Емкостный дилатометр для работы в составе установки PPMS QD
CAPACITIVE DILATOMETER FOR OPERATION IN PPMS QD INSTALLATION

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к технике, предназначенной для измерения малых деформаций, емкостным дилатометрам, и может быть использовано для определения коэффициента линейного температурного расширения, пьезоэлектрического эффекта и магнитострикции.
Известна работа [R.  Т. Bauer, М. Brando, and F. Steglich. A compact and miniaturized high resolution capacitance dilatometer for measuring thermal expansion and magnetostriction. REVIEW OF SCIENTIFIC INSTRUMENTS 83, 095102 (2012)], в которой описана реализация емкостного дилатометра для измерений коэффициента линейного термического расширения и магнитострикции на базе измерительного комплекса PPMS QD и емкостный метод измерения.
Отличие заключается в том, что в вышеобозначенной работе используется крепление к вставке общего пользования и отсутствует возможность измерения пьезоэффекта.
Аналог [R.  С. Stingl, and P. Gegenwart. A uniaxial stress capacitive dilatometer for high-resolution thermal expansion and magnetostriction under multiextreme conditions. Review of Scientific Instruments 87, 073903 (2016)] является модернизацией работы, обсуждаемой выше. Модернизация коснулась дополнительной опции приложения внешнего давления для измерения одноосного сжатия, однако, в остальном функциональные возможности и методы исполнения остались неизменными, поэтому общие черты и отличия также остались неизменными.
В качестве прототипа изобретения служит емкостный дилатометр, реализованный на базе промышленного измерительного комплекса PPMS QD, с возможностью измерения в вакууме емкостным методом [G. М. Schmiedeshoff, A. W. Lounsbury, D. J. Luna, S. J. Tracy, A. J. Schramm, S. W. Tozer, V. F. Correa, S. T. Hannahs, T. P. Murphy, E. C. Palm, A. H. Lacerda, S. L. Bud'ko, P. C. Canfield, J. L. Smith, J. C. Lashley, and J. C. Cooley. Versatile and compact capacitive dilatometer. Review of Scientific Instruments 77, 123907 (2006)(прототип)].
3
3
В данной конструкции процесс измерения в вакууме реализован за счет использования опции PPMS QD Не, которая является дополнительной вставкой в криостат. Теплообмен и терморегуляция при этом осуществляется через холодный палец, расположенный на дне вставки Не.
3
Недостаток данного технического решения заключается в том, что для реализации измерений в вакууме необходимо использовать специальную вставку Не, кроме того, возможности измерительной установки ограничены измерением линейной деформации, вызванной температурой и магнитным полем, но не электрическим полем, что не позволяет проводить измерения пьезоэлектрического эффекта. Кроме того, подготовка устройства к измерениям затруднительна, так как предполагает предварительную натяжку мембраны подвижной обкладки конденсатора, которая требует высокой точности, а устройство не включает вспомогательное оборудование для упрощения этой операции.
К тому же все упомянутые аналоги лишены возможности проводить измерения пьезоэлектрического эффекта.
Изобретение направлено на устранение этих недостатков.
Техническим результатом изобретения является обеспечение возможности измерения пьезоэлектрического эффекта, упрощение процедуры предварительной настройки натяжения мембраны и удешевление процесса реализации измерений в вакууме.
Технический результат достигается тем, что в емкостном дилатометре, реализованном на базе PPMS QD, содержащем систему косвенных измерений линейной деформации путем измерения емкости измерительного конденсатора, новым является то, что он снабжен дополнительными токовводами и понижающим редуктором, а также тем, что адаптирован под основной электрический разъем криостата PPMS QD для обеспечения стабилизации температуры в вакууме.
Таким образом, заявляемый емкостный дилатометр отличается от прототипа тем, что снабжен дополнительными токовводами и понижающим редуктором, а также тем, что адаптирован под основной электрический разъем криостата PPMS QD для обеспечения стабилизации температуры в вакууме, поэтому соответствует критерию «новизна».
Признаки, отличающие заявляемое техническое решение от прототипа, не выявлены в других технических решениях при изучении данных и смежных областей техники и, следовательно, обеспечивают заявляемому решению соответствие критерию «изобретательский уровень».
Сущность изобретения поясняется чертежами.
На фиг. 1 показана общая схема расположения измерительной ячейки в криостате PPMS QD, на фиг. 2 - измерительная ячейка дилатометра, на фиг. 3 - редуктор, на фиг. 4 - образец, подготовленный к измерениям пьезоэлектрического эффекта.
Измерительная ячейка 1 располагается в герметичном объеме 2, в котором может быть создан вакуум. Объем 3 заполнен теплообменным газообразным гелием. Охлаждение измерительной ячейки 1 осуществляется за счет теплообмена через медный корпус электрического разъема 4. В электрическом разъеме расположены контакты токоподводящих линий, которые используются для измерений емкости измерительного конденсатора, для снятия данных с дополнительного термодатчика и подачи напряжения на исследуемый образец при измерениях пьезоэлектрического эффекта. Образец 5 располагается на столике образца 6 и упирается в подвижную обкладку измерительного конденсатора 7, которая подвешена на пружине мембранного типа 8 (показано на местном виде). Подвижная обкладка 7 совместно с неподвижной обкладкой 9 образуют измерительный конденсатор. При подготовке измерительной ячейки к измерениям необходимо добиться предварительного натяга мембраны 8 и оптимального расстояния между обкладками 7 и 9. Для этого столик образца 6 совмещен с корпусом измерительной ячейки 10 посредством резьбового соединения и путем вращения может перемещаться относительно корпуса измерительной ячейки, двигаясь по резьбе. Для облегчения этой операции и повышения ее точности столик образца 6 снабжен зубчатым колесом, которое зацепляется за вал-шестерню редуктора. Стопорная гайка 12 служит для фиксации положения столика 6.
Измерительная ячейка 1 крепится в редукторе, при этом осуществляется зацепление зубчатого колеса 11 с системой зубчатых колес и шестерней редуктора. Поворот ручки редуктора 13 приводит к вращению столика образца 6 и его смещению вдоль своей оси. Редуктор является понижающим, таким образом позволяя плавно настраивать высоту столика и натяжение мембраны. Процесс натяжения контролируется измерителем емкости, подключаемым к электрическому разъему 14, который фиксирует емкость измерительного конденсатора, определяемое расстоянием между его обкладками. После настройки натяжения мембраны осуществляется фиксация столика образца контргайкой 12.
Для проведения измерений пьезоэлектрического эффекта на образец 5 наносится тонкий слой токопроводящего клея 15 и приклеиваются токопроводящие обкладки 16. Для исключения возникновения дополнительных емкостных цепей на обкладки 16 приклеивается тонкий слой диэлектрика 17. К обкладкам 16 подпаиваются токоподводящие провода, которые подключены к источнику постоянного напряжения. При подаче постоянного напряжения к пьезоэлектрику возникает его деформация, таким образом происходит смещение подвижной обкладки измерительного конденсатора 7, что приводит к изменению емкости измерительного конденсатора. Последнее фиксируется измерителем емкости.
Таким образом, предлагаемое изобретение использует нижний электрический разъем криостата PPMS QD для крепления измерительной ячейки, что избавляет от необходимости использования газообразной теплообменной среды, так как теплообмен осуществляется через корпус электрического разъема, что открывает возможность проведения измерений в вакууме, кроме того, предусмотрены дополнительные токовыводы. Для обеспечения возможности измерения пьезоэлектрического эффекта измерительная установка снабжена дополнительными токовводами. Для облегчения предварительной настройки натяжения мембраны используется понижающий редуктор.
К технико-экономическим преимуществам данного устройства относится то, что оно позволяет проводить измерения пьезоэлектрического и магнитострикционного эффектов, а также коэффициента линейного температурного расширения образца в вакууме.