PPMS中文说明手册
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Quantum Design
Partners in Your Lab
美国 Quantum Design 公司
综合物性测量系统
（PPMS®）
产品说明手册
Quantum Design 中国子公司 2014 年 07 月
By Scientist For Scientist
Quantum Design
美国 Quantum Design 公司简介
Partners in Your Lab
一个 PPMS 系统由基本系统和各种测量和 拓展功能选件构成：基本系统提供低温和强磁场 的环境，以及整个系统的软硬件控制中心；用户 在基本系统平台的基础上选择自己感兴趣的各 种测量选件和拓展功能选件。 对于绝大多数常规实验项目， PPMS 已经设 计好了全自动的测量软件，和具有标准测量功能 的硬件，如交直流电阻率、磁电阻、微分电阻、 霍尔系数、伏安特性、临界电流、交流磁化率、 磁滞回线、热磁曲线、比热、热电效应、塞贝克 系数、热导率和形貌表征等等。这些测量方法的 可靠性和便捷性在过去的十几年中已经得到世 界科学界的认可。经过独特而巧妙设计，PPMS 系统上的各种测量选件之间能够互不干扰，且能 够简单快速地相互切换。 除此之外， PPMS 系统并非人们想象那样是 个 Black Box，而是一个 Magic Box：PPMS 系 统上预留了完善的软硬件接口，使得用户能够通 过 PPMS 系统控制第三方设备，并利用 PPMS 系统自身的低温强磁场环境和测量功能进行用 户自己设计的实验，如铁电、介电、光或微波辐 照下电输运、电场诱导下磁测量和磁电耦合等测 量。您可联系 info@qd-china.com，索取相关详 细信息。 第一部分 完善的全自动智能主机系统
Partners in Your Lab
到样品上（图 15） ，根据不同实验需求，可分别 提供红外到可见光（P320-IR） ，以及可见光到紫 外（P320-UV）两个波段的光纤样品杆。 技术参数 光源： 短弧氙灯 150-300瓦 波长范围： 360 - 845 nm 样品尺寸： 最大直径1.6 mm 磁矩灵敏度：< 1 x 10-4 emu 可控电子快门
图 7 是测量线圈组的结构示意图。 从图中可以看 出，测量线圈有独特的设计： 特有的校准线圈组逐点测量并消除了背景相 漂移。使得系统能够精确地确定测量时的绝 对相位。 交流补偿线圈组抵消了测量区域以外的交流 磁场， 消除了对周围环境所产生的噪音影响。 集成在线圈内部的温度计，精确、实时地测 量了样品的温度。
图 8 超导样品的交流磁化率实部和虚部
图 6 驱动马达和探测线圈 图 9 超导样品的磁滞回线 By Scientist For Scientist
Quantum Design
技术参数 温度范围： 1.9K - 350K 交流驱动频率： 10Hz -10kHz 交流场幅值： 0.005Oe - 15 Oe 测量灵敏度 AC：1×10-8 emu DC：5×10-6 emu 振动样品磁强计选件（PPMS-VSM, P525） 为了进一步提高 PPMS 系统的直流磁学测量 精度， Quantum Design 公司开发了专门用于 PPMS 系统的 VSM 选件 与传统的电磁铁 VSM 相比， PPMS-VSM 在 很多方面具有优越性。 由于 PPMS 系统的磁场是 沿竖直方向的，所以样品振动方向和磁场方向是 平行的。而传统的电磁铁 VSM 样品振动方向与 磁场方向是垂直的，这样从原理上就比传统的电 磁铁 VSM 精度要高。除此之外，PPMS-VSM 还 有很多独特的特征： 背景磁场由 PPMS 系统主机的超导磁体提 供，目前最高可达 16T。而传统的 VSM 采 用电磁铁，最高磁场小于 3T，并且在进行变 温测量时由于需要加变温腔而使得最大可加 磁场仅能达到 1T 左右。 由于 PPMS 上的磁体均匀度高达 0.01%， 且 均匀区长 5.5cm，样品在振动时几乎感受不 到磁场的变化，磁场的噪音非常小。这是使 用电磁铁的传统 VSM 无法比拟的。 PPMS-VSM 采用长程电磁力驱动马达， 没有 任何机械传动，从而避免了机械磨损和振动 噪声。同时采用光学编码定位技术，样品位 置和信号精度远非传统的电磁铁 VSM 可比。
Partners in Your Lab
技术参数： 温控范围： 1.9K - 400K 连续控制 温度拓展： 50mK 稀释制冷机 0.4K He3 制冷机 1000K VSM 高温炉 温度扫描速率：0.01 - 8 K/min（非自循环型号） 温度稳定性： ±0.2% T < 10K ±0.02% T > 10K 温度控制模式：快速模式 非过冲模式 扫描模式 磁场控制 PPMS 系统的磁场是通过对超导磁体励磁 获得的，励磁电源为先进的卡皮察双极性电源。 由它们构成的磁场控制系统有以下特点： 磁场具有很高的均匀度， 在φ1cm×5.5cm 的 柱形空间内，均匀度达到 0.01%（9T 磁体） 。 低噪声、高效率的双极性磁体电源， 具有卓越的电流平滑过零性质。 使用高温超导材料制造的磁体电流引线， 极大的降低了在励磁过程中的液氦损耗。 技术参数： 磁场范围： 所含超导磁体最大场（可选） ： ±9T；±14T；±16T 磁场分辨率： 0.02 mT to 1 T 0.2 mT to 9 T 磁场稳定性： 1PPM/hour 变场速率： 10-200 Oe/s 剩磁： < 5 Oe（9T 以振荡模式降场） 磁体操作模式：闭环模式和驱动模式 磁场逼近模式：振荡模式 非过冲模式 线性模式 扫描模式 软件系统——MultiVu 控制软件 MultiVu 是 PPMS 系统的专用控制软件。它 基于微软 Windows 操作系统， 使用 Windows 的 通用协议， 具有友好的用户界面。 主要特点如下： 可以控制系统所有的硬件设备，实时监测并 记录系统所有设备的运行状况和环境数据。 测量程序命令由软件系统提供，用户只需要 填写测量时使用的参数。 可以同时打开多个数据图形文件, 用户可以 把正获得的数据图形与其他数据进行比较。 后升级的选件所对应的软件模块可以很容易 地集成到整个控制软件中来。
石英样品固定板
黄铜样品固定板
图 11 PPMS-VS来自百度文库 样品固定板（针对不同类型样品）
图 12
用 PPMS 上 VSM 测量的磁滞回线
图 10 VSM 电磁力驱动马达振动头剖面示意图
By Scientist
For Scientist
Quantum Design
VSM 高温炉选件（VSM Oven，P527） PPMS-VSM 的高温炉选件用于扩展磁性测 量的温度区间，最高可以达到 1000K。采用专利 的绝热技术而没有用任何加热炉腔， 因此 PPMS 上高温磁测量精度依然很出众。
For Scientist
图 3 左图：双重夹层的样品室（黄色为无氧铜） 右图：不同测量选件使用不同的专用样品托
4.2 K
图 4 PPMS 系统的多种温度控制曲线
By Scientist
Quantum Design
当 PPMS 连接到互联网上，可以实现仪器的 远程控制和维修服务。 提供软硬件接口，使得 MultiVu 可以轻松控 制所有基于 IEEE488 总线的设备。
图 2 PPMS 系统的设计理念 By Scientist For Scientist
Quantum Design
温度控制 PPMS 系统能够实现快速精准的温度控制， 主要得益于 Quantum Design 多项专利技术： 1、 液氦通道双流阻专利设计 精确连续控制液氦流量的专利技术，保证系 统可以在 4.2K 以下实现无限长时间的连续低温 测量， 并且可平滑通过 4.2K 液氦相变点。 （图 4） 2、 带有双重夹层的样品室（图 3 左） 样品室底部约 20 cm 的部分用高导热性的无 氧铜制造，保证样品处于一个温度稳定的大环境 之中。 3、 高级温度控制算法 与传统的温控仪 PID 算法不同，PPMS 系统 采用了复杂而精准的温度控制算法。系统同时测 量样品室上不同位置的 3 个温度计（1 个铂金， 2 个 Cernox 温度计）用于监控样品室内的温度 梯度分布，同时控制液氦流量，夹层真空度和 2 个线绕加热器，使得系统能够快速精确地控制样 品所在区域内的温度变化，并能实现样品温度无 限长时间的稳定。 4、 样品托专利设计（图 3 右） 使用专利的样品托设计代替传统的样品杆， 即方便了样品的安装，同时减少了外界环境对样 品的影响（漏热更少） ，让样品的温度更稳定。 不同的测量使用不同的样品托。 样品托
Partners in Your Lab
得益于 PPMS 系统的专利温度控制技术， PPMS-VSM 的温控精度要远远高于传统的 电磁铁 VSM。 这些特点使得 PPMS-VSM 有极高的测量灵 敏度，是目前世界上测量精度最高的 VSM，能 够真正达到 10-7 emu 测量精度。 技术参数 灵敏度： <10-6 emu（1 秒钟数据平均） 噪音基： 2×10-7 emu rms 精确度： < 5×10-6 emu/Tesla 振动频率： 5Hz -80 Hz（推荐值 40 Hz） 振动幅值： 0.5mm - 10mm 最大可测磁矩：40 emu/振动峰值（标准线圈） 75 emu/振动峰值 （大线圈选件 P529） 探测线圈内径：6.3mm（标准线圈） 12mm（大线圈选件 P529）
基本系统 PPMS 的基本系统按功能可以分为三个部 分：温度控制、磁场控制、软件控制。基本系统 的硬件包括样品室、液氦杜瓦、温控流阻、超导 磁体及电源、真空泵、电子控制和数据处理系统 等。基本系统提供了低温和强磁场的测量环境以 及用于对整个 PPMS 系统进行控制和对系统状 态进行查询诊断的软硬件控制中心。 样品室 样品室的内径是 26mm。 测量时样品室处于 密闭的粗真空或者高真空状态，样品变温是通过 液氦冷却样品室的室壁、进而冷却室内的传导氦 气来降温的（高真空时通过样品台与样品室壁的 接触冷却样品） 。
Partners in Your Lab
图 7 测量线圈组结构示意图
图 5 MultiVu 控制软件的测量程序界面
第二部分
丰富的测量和拓展功能选件
PPMS 系统的选件十分丰富，除了磁学、电 输运、比热、热输运等物性测量选件外，还有超 低场、 样品旋转杆、 多功能样品杆、 高压腔、 SPM、 He3 制冷机系统、 稀释制冷机系统等拓展功能选 件，并且还提供多种液氦解决方案，方便不同需 求的用户进行选择。兼顾全自动和高精度是它们 的共同特点，下面是所有选件的详细介绍。 新型交流磁学性质测量选件（ACMS II, P505） 新型交流磁学性质测量选件（ACMS II）采 用独特的探测线圈和驱动马达（如图 6 所示） ， 可以一次测量就获得样品的交流磁化率（实虚部 分开）和直流磁化强度信号。交流磁化率的测量 采用了锁相放大技术，以及五点测量模式能有效 地消除温度漂移对测量的影响。
图1
Quantum Design 全球总部
美国 Quantum Design 公司于 1982 年由世 界上第一台商业化 SQUID 测量系统的设计者创 立，总部位于美国加州圣迭戈市。在公司成立的 近三十年里，Quantum Design 公司专注于打造 两 条 主 产 品 线 ——SQUID 磁 学 测 量 系 统 （MPMS）和综合物性测量系统（PPMS） 。目前 PPMS 和 MPMS 已经成为实验数据可靠的标志， 被广泛应用于物理、化学及材料科学等众多研究 领域，几乎遍布所有世界一流相关实验室。在中 国已有超过 200 台各种型号的 PPMS 和 MPMS 正服务于全国各大高校院校、中科院研究院所、 重点实验室和顶尖的科学研究小组。 PPMS 系统总述 PPMS 系统的设计理念是在一个完美控制 的低温和强磁场平台上，集成全自动的磁学、电 学、热学和形貌，甚至铁电和介电等各种物性测 量手段。这样的设计使得整个系统的低温和强磁 场环境得到了充分的利用，极大减少了客户购买 仪器的成本，避免了自己搭建实验的繁琐和误 差，可以迅速地实现研究人员珍贵的研究思路。
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美国 Quantum Design 公司
综合物性测量系统
（PPMS®）
产品说明手册
Quantum Design 中国子公司 2014 年 07 月
By Scientist For Scientist
Quantum Design
美国 Quantum Design 公司简介
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一个 PPMS 系统由基本系统和各种测量和 拓展功能选件构成：基本系统提供低温和强磁场 的环境，以及整个系统的软硬件控制中心；用户 在基本系统平台的基础上选择自己感兴趣的各 种测量选件和拓展功能选件。 对于绝大多数常规实验项目， PPMS 已经设 计好了全自动的测量软件，和具有标准测量功能 的硬件，如交直流电阻率、磁电阻、微分电阻、 霍尔系数、伏安特性、临界电流、交流磁化率、 磁滞回线、热磁曲线、比热、热电效应、塞贝克 系数、热导率和形貌表征等等。这些测量方法的 可靠性和便捷性在过去的十几年中已经得到世 界科学界的认可。经过独特而巧妙设计，PPMS 系统上的各种测量选件之间能够互不干扰，且能 够简单快速地相互切换。 除此之外， PPMS 系统并非人们想象那样是 个 Black Box，而是一个 Magic Box：PPMS 系 统上预留了完善的软硬件接口，使得用户能够通 过 PPMS 系统控制第三方设备，并利用 PPMS 系统自身的低温强磁场环境和测量功能进行用 户自己设计的实验，如铁电、介电、光或微波辐 照下电输运、电场诱导下磁测量和磁电耦合等测 量。您可联系 info@qd-china.com，索取相关详 细信息。 第一部分 完善的全自动智能主机系统
Partners in Your Lab
到样品上（图 15） ，根据不同实验需求，可分别 提供红外到可见光（P320-IR） ，以及可见光到紫 外（P320-UV）两个波段的光纤样品杆。 技术参数 光源： 短弧氙灯 150-300瓦 波长范围： 360 - 845 nm 样品尺寸： 最大直径1.6 mm 磁矩灵敏度：< 1 x 10-4 emu 可控电子快门
图 7 是测量线圈组的结构示意图。 从图中可以看 出，测量线圈有独特的设计： 特有的校准线圈组逐点测量并消除了背景相 漂移。使得系统能够精确地确定测量时的绝 对相位。 交流补偿线圈组抵消了测量区域以外的交流 磁场， 消除了对周围环境所产生的噪音影响。 集成在线圈内部的温度计，精确、实时地测 量了样品的温度。
图 8 超导样品的交流磁化率实部和虚部
图 6 驱动马达和探测线圈 图 9 超导样品的磁滞回线 By Scientist For Scientist
Quantum Design
技术参数 温度范围： 1.9K - 350K 交流驱动频率： 10Hz -10kHz 交流场幅值： 0.005Oe - 15 Oe 测量灵敏度 AC：1×10-8 emu DC：5×10-6 emu 振动样品磁强计选件（PPMS-VSM, P525） 为了进一步提高 PPMS 系统的直流磁学测量 精度， Quantum Design 公司开发了专门用于 PPMS 系统的 VSM 选件 与传统的电磁铁 VSM 相比， PPMS-VSM 在 很多方面具有优越性。 由于 PPMS 系统的磁场是 沿竖直方向的，所以样品振动方向和磁场方向是 平行的。而传统的电磁铁 VSM 样品振动方向与 磁场方向是垂直的，这样从原理上就比传统的电 磁铁 VSM 精度要高。除此之外，PPMS-VSM 还 有很多独特的特征： 背景磁场由 PPMS 系统主机的超导磁体提 供，目前最高可达 16T。而传统的 VSM 采 用电磁铁，最高磁场小于 3T，并且在进行变 温测量时由于需要加变温腔而使得最大可加 磁场仅能达到 1T 左右。 由于 PPMS 上的磁体均匀度高达 0.01%， 且 均匀区长 5.5cm，样品在振动时几乎感受不 到磁场的变化，磁场的噪音非常小。这是使 用电磁铁的传统 VSM 无法比拟的。 PPMS-VSM 采用长程电磁力驱动马达， 没有 任何机械传动，从而避免了机械磨损和振动 噪声。同时采用光学编码定位技术，样品位 置和信号精度远非传统的电磁铁 VSM 可比。
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技术参数： 温控范围： 1.9K - 400K 连续控制 温度拓展： 50mK 稀释制冷机 0.4K He3 制冷机 1000K VSM 高温炉 温度扫描速率：0.01 - 8 K/min（非自循环型号） 温度稳定性： ±0.2% T < 10K ±0.02% T > 10K 温度控制模式：快速模式 非过冲模式 扫描模式 磁场控制 PPMS 系统的磁场是通过对超导磁体励磁 获得的，励磁电源为先进的卡皮察双极性电源。 由它们构成的磁场控制系统有以下特点： 磁场具有很高的均匀度， 在φ1cm×5.5cm 的 柱形空间内，均匀度达到 0.01%（9T 磁体） 。 低噪声、高效率的双极性磁体电源， 具有卓越的电流平滑过零性质。 使用高温超导材料制造的磁体电流引线， 极大的降低了在励磁过程中的液氦损耗。 技术参数： 磁场范围： 所含超导磁体最大场（可选） ： ±9T；±14T；±16T 磁场分辨率： 0.02 mT to 1 T 0.2 mT to 9 T 磁场稳定性： 1PPM/hour 变场速率： 10-200 Oe/s 剩磁： < 5 Oe（9T 以振荡模式降场） 磁体操作模式：闭环模式和驱动模式 磁场逼近模式：振荡模式 非过冲模式 线性模式 扫描模式 软件系统——MultiVu 控制软件 MultiVu 是 PPMS 系统的专用控制软件。它 基于微软 Windows 操作系统， 使用 Windows 的 通用协议， 具有友好的用户界面。 主要特点如下： 可以控制系统所有的硬件设备，实时监测并 记录系统所有设备的运行状况和环境数据。 测量程序命令由软件系统提供，用户只需要 填写测量时使用的参数。 可以同时打开多个数据图形文件, 用户可以 把正获得的数据图形与其他数据进行比较。 后升级的选件所对应的软件模块可以很容易 地集成到整个控制软件中来。
石英样品固定板
黄铜样品固定板
图 11 PPMS-VS来自百度文库 样品固定板（针对不同类型样品）
图 12
用 PPMS 上 VSM 测量的磁滞回线
图 10 VSM 电磁力驱动马达振动头剖面示意图
By Scientist
For Scientist
Quantum Design
VSM 高温炉选件（VSM Oven，P527） PPMS-VSM 的高温炉选件用于扩展磁性测 量的温度区间，最高可以达到 1000K。采用专利 的绝热技术而没有用任何加热炉腔， 因此 PPMS 上高温磁测量精度依然很出众。
For Scientist
图 3 左图：双重夹层的样品室（黄色为无氧铜） 右图：不同测量选件使用不同的专用样品托
4.2 K
图 4 PPMS 系统的多种温度控制曲线
By Scientist
Quantum Design
当 PPMS 连接到互联网上，可以实现仪器的 远程控制和维修服务。 提供软硬件接口，使得 MultiVu 可以轻松控 制所有基于 IEEE488 总线的设备。
图 2 PPMS 系统的设计理念 By Scientist For Scientist
Quantum Design
温度控制 PPMS 系统能够实现快速精准的温度控制， 主要得益于 Quantum Design 多项专利技术： 1、 液氦通道双流阻专利设计 精确连续控制液氦流量的专利技术，保证系 统可以在 4.2K 以下实现无限长时间的连续低温 测量， 并且可平滑通过 4.2K 液氦相变点。 （图 4） 2、 带有双重夹层的样品室（图 3 左） 样品室底部约 20 cm 的部分用高导热性的无 氧铜制造，保证样品处于一个温度稳定的大环境 之中。 3、 高级温度控制算法 与传统的温控仪 PID 算法不同，PPMS 系统 采用了复杂而精准的温度控制算法。系统同时测 量样品室上不同位置的 3 个温度计（1 个铂金， 2 个 Cernox 温度计）用于监控样品室内的温度 梯度分布，同时控制液氦流量，夹层真空度和 2 个线绕加热器，使得系统能够快速精确地控制样 品所在区域内的温度变化，并能实现样品温度无 限长时间的稳定。 4、 样品托专利设计（图 3 右） 使用专利的样品托设计代替传统的样品杆， 即方便了样品的安装，同时减少了外界环境对样 品的影响（漏热更少） ，让样品的温度更稳定。 不同的测量使用不同的样品托。 样品托
Partners in Your Lab
得益于 PPMS 系统的专利温度控制技术， PPMS-VSM 的温控精度要远远高于传统的 电磁铁 VSM。 这些特点使得 PPMS-VSM 有极高的测量灵 敏度，是目前世界上测量精度最高的 VSM，能 够真正达到 10-7 emu 测量精度。 技术参数 灵敏度： <10-6 emu（1 秒钟数据平均） 噪音基： 2×10-7 emu rms 精确度： < 5×10-6 emu/Tesla 振动频率： 5Hz -80 Hz（推荐值 40 Hz） 振动幅值： 0.5mm - 10mm 最大可测磁矩：40 emu/振动峰值（标准线圈） 75 emu/振动峰值 （大线圈选件 P529） 探测线圈内径：6.3mm（标准线圈） 12mm（大线圈选件 P529）
基本系统 PPMS 的基本系统按功能可以分为三个部 分：温度控制、磁场控制、软件控制。基本系统 的硬件包括样品室、液氦杜瓦、温控流阻、超导 磁体及电源、真空泵、电子控制和数据处理系统 等。基本系统提供了低温和强磁场的测量环境以 及用于对整个 PPMS 系统进行控制和对系统状 态进行查询诊断的软硬件控制中心。 样品室 样品室的内径是 26mm。 测量时样品室处于 密闭的粗真空或者高真空状态，样品变温是通过 液氦冷却样品室的室壁、进而冷却室内的传导氦 气来降温的（高真空时通过样品台与样品室壁的 接触冷却样品） 。
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图 7 测量线圈组结构示意图
图 5 MultiVu 控制软件的测量程序界面
第二部分
丰富的测量和拓展功能选件
PPMS 系统的选件十分丰富，除了磁学、电 输运、比热、热输运等物性测量选件外，还有超 低场、 样品旋转杆、 多功能样品杆、 高压腔、 SPM、 He3 制冷机系统、 稀释制冷机系统等拓展功能选 件，并且还提供多种液氦解决方案，方便不同需 求的用户进行选择。兼顾全自动和高精度是它们 的共同特点，下面是所有选件的详细介绍。 新型交流磁学性质测量选件（ACMS II, P505） 新型交流磁学性质测量选件（ACMS II）采 用独特的探测线圈和驱动马达（如图 6 所示） ， 可以一次测量就获得样品的交流磁化率（实虚部 分开）和直流磁化强度信号。交流磁化率的测量 采用了锁相放大技术，以及五点测量模式能有效 地消除温度漂移对测量的影响。
图1
Quantum Design 全球总部
美国 Quantum Design 公司于 1982 年由世 界上第一台商业化 SQUID 测量系统的设计者创 立，总部位于美国加州圣迭戈市。在公司成立的 近三十年里，Quantum Design 公司专注于打造 两 条 主 产 品 线 ——SQUID 磁 学 测 量 系 统 （MPMS）和综合物性测量系统（PPMS） 。目前 PPMS 和 MPMS 已经成为实验数据可靠的标志， 被广泛应用于物理、化学及材料科学等众多研究 领域，几乎遍布所有世界一流相关实验室。在中 国已有超过 200 台各种型号的 PPMS 和 MPMS 正服务于全国各大高校院校、中科院研究院所、 重点实验室和顶尖的科学研究小组。 PPMS 系统总述 PPMS 系统的设计理念是在一个完美控制 的低温和强磁场平台上，集成全自动的磁学、电 学、热学和形貌，甚至铁电和介电等各种物性测 量手段。这样的设计使得整个系统的低温和强磁 场环境得到了充分的利用，极大减少了客户购买 仪器的成本，避免了自己搭建实验的繁琐和误 差，可以迅速地实现研究人员珍贵的研究思路。