QHR量子霍尔电阻系统 6800C

量子霍尔电阻（QHR）标准是国际公认的电阻基准，是目前已知的最稳定电阻基准。 许多国家实验室和工业实验室需要高度准确、可追溯的基准电阻来满足高科技的发展。MI公司开发的最新 6800C（QHR）标准系统，可用来满足各个国家实验室和基准实验室的需求。

 

6800C系统是全自动基标准电阻，基于使用的经济型和可重复性而开发，可提供高度可重复的电阻标准。整个系统是一个交钥匙系统，几乎不需要手动操作。

 

传统量子霍尔电阻所使用液氦，供应不稳定、价格持续上涨已经是常态。这种情况导致许多实验室难以有效地完成其测量工作。6800C系统无需液氦即可运行。

 

6800C是MI基于多年的量子霍尔系统设计、电阻测量和低温方面的经验而开发的。它采用模块化设计，由三部分组成：样本、低温系统和电桥测量系统。这些模块可以单独购买。MI同时提供多种选项，包括额外的QHR样本、6800C软件。

 

样本（量子器件）

QHE器件安装在一个特殊的探头上，该探头通过一个气闸，以保持系统的清洁以及没有大气体和其他可能凝结的杂质污染。在使用未受保护的QHE器件时尤为重要，因为它们必须免受水的污染。系统提供了两种探头，一种用于计量目的，另一种用作研究。

 

该系统专为双样本平台设计，以允许 GaAs/AlGaAs和石墨烯 QHR样本使用。 可以同时插入两个样本以进行样本间比较。

 

标准样本平台有 8个电气连接，使用 PTFE绝缘银线连接到TO8插座。 探头随机标配两个 TO8 样本平台。 铜盖是在插入和移除过程中保护样本。

 

6800C 电阻标准样本提供的电阻的绝对值与 von Klitzing 常数 相关，为25 812.807 4593 Ω。6800C 按步骤 i  = 2平台运行以及i = 4 平台运行，将6800C系统将 QHR值 12906.40373 Ω 与 10 kΩ 或 1 kΩ 电 阻器进行比较。基于镓的样本由加拿大国家研究委员会 (NRCC) 开发，基于石墨烯的样本由美国国家标准与技术研究院 (NIST) 开发。

 

6800C系统还支持其他厂家的样本。

 

低温制冷

6800C为客户提供超可靠和高性能的无冷冻剂磁体系统，在该标准系统中，样本空间温度范 围为 1.3 K至 300 K，磁场高达9特斯拉——所有这些都不需要制冷剂。同时 还可提供特殊的系统设计，为客户提供 0.3 K至 300 K的温度范围和高达 14特斯拉的磁体系统。

 

由于使用专利技术，整个系统由脉冲管低温冷却器操作。 在正常的测量序列中实现可靠、精确和高度稳定的温度控制。

 

一旦连接到主电源，这些系统可以在几个小时内打开并运行。 服务间隔 ≥ 30000小时，该系统可连续使用很长时间，或仅根据需要使用，为研究工作提供了灵活的时间和和理想的运行成本。

 

模块化和可配置的系统架构允许在紧凑型单垂直场低温磁铁中使用各种不同的样本探头，以 执行广泛的测量。

 

集成的可变温度插件 (VTI) 由低温冷却器冷却，并从外部储气罐自行生成少量液态 ⁴He。 气体⁴He由终止于焦耳-汤普森阀的串联换热器冷却。 在这里，气体膨胀、冷却等冷凝以提供低温环境。 使用外部机械真空泵将温度降低到 1.3 K。

 

通过位于样本空间顶部的气闸和闸阀顶部，将样本加载到样本通道柱中，以允许进入磁体温度 控制区域的中心。 无需将样本空间调至室温进行样本交换。 有经验的操作人员通常可以在几分钟内更换样本。 

 

6800C提供精确控制的环境，在其中执行所有样本测量。使用闭环中连续循环的 ⁴He气体流可实现mK水平的稳定温度控制。这种经过验证且可靠的技术在正常操作中不会浪费 ⁴He气体，并确保在低于1.3 K至100 K的范围内精确控制稳定的样本温度。

 

1 W低温冷却器提供足够的冷却，在 100 mK以内，即使在以 0.5 T/分钟的最低速率下，也可确保在距放置样本的 VTI底部至少5 cm的高度上保持稳定和均匀的温场环境。

 

可选 ³He: Helium-3 超低温插件

Helium-3 插件的低温范围旨在扩展实验温度范围。 仅使用 VTI的冷却能力和两个内部温度控制吸附泵，Helium-3插件的样本平台可以保持在从低于 300 mK到高于 10 K的任何温度。

 

插件安装在 6800C 可变温度空间内，并且3He 罐具有大约 1.5 cc 的液体3He工作容积。 标准插件具有镀金铜样本安装表面。对于 QHR，使用 TO8 插座固定在3He 罐上，并在室温下适合的低热电势接线连接到插座。

 

QHR 样本直接安装在内部真空室中的 3He探头上。 因为样本在3He容器之外，所以可以更换它而不会失去3He电荷。样本热接地良好，样本的所有接线均完全热接地，同时保持 QHR 工作所需的非常高的电绝缘水平。 

 

在3He探头上安装有温度计和加热器，以便测量和控制其温度。

 

冷却水机

脉冲管低温冷却器需要连续的冷却水流。我们建议使用循环水冷却器为低温冷却器的压缩机提供可靠的冷却水源。冷水机可以作为整个系统的一部分购买。

 

磁体

6800C低温恒温器包括我们的一种无液氦超导磁体，可产生中心孔径为52毫米的垂直磁场。在1 cm3的体积内，磁铁的均匀度为0.02 %。磁铁设计为使用120 A，5 V电源运行。

 

磁体参数

最大磁场范围	9 特斯拉
中心场均匀性	0.02 %（在1 cm³的磁场中心）
持续模式衰减率	10 ppm/小时
变化率	15 分钟至 9 特斯拉

 

测量系统

6800C的测量系统包括6020Q电桥，比率精度< 0.02 ppm。

 

自1994年以来，6010技术为全球校准实验室的直流电流比较器（ADCC）电桥性能设定了标准。如今，利用二十一世纪的AccuBridge® ADCC技术的6020Q，将这一顶级技术系列发展到了新的高度。

 

MI公司在电阻测量最主要的特点是开发了唯一的商用可移动量子霍尔系统6800C。它使用基于 AccuBridge® 技术的6020Q电桥作为在环境温度下运行的测量系统。电流范围从1mA到200 mA，用作量子霍尔电桥和电阻电桥。6020Q在主从绕组上都提高了安匝灵敏度（更多匝数）和一个新的电压反馈电路，以改善纳伏放大器的线性误差。

 

在世界各国的国家计量院应用中，MI的电阻计量和整个行业的17025认证方面拥有世界一流的专业知识。作为您的认证合作伙伴和全球支持合作伙伴，MI 提供先进的产品和知识，并可通过指导、系统设计、实施、校准服务和持续的专家支持确保您的应用。

 

6020Q量子霍尔电阻电桥，可用于通过测量和绘制场扫描、接触电阻（Vcr）、纵向电阻和 i = 2 稳态耗散，来表征GaAs/AlGaAs或石墨烯样本（Vxx），并将霍尔电阻（Vxy）量传到1000 Ω标准电阻器。

 

6020Q使用最新的技术，包括更高的安匝灵敏度，更广泛的电阻比、更好的线性度以及电压反馈电路带来的更高分辨率等，从而满足更严的校准规范和技术。除了更新的技术外，它还具有6010的可靠性、方便性、易用性、自动化、更快的测量速度。

 

6020Q是一款全自动电桥。其速度和测量精度使其成为全球各个国家计量院中首选的主要电阻电桥。它的设计具有灵活性和易用性，非常适合独立电阻校准。

 

6020Q有两个输入，Rx和Rs。当与4200系列扫描开关配合使用时，测量通道最多可达40个。测量可自动执行，并可用软件执行，延迟或设置测量。自动电流换向确保在测量时消除电桥和扫描开关的偏移和热电势的影响。可参考扫描开关部分了解详情。

 

6020Q 能够对QHR样本进行扫描检查、接触电阻、纵向电位差（耗散）和霍尔电阻测量。6020Q 可通过显示触摸屏操作，或通过GPIB端口进行控制。此外，6020Q本身可用作高精度直流电阻比电桥，用于校准使用1 Ω或10 KΩ标准电阻器。对于没有QHR系统的实验室，6020Q可用于从1 Ω至10 kΩ的电阻校准。 

 

 

 

 

 

 

 

 

6020Q

 

样本的量子化

扫描检查测量：6020Q通过将电流输入样本的源极和漏极，然后将其反转来执行场扫描检查测量。这允许测量样本上不同点之间的电位差。这些电位差可以在样本上的霍尔电阻Vxy（1-2或Vxy3-4）以及纵向电阻 Vxx（1-3）和Vxx（2-4）处测量。Vxy（1-2）和Vxy（3-4）应彼此紧密一致，Vxx（1-3）和Vxx（2-4）也同理如此。

 

接触电阻测量：是使用6020Q中的微伏检测器进行的。每次将QHR器件循环到室温并重新冷却时，测量接触电阻非常重要，因为大的接触电阻会导致QHR测量出现错误。6020Q在每个触点上依次使用三探针测量来测量接触电阻。接触电阻等于Vcr/I = 导线电阻 + 接触电阻 + 2-Deg电阻。理想情况下，接触电阻应小于1 Ω。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

耗散：为了准确传输 QHR 值，还需要测量纵向电位差。 这可以通过使用 6020Q Vxx 纳伏模式在 Vxx (1-3) 和 Vxx (2-4) 之间进行测量来实现。 进行此测量是为了验证 2-Deg 中没有耗散。 当 2-Deg 被量化时，Vxx 应该变为 0 并且应该小于 Vxy 的 2 × 10-8。

 

 

 

 

 

 

 

 

对于可溯源测量，QHR 值和相关不确定度被输入到电阻 ID 标准文件中，1000Ω传递电阻从键盘输入到被测量（未知）ID文件中。标准电阻（例如 1或10 k）在校准后会输入到标准文件中。要校准的电阻器输入到被测量（Rx）或未知文件中。测量功能，例如通过未知电阻的电流、稳定时间、测量次数和统计次数，也可以使用触摸屏上的键盘输入到程序文件中。

 

完整的系统集成、测试和安装

所有系统在交付前都在我们的工厂中进行了全面测试。我们并提供现场的安装，培训。该系统可以在 50 或 60 Hz 三相高压或低压下运行。 （参见低温冷却器规格）

 

技术指标

样本空间	30 mm / 40 mm
温度范围 (VTI 中连续气流)	低于 1.3 K 至 100 K使用 40立方米涡旋泵
温度控制	5 mK @ 10 K、10 mK @ 100 K
样本冷却至 1.3 K的典型冷却时间	10 分钟，VTI 制冷
典型 5 K 温度步长和        0.1 K温度范围的温度稳定时间	精度：1 – 70 K 70 – 200 K 200 – 300 K	稳定时间：1 分钟 10 分钟 15 分钟
制冷机
50 Hz 时的冷却功率	1 级： 35 W @ 45 K, 2 级：0.9 W @ 4.2 K
基础温度	< 3 K
方向	仅垂直
维护间隔	30,000小时 – 40,000小时
环境温度	5 °C ~ 35 °C
压缩机 – F70LP/H（水冷）
主电源要求	7.2 kW（稳态），8.5 kW（最大） 三相 F70LP：200 V @ 50 Hz 和 60 Hz F70H：380 - 415 V @ 50 Hz - 480 V @ 60 Hz
水冷	6.8 – 9 L/min
环境温度	5 °C ~ 35 °C
木炭吸收剂寿命	30,000小时
气体软管	20 A × 20 m
压缩机尺寸（宽x长x高）	444 x 529 x 576 (mm)
重量	100 kg

 

通用指标

基础温度	< 300 mK
工作温度范围	< 300 mK ~ 100 K
外径	22 mm (适配30 mm VTI)
3He容积	3He气体总体积1.5 STP升正常使用时的工作体积约为1.0 STP升
初始冷却时间	在标准无制冷剂VTI操作条件下，从室温样本变化到3He冷凝温度需要2小时
再冷凝时间	25分钟冷凝90%的3He电荷并将容器冷却至2 K以下

 

订购信息

型号	说明
CFMS-9T-30-H3	9 Tesla 无需制冷剂 QHR 系统
CFMS-9T-30-H3-3He	9 Tesla 无需制冷剂 QHR 系统，配置 He-3
CFMS-14T-30-H3	可选 14 Tesla 系统（配置 30 mm VTI）
CFMS-14T-30-H3-3He	可选 14 Tesla 系统（配置 30 mm VTI，配置 Hel-3）
包含	双采样 TO8 探头
	系统安装和培训
选件
Chiller	如果没有合适的冷水供应，则需要冷水机
4210A	10通道自动低热电势矩阵扫描开关，端子输入
4220A	20通道自动低热电势矩阵扫描开关，端子输入
9300A	标准电阻保存恒温箱
9400	基准电阻油槽
9210A	基准级油浸标准电阻，可选阻值1 Ω, 0.1 Ω
9210B	基准级油浸标准电阻，可选阻值10 Ω, 100 Ω, 1 kΩ, 10 kΩ, 100 kΩ
9331R	参考级空气标准电阻，可选阻值1 Ω, 10 Ω, 100 Ω, 1 kΩ, 10 kΩ, 100 kΩ
SPSCW30/100	四端字单芯镀银双绞屏蔽测试线30 米或 100 米
Ga-Sample	备用镓 QHR 样本（NRCC）
6020Q-NMI-Cal	6020Q NMI 5 点校准
6800C-NMI-Ver	6800C NMI QHR 比对
备件和消耗品	适用于压缩机的压缩机分子筛吸收器（30,000小时）
	VTI 泵备件套件尖端密封涡旋泵（9,000 小时）
	Ultragrade 19油，4升，用于气闸泵
	气闸泵旋转油雾滤芯
	用于气闸泵的旋转式除臭元件