Closed Cycle Cryostat

Mit dem zweistufigen Pulsrohrkühler (Closed Cycle Cryostat) kann man temperaturabhängige Hall-Messungen und temperaturabhängige C-V-Spektroskopie betreiben. Ferner lässt sich zu jedem Zeitpunkt ein Magnetfeld zwischen -1,5T bis 1,5T einschalten oder ein wählbares Magnetfeldintervall durchfahren. Das Pulsrohr kann Temperaturen zwischen 340K und 4,2K anfahren.

Was erhalte ich durch die Anwendung des Hall-Effekt-Aufbaus?

Genauso wie bei der Messung des Hall-Effektes können folgende Halbleitermerkmale ermittelt werden:

• Flächenladungsträgerdichte n ($\text{cm}^{-2}$ )
• Mobilität µ ($\text{cm}^2V^{-1}s^{-1}$)
• Schichtwiderstand R$_\text{S}$ ($\Omega$)
• Hallspannung U$_\text{H}$ (V)
• Mittlere freie Weglänge $\lambda$ (µm)

Der Unterschied zum Hall-Effekt-Aufbau ist die Einstellmöglichkeit der Temperatur sowie des Magnetfeldes über ein großes Intervall.

Hardwareanwendung

• Wie wird die Probe eingesetzt?
• Wie kontaktiere ich meine Probe?
• Möchte ich zu der Messung ein Magnetfeld dazuschalten?
• Wie fahre ich die Temperatur kontrolliert hoch/herunter?
• Was muss ich nach meiner Messung beachten?

Wie wird die Probe eingesetzt?

Zunächst muss man überprüfen, ob die Probenkammer unter Vakuum steht und ob die Temperatur im Pulsrohr nahe Raumtemperatur ist. Ist die Temperatur weitaus geringer als Raumtemperatur, so darf die Probenkammer nicht belüftet werden. Ist die Temperatur nahe Raumtemperatur, so kann die Probenkammer belüftet werden (hierzu schaltet man die Pumpe einfach aus und öffnet ein Ventil (siehe Bild rechts)). In der Zeit (während die Probenkammer belüftet) kann man sicherstellen, dass auch kein Magnetfeld anliegt und es ggf. abschalten. Ist die Probenkammer belüftet, so kann das Pulsrohr an dem dafür vorgesehenen Griff hervorgezogen werden. Nun kann die Schelle gelockert und schließlich entfernt werden. Danach kann die "untere äußere Hülle" vorsichtig entfernt werden. Die "innere Hülle" muss abgeschraubt werden. Hierzu ziehe man sich bitte vorher Handschuhe an, die in dem Labor vorhanden sind. Ist die "innere Hülle" abgeschraubt, kann der Kaltfinger vorsichtig freigelegt werden. Man erkennt nun, wo die Probe platziert werden soll. Mit einem kleinen Punkt auf dem Kaltfinger hat man definiert, wo Pin 1 der Probe ist (siehe hierzu Hall-Effekt-Aufbau unter Hardwareanwendung für die Orientierung und Nummerierung der Pins der Probe). Mit angezogenen Handschuhen kann man die Probe nun in die Finger nehmen und sie in den Kaltfinger montieren (bitte eine leichte Gegenkraft von der Hinterseite des Kaltfingers bei der Montage der Probe ausüben). Nach Montage der Probe kann die "innere Hülle" und "äußere Hülle" wieder angebracht werden. Als letztes bleibt noch das Einschalten der Pumpe, die den Probenraum auf weniger als $10^{-5} mbar$ evakuiert.

Wie kontaktiere ich meine Probe?

Am Kryostaten sind BNC-Buchsen angebracht über die man die einzelnen Pins ansteuern kann. Die dazu nötigen Kabel liegen direkt neben dem Kryostaten und sind durchnummeriert. Für die Notwendigkeit der Nummerierung lesen Sie bitte den Abschnitt Hardwareanwendung auf der Seite Hall-Effekt-Aufbau, falls Sie das nicht schon getan haben (s. oben). Die BNC-Kabel sind ferner an einer Schaltmatrix (die wiederum an ein Digitalmultimeter angschlossen ist) angeschlossen, die automatisch über ein LabView-Programm die nötigen Schaltvorgänge ausübt.

Möchte ich zu der Messung ein Magnetfeld dazuschalten?

Wenn man ein Magnetfeld für die Messung benötigt sind einige Dinge zu beachten. Da das Magnetfeld über ein großes Spulenpaar erzeugt wird und Magnetfelder bis zu 1,5T hochgefahren werden können, bedarf es einer Kühlung des Spulenpaares, da unter Volllast ein Strom von 20A durch das Spulenpaar fließt. Um also eine Kühlung des Spulenpaares zu gewährleisten, müssen die Wasserkühlungsventile geöffnet werden (s. rechtes Bild, Magnet und Magnetnetzteil).

Danach muss die Stromquelle eingschaltet werden. Hierzu stellt man den Schalter an der Stromquelle auf Local und drückt den Standby-Knopf. Danach drückt man den Power-On-Knopf (nicht erschrecken, es gibt ein lautes Geräusch). Danach kann der Schalter auf Remote umgeschaltet werden, weil alle anderen Steuerungen über den Computer gemacht werden. Wie man das Magnetfeld ansteuert und variiert wird unter Softwareanwendung erläutert.

Wie fahre ich die Temperatur kontrolliert hoch/herunter?

Der Kaltfinger des zweistufigen Pulsrohrs wird über komprimierte Helium-Pulse heruntergekühlt. Der Kompressor, der dazu notwendig ist, benötigt ebenfalls wie das Spulenpaar eine Wasserkühlung, dessen Ventil geöffnet werden muss (dort wo man auch die Ventile für den Magneten öffnet; Kompressor).

Die Temperatur wird über einen Temperature Controller weitgehend über ein LabView-Programm gesteuert (man kann den Kontroller natürlich auch manuell steuern; wird allerdings nicht empfohlen, da die LabView-VIs bedienungsfreundlicher sind). Hat man die Temperaturrampe, sowie den Endpunkt/Setpoint eingestellt, muss nur noch der Kompressor gestartet werden (siehe Bild rechts; Umlegen des Schalters), damit die Temperatur auch heruntergefahren wird.

Soll die Temperatur von einem niedrigen Wert wieder auf Raumtemperatur steigen, so gibt es zwei Möglichkeiten:

• Der Endpunkt/Setpoint wird auf Raumtemperatur geändert. Ferner kann die Temperturrampe eingestellt werden (Bsp: $3\frac{K}{min}$). Das Pulsrohr kann dann ausgeschaltet werden. Die integrierte Heizung sorgt für das kontrollierte hochfahren der Temperatur. Beachtet werden muss allerdings, dass die Heizung bei erreichen der Raumtemperatur ausgeschaltet werden muss. Das macht man manuell am Temperature Controller, indem man auf Local schaltet und den Knopf Heater Off drückt.
• Das Pulsrohr wird ausgeschaltet; am Temperature Controller wird der Knopf Heater Off gedrückt. Das System wird nun sich selbst überlassen. Mit einiger Zeit wird sich das System auf Raumtemperatur einstellen.

Was muss ich nach meiner Messung beachten?

Nach der Messung sollten Sie beachten, dass

• die Heizung nach Erreichen der Raumtemperatur wieder ausgeschaltet wird
• das Magnetnetzteil bei 0T ausgeschaltet wird
• die Wasserkühlungsventile geschlossen werden

Softwareanwendung

Die Software für den Kryostaten ist im Grunde vollständig vorhanden. Allerdings gibt es eine Vielzahl von experimentellen Fragestellungen, die mit dem Kryostaten bearbeitet werden können, so dass häufig für eine spezielle Fragestellung ein eigenes LabView-Programm geschrieben werden muss. Es gibt eine Bibliothek an Bausteinen (z.B. Ansprechen des Digitalmultimeters, Ansprechen des Temperature Controllers, Probenstrom einstellen, usw.), aus denen nahezu jedes gewünschte Programm programmiert werden kann. In diesem Sinne wird auf die vorhandenen Bausteine auf dem entsprechenden Computer am Kryostaten verwiesen, an dem man das jeweilige Programm erstellen kann.