connector 35 provided at the upper end of the sample rod 5. Thereby, it is possible to exchange signals with the control device 40 for magnetization measuring apparatus as shown in FIG. The magnetization measuring device 1 can also be connected to the magnetization measuring device control device 40 for the internal magnetic field control and temperature control.
[0022]
As shown in FIG. 1, the magnetization measuring device control device 40 can be operated using MV (Multi-View) software 41 that has already existed as control software for the magnetization measuring device 1, and in the present invention, In order to perform the magnetization measurement of the helium 3 in the temperature range of 0.3 to 2 K using the helium 3 refrigeration apparatus 20, software 42 shown as i-Helium 3 in the figure is further used.
[0023]
The i-Helium 3 software 42 allows direct input / output to / from the sample, temperature sensor, and heater on the sample rod 5, and also allows the magnetization measuring apparatus to perform a predetermined operation. The user performs the measurement basic data input 43 as a measurement operation command in advance. As a result, during the measurement operation, the i-Helium 3 software command activates the MV software 41 through the currently widely used HSP software 44, and the sequence control means of the MV software 41 causes the magnetization measuring device 1 to Magnetic field control, sample magnetization measurement, sample magnetization measurement signal input processing, and the like can be performed.
[0024]
In the magnetization measuring apparatus using a helium 3 refrigerator according to the present invention configured by combining the above-described apparatuses, when the apparatus is used, the members are first disassembled as shown in FIG. As shown in FIG. 2, the sample is mounted on the sample rod 5 to which the temperature sensor and the heater are fixed, the ceiling 36 of the box 16 is opened as shown in FIG. 2B, and the sample rod mounting opening of the main pipe 23 is opened. After being inserted into 24, as shown in FIG. 3, sealing is securely performed by a sealing member 38 such as a Wilson seal at the upper end of the main pipe 23.
[0025]
Thereafter, the connector of the signal line 34 extending into the box 16 is connected to the connector 35 above the sample rod 5. The sample temperature is measured and controlled through the signal line 34. Next, the lid 36 on the ceiling of the box 16 is closed to seal the inside. Thereafter, the inside of the main pipe 23 is preliminarily evacuated by a high vacuum exhaust system via the bellows 28 by the gas handling system 30 of helium 3 shown in FIG. 1, and the valve 32 is closed in this state.
[0026]
Next, the sample space is heated to 300 K using the function of MV software, which is the MPMS control software of the control device 40 for the magnetization measuring apparatus, and the vent valve is opened so that a curtain of helium gas can be produced. FIG. The lid 15 of the uppermost sample mounting opening 14 of the sample chamber cylinder 8 shown in FIG. The main pipe 23 of the helium 3 refrigeration apparatus 20 with the sample rod 5 mounted thereon is inserted into the sample mounting opening 14, and the sample mounting opening 14 and the lower end opening 17 of the box 16 are brought into contact with each other for sealing. Sealed with the member 18. Since the seal member 18 is not sufficiently sealed with a standard MPMS product, it is replaced with a Wilson seal as described above to enhance the seal property.
[0027]
Thereafter, the valve 32 is released, and the main pump 23 is exhausted to a high vacuum by the gas handling system 30 of helium 3, and the main pump is operated by the function of the MV software 41 which is the control software of the MPMS in the control device 40 for the magnetization measuring device. 9 is activated and the sample space is cooled to 1.8K. Here, when the auxiliary pump 11 including a rotary pump is further operated, the temperature of the sample space can be lowered to about 1.5K.
[0028]
In this state, when helium 3 gas ( 3 He gas) is introduced into the main pipe 23 through the liquid nitrogen trap by the operation of the helium 3 gas handling system 30, the helium 3 gas is liquefied and stored below the main pipe 23. . After storing a predetermined amount of liquefied helium 3 gas, the helium 3 gas handling system 30 is operated to evacuate the helium 3 gas in the main pipe 23 using a closed exhaust system, whereby the sample attached to the lower end of the sample rod 5 Can be maintained at a low temperature of 0.3K.
[0029]
Thereafter, data is acquired by the function of the measurement software of MPMS while controlling the temperature and magnetic field of the sample according to the needs of the measurer. In this case, for the magnetization measuring apparatus shown in FIG. Although it can be operated by the software of the control device 40 as described above, a part that cannot be operated by the MV (Multi-View) software 41 used in MPMS has been developed to compensate for this. It can be operated by the software 42 of i-Helium3.
[0030]
i-Helium3 has two functions. One is i) temperature measurement / control of 0.3 to 2K, and the other is ii) indirectly controlling the MV through the HSP and automatically taking the data. Although only the function i) can be measured if the measurer directly operates the MV, it is very inconvenient if a large amount of data is to be taken, so the function ii) was added. That is, the measurer gives instructions for necessary temperature change and magnetic field change to i-Helium 3 at a time. i-Helium3 creates a necessary temperature point by controlling a resistance bridge with a PID temperature control mechanism, and indirectly controls MV via HSP to create a necessary magnetic field. Thereafter, the i-Helium 3 indirectly controls the MV to move the helium 3 refrigerator in which the sample is set up and down to acquire magnetization data.
[0031]
In the magnetic measurement apparatus of the previous application, the computer for controlling the MPMS and the computer for measuring the electric resistance / Hall effect, etc. were different, but in the apparatus shown in the above embodiment, the operating system message is displayed. By publishing method, it can be integrated into one unit, and software for controlling measurement can also be integrated into one unit.
[0032]
The magnetic measuring apparatus using the helium 3 refrigeration apparatus of the present invention having the above structure and operating as described above uses the MPMS that has been widely used in the past, so that the space in the main pipe 23 can be cooled to a temperature as low as 0.3K. In addition to using this as a magnetization measuring device as described above, it can also be used for general purposes, for example, measuring electrical resistance and Hall effect.
[0033]
【The invention's effect】
Since the present invention is configured as described above, it is possible to generate a cryogenic temperature of about 0.3 K by using a widely used MPMS and adding simple means thereto. Under this, physical properties such as magnetization characteristics can be measured with high sensitivity.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a system configuration diagram of an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an exploded sectional view of the same embodiment.
FIG. 3 is a schematic diagram of main components of the same embodiment.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Magnetization measuring apparatus 2 Liquid helium container 5 Sample rod 6 Outer cylinder 7 Narrow tube 9 Main pump 10 Pipe 11 Auxiliary pump 12 Sample chamber 13 End surface 14 Sample mounting opening 15 Lid 16 Box 17 Lower end opening 18 Seal member 19 Pump connection opening 20 Helium 3 Refrigerating device 21 Measuring member 23 Main pipe 24 Sample rod mounting opening 25 Opening 26 Side wall 27 Opening 28 Bellows 29 Heat insulating vacuum member 30 Gas handling system 31 Pipe 32 Valve 33 Moving device 34 Signal line 35 Connector 40 Magnetization measuring device control device 41 MV software 42 i-Helium3 software 43 Basic data input unit for measurement 44 HSP software

Claims (4)

試料を固定した試料ロッドと、
前記試料ロッドを装着し、該試料ロッドの周囲にヘリウム3により冷却を行う空間を形成する主パイプを備えたヘリウム3冷凍機と、
前記ヘリウム3冷凍機が挿入される筒体と、該筒体外周にヘリウム4による冷却手段を備え、超伝導磁石、磁場形成手段、温度調整手段、及び磁場調整手段を備えたSQUID素子を検出器とする磁化測定装置とを備え
前記SQUID素子を検出器とする磁化測定装置の筒体に前記ヘリウム3冷凍機を挿入し、該ヘリウム3冷凍機の主パイプに前記試料ロッドを装着したことを特徴とするヘリウム3冷凍機利用磁化測定装置。
A sample rod to which the sample is fixed;
A helium 3 refrigerator equipped with a main pipe which is mounted with the sample rod and forms a space for cooling with helium 3 around the sample rod;
A cylindrical body in which the helium 3 refrigerator is to be inserted, provided with a cooling means according to helium 4 in the cylindrical body periphery, superconducting magnet, the magnetic field forming means, temperature control means, and a SQUID device having a magnetic field adjustment means detector and a magnetizing measuring device according to,
Use of the helium 3 refrigerator, wherein the helium 3 refrigerator is inserted into a cylinder of a magnetization measuring device using the SQUID element as a detector, and the sample rod is attached to a main pipe of the helium 3 refrigerator. Magnetization measuring device.
前記主パイプは、外部のヘリウム3供給装置とベローズにより連通し、
前記ヘリウム3冷凍機は、前記ベローズの可動範囲の空間を気密状態に保つためのボックスと、前記筒体に気密状態でボックスを装着するために設けられた下端開口と、前記主パイプとを備え
前記試料ロッドに温度測定手段及び温度可変手段とを備えるとともに、該温度測定手段及び温度可変手段と外部の制御装置とを信号線により接続したことを特徴とする請求項1記載のヘリウム3冷凍機利用磁化測定装置。
It said main pipe is communicated with the outside of the helium-3 supply device and base Rose,
The helium 3 refrigerator includes a box for keeping a space in a movable range of the bellows in an airtight state, a lower end opening provided for mounting the box in an airtight state on the cylindrical body, and the main pipe. ,
Rutotomoni and a temperature measuring means and temperature varying means to the sample rod, the temperature measuring means and helium 3 refrigeration according to claim 1, characterized in that connected by the temperature varying means and an external control device and a signal line Machine-based magnetization measuring device.
前記ヘリウム4による冷却手段には、前記SQUID素子を検出器とする磁化測定装置用主ポンプとは別設の補助ポンプを備えることを特徴とする請求項1記載のヘリウム3冷凍機利用磁化測定装置。The helium 3 refrigerator-use magnetization measuring device according to claim 1, wherein the cooling means by the helium 4 includes an auxiliary pump separately provided from the main pump for the magnetization measuring device using the SQUID element as a detector. . 前記SQUID素子を検出器とする磁化測定装置と、前記ヘリウム3冷凍機前記試料ロッドに接続し、前記SQUID素子を検出器とする磁化測定装置の磁場制御前記SQUID素子を検出器とする磁化測定装置及びヘリウム3冷凍機並びに試料ロッドに設けたヒータによる試料温度制御と、試料ロッドに設けた試料の磁化測定作動とを制御する磁化測定装置用制御装置を備えたことを特徴とする請求項1記載のヘリウム3冷凍機利用磁化測定装置。 A magnetization measuring device according to the detector the SQUID element and the helium 3 refrigerator, connected to the sample rod, and the magnetic field control of the magnetization measuring apparatus for a detector of the SQUID element, a detector the SQUID element wherein the sample temperature control, further comprising: a magnetization measuring device control device for controlling the magnetization measurement operation of the sample provided to the sample rod by the heater provided in the magnetization measuring device and helium 3 refrigerator and samples rod to The helium 3 refrigerator-based magnetization measuring apparatus according to claim 1 .
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