ГЛАВА 2
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
2.1 Экспериментальная установка
Для решения поставленных задач требуется магнитное поле ~105Э. Мы выбрали импульсный метод получения магнитного поля. В тоже время, для предотвращения нагрева образца необходимо также работать в импульсном режиме - пропускать импульсы измерительного тока малой длительности. Поэтому импульсное магнитное поле является достаточным для данных экспериментов.
Принцип действия установки для исследований гальваномагнитных свойств проводников в квазистационарных условиях при наложении сильных внешних полей иллюстрируется на Рис.2.1, где показаны импульс магнитного поля и импульс измерительного тока , синхронизированный с максимумом магнитного поля. Длительность импульса тока (~20мкс) значительно меньше длительности импульса магнитного поля (20мс), поэтому магнитное поле вблизи максимального значения можно считать постоянным.
Рис.2.1. Принцип измерений в импульсных электрическом и магнитном полях.
2.1.1 Блок-схема установки
Энергетическую основу установки составляют батарея конденсаторов "С" - источник энергии для создания магнитного поля - и генератор импульсов тока (ГИТ) (Рис.2.2). Блок запуска осуществляет зарядку и разряд батареи конденсаторов на охлаждаемый жидким азотом соленоид. В момент включения магнитного поля на генератор Г5-72 подается синхроимпульс. Через время задержки 10мс, когда магнитное поле принимает максимальное значение, генератор выдает прямоугольный импульс напряжения необходимой длительности (1-100мкс), который с помощью ГИТ преобразуется в импульс измерительного тока необходимой амплитуды. Импульс измерительного тока подается в цепь, состоящую из образца и эталонного сопротивления 1 Ом. Падение напряжения с образца (с помощью дифференциального усилителя, см. "Приложение Б") и эталона подается на цифровой двухлучевой запоминающий осциллограф С9-8, подключенный к компьютеру.
Рис.2.2. Блок-схема установки для измерений в импульсных магнитных полях.
2.1.2 Высоковольтный блок
Электрическая схема высоковольтного блока приведена в Приложении "А".
Батарея конденсаторов "С" содержит 48 конденсаторов типа К41Ц-7 общей емкостью 4800 мкФ и заряжается от источника напряжения 5 кВ, что и составляет максимальное напряжение на батарее. В схеме предусмотрена возможность аварийного разряда батареи через шунт из нихромовой проволоки диаметром 2мм с помощью магнитного пускателя.
2.1.3. Конструкция соленоида
Для получения магнитного поля использован многовитковый импульсный соленоид. Его обмотка содержит 600 витков медной шины в хлопчатобумажной изоляции; сечение шины составляет 2.5х1мм2 (Рис.2.3). Обмотка помещена в толстостенную гильзу из немагнитной нержавеющей стали, пропитана эпоксидной смолой и охлаждается жидким азотом, гелий не требуется. Соленоид имеет следующие размеры: наружный диаметр обмотки - 81 мм, внутренний - 23 мм, длина - 100 мм. При температуре жидкого азота сопротивление соленоида на
Рис.2.3. Центральное сечение соленоида.
постоянном токе пренебрежимо мало по сравнению с его индуктивным сопротивлением в импульсном режиме. Токоподводы выполнены из алюминиевой шины сечением 10х100мм2 и также практически не обладают сопротивлением. Индуктивное сопротивление токоподводов также невелико - площадь петли внешней токовой цепи составляет менее 25см2. При такой конструкции соленоида, токовых цепей и указанных выше параметрах батареи импульс магнитного поля имеет синусоидальную форму и длительность около 20мс (один полупериод, см. Рис.2.1).
2.1.4 Градуировка магнитного поля
Градуировка магнитного поля производилась с помощью полупроводникового датчика Холла на основе InSb, который помещался в соленоид вместо образца. Одновременно измерялось соответствующее данному магнитному полю напряжение на батарее конденсаторов . Затем была построена зависимость , с помощью которой выбиралось магнитное поле необходимой величины (Рис.2.4).
Рис.2.4. Зависимость величины магнитного поля от напряжения на батарее конденсаторов.
2.1.5. Генератор импульсов тока
При проведении исследований в условиях эффекта Есаки в исследуемые образцы вводятся значительные электрические мощности (103-105 Вт/см3). Для предотвращения нагрева образцов в таких условиях измерения выполняют с помощью одиночных прямоугольных импульсов тока или напряжения длительностью 5-10 мкс. При изучении релаксационных процессов дополнительно требуется, чтобы длина переднего и заднего фронта импульса была мкс, иначе информация, получаемая об этих процессах, будет неубедительной и сложной для понимания (см., например, [40, 41]).
Были изучены переключательные возможности тиристоров, биполярных и полевых транзисторов. И, хотя время включения биполярных приборов было почти приемлемым (1-1.5 мкс), время выключения оказалось неудовлетворительным (3-15 мкс) даже при обратном смещении в цепи базы 7В.
Хорошие переключательные свойства показали полевые транзисторы. Автору не удалось зарегистрировать разницы между формой запускающего импульса и импульса тока (15А) в нагрузке 10 Ом для транзистора 2SK1462 производства Sanyo. Однако, конструкция измерительной установки такова, что длина проводов токовой цепи не может быть меньше 3м (витая пара 1.5м). Относительно большое индуктивное сопротивление токовой цепи не позволяло коммутировать цепь с необходимой скоростью (<1мкс) в режиме генератора напряжения. Поэтому был выбран режим, близкий к генератору тока. Разработанная схема представлена на (Рис.2.5). Три полевых транзистора включены параллельно (в цепи стока каждого включено сопротивление 1 Ом для выравнивания сопротивлений каналов) и представляют собой токовый ключ для разряда конденсатора С5 через контур, состоящий из исследуемого образца, эталонного и балластного сопротивлений. Сила тока (0.15?30А) определяется сопротивлением цепи. Время включения и выключения было не хуже 0.3мкс и даже пришлось принять меры для подавлени