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化繁为简、历久弥新的匠心之作——综合物性测量系统 PPMS 30年

发布时间: 2023-04-10  点击次数: 398次


自1994年Quantum Design在美国圣地亚哥发布综合物性测量系统PPMS以来,从最初的灌液氦系统到现在的无液氦综合物性测量系统-DynaCool,已经经历了近30年的历史。在这几十年的发展历程中,设备在物理、化学、材料等领域有了广泛的应用,帮助科研工作者取得了巨大的成功。在过去的30年间,PPMS系列设备在全球销售安装了1500余套在中国地区也有近300,正不断助力和见证一个又一个科学前沿的突破和新材料研发的浪潮。



综合物性测量系统PPMS系列设备发展历程

 

在上世纪80年代末90年代初,凝聚态物理领域迎来了爆炸式的增长,从铜氧化物高温超导材料到锰氧化物的巨磁阻效应,越来越多的科研工作者进入到了低温实验物理的大军之中。仅仅能够用于磁学性质测量的MPMS系统已经不再能够满足各类材料性质探索的需求。


1994年一款基于低温强磁场环境的开放式设计多功能测量的平台也在Quantum Design紧锣密鼓的研发之下诞生了。第一台PPMS设备于1994年2月安装在普渡大学Purdue University,最初的PPMS系统设计采用了液氦制冷,能够提供液氦温区的极低温和强磁场环境,相比当时诸多简单的低温磁体系统,PPMS测量系统有着更加优异的控温机制,可以进行多种物理性质测试,如磁性、热性、电性等。


这一系统的推出,为材料和物理学研究带来了一场革命性的变革,研究人员可以更加简便的实现极低温和强磁场环境,并在此基础上深入地了解材料的性质和特性,推动了物理学领域的发展。


 综合物性测量系统PPMS加注液氦


步入2000年,大量低温相关的仪器设备不断涌现,从极低温制冷到大型磁体系统、医用设备等,液氦消耗量以肉眼可见的速度不断攀升,而作为一个稀缺资源,其价格也不断水涨船高,到2005年短短5年时间,液氦价格就翻了一倍。


Quantum Design从90年代末就意识到了这一点,开始了对PPMS产品线的液氦闭循环设计研发,1998年Quantum Design公司成功利用GM制冷机实现了液氦的闭循环利用,并推出了市面上早先液氦闭循环的低温磁体系统MPMS EverCool,并在随后的2000年推出了PPMS的EverCool解决方案,受到了世界范围内科学家的青睐。在提供更加稳定和可靠的温度控制的同时也减少了对昂贵的液氦的需求,降低了成本和使用难度。



综合物性测量系统PPMS EverCool 1代系统

 

2008年Quantum Design为了进一步减少低温设备的使用保养成本,对EverCool系统进行了大幅升级,采用变频式技术能够有效延缓GM制冷机的冷头损耗从而降低日常维护费用。


综合物性测量系统PPMS EverCool 2代系统

 

2000年后,随着商用化脉管制冷机技术的逐渐成熟,其极低的震动和更长的维护周期引发了低温设备厂商的广泛关注。Quantum Design也在历经近10年的研发历程后,于2010年推出无液氦设计的PPMS DynaCool,大幅提升系统制冷量的同时也为系统带来了更低的震动噪声和更少的氦气消耗。



2010年发布的无液氦综合物性测量系统PPMS-DynaCool


Quantum Design中国北京样机实验室的无液氦综合物性测量系统PPMS-DynaCool

 

此外Quantum Design在保持综合物性测量系统PPMS系统一贯良好继承性基础上,不断开发新的测量选件:将磁学测量温区拓展到1000K到50mK,覆盖了整个极低温至高温温度段。


稀释制冷机专用交流磁化率选件及测量数据

 

引入高频微波配合微波源能够对多种铁磁薄膜、自旋电子学器件进行频率相关的铁磁共振及自旋泵浦的测量。


铁磁共振测量功能选件

 

皮米精度的膨胀系数测量功能能够实现变温变磁场环境下的膨胀系数测量。



膨胀系数测量功能选件及数据

 

等静压电学和磁学测量高压样品腔成为了新兴超导材料探索的有力装备。



高压磁学和电学测量功能组件


 

中科大用户实验室PPMS设备照片

 

直至今日,从零开始搭建一个低温磁场实验测量平台依然不易,从硬件到编程到调试的每一个步骤可能都会遇到各种各样的挫折。在花费大量精力和成本后可能实验设备的可靠性、工作效率和可拓展性都较难令人满意,而一但需要交付给课题组的其他成员,培训过程又极其繁琐。而历经30年迭代成熟的PPMS产品从开箱安装到满负荷工作仅需短短2-3天的时间,即便是从未接触过低温实验的用户也仅仅只需要一周甚至更短的时间就能独立利用设备开展科研工作。让广大科研用户能把工作的重心充分投入到对物理材料科学领域的探索之中。

 

30年湿式灌液氦设计的PPMS即将完成它的使命,而采用全新无液氦干式设计的无液氦物性测量系统PPMS DynaCool系统将继续谱写新的征程。


相关产品:

1、综合物性测量系统-PPMS:https://www.chem17.com/product/detail/16863092.html

2、无液氦综合物性测量系统-DynaCool:https://www.chem17.com/product/detail/16863022.html

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