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極低温単軸引張圧縮セル
Cryostrain -製品詳細-

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極低温環境下において、サンプルに調節可能な引張または圧縮の負荷を連続的にかけることができます。走査プローブ顕微鏡、共焦点顕微鏡、X線散乱、中性子散乱、感受性測定およびその他多くの測定テクニックと組み合わせて使用することができます。

Razorbill Instruments社製Cryostrainは市販または自作のさまざまな極低温測定システムと組み合わせて使用するためのコンポーネントです。

概要

極低温引張圧縮セルCS200
  • 機械的フィードスルーを使用することなく、正確で連続的に調節可能な引張または圧縮負荷を、極低温環境下でサンプルに印加することが可能。
  • コンパクトデザイン。すべてのモデルは高さ1インチ(26mm)のサンプルスペースに設置可能。もっとも小さいモデルCS100の場合、幅も1インチ(26mm)のサンプルスペースに設置することができます。
  • 温度補償。広い温度範囲において、印加される負荷を一定に保つことができます。
  • 1K未満の極低温および高磁場環境下に対応
  • 高い負荷を発生させることができます。通常、印加できる負荷はサンプルの座屈や切断により制限されます。
  • サンプルへの広いアクセス角度。極低温走査型プローブ顕微鏡(SPM)に最適。

アプリケーション

  • 理論から実験への適合
    近年、理論的に予測される構造と特性の関係性を実験的に比較するために、材料に単軸方向の負荷をかけたときの電気特性および磁気特性の研究が盛んに行われています。こちらの凝縮系物理学における単軸負荷をご参照ください。
  • さまざまなプローブに対応
    Cryostrainは極低温測定システムに理想的なデバイスです。X線回折、走査型プローブ顕微鏡、光学イメージング、電気計測などのさまざまな測定プローブに対応します。
  • 既存技術の補完
    Cryostrainはダイアモンドアンビルセルを補完することができ、さらに良好なサンプルアクセス、引張および圧縮負荷、in-situ環境下での負荷の調整が可能です。
  • 十分に思考された新たな技術
    Cryostrainシリーズは実験室環境において2年以上使用された技術に基いており、その間に論文も発表されています。

仕様

CS100 CS110 CS120 CS130
寸法 長さ 24 mm 28 mm 32.5 mm 37 mm
高さ 13 mm 13 mm 13 mm 13 mm
重量 5 g 5 g 5.5 g 5.5 g
最大サンプルばね定数1 5 x 106 N/m 5 x 106 N/m 3.5 x 106 N/m 2.6 x 106 N/m
想定サンプルサイズ2 断面積 0.05 mm2 0.04 mm2 0.03 mm2 0.02 mm2
長さ <1.5 mm <1.5 mm <1.5 mm <1.5 mm
動作温度 <300 mK - 400 K
ゼロ負荷時の最大変位範囲 室温
(at -20V/+120V)
±6µm(合計12µm) ±7µm(合計15µm) ±13µm(合計25µm) ±17µm(合計34µm)
極低温
(at ±200V)
±3µm(合計6µm) ±4µm(合計8µm) ±7µm(合計14µm) ±10µm(合計20µm)
材質 筐体 非合金チタン(Grade 2)
ピエゾスタック チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)セラミックス
接続 ドライブ HVケーブル3 4本
センサー 同軸ケーブル 2本
フィードバックセンサー キャパシタ方式:分解能0.1nm - 1nm(使用するキャパシタ・ブリッジに依存)

1 この最大値は、室温において最大の変位長を発生させるときの値です。変位長が小さい場合は、より硬いサンプルを使用することが可能です。指針として下記グラフをご参照ください。

2 サンプル断面積は代表的なヤング率に基づいたばね定数から算出されています。表記より長いサンプルも使用可能ですが、最大印加負荷が減少します。

3 ±200Vまでは従来型のワイヤーを使用可能です。

動作領域

Cryostrain動作領域

サンプルのばね定数と変位の許容値に関する概要を左図に示します。

大きな変位を得るためにはサイズの大きなセルが必要となり、CS130が最も大きな変位を与えることができます。大きな変位を与えた時、既定のサンプルのばね定数に応じた応力がセル内部に生じます(フックの法則)。内部応力が一定値を超えるとセルが破損する可能性があります。そのため、内部応力を最大値以下にキープするためには、セルを最大変位以下で使用するか、ばね定数の小さいサンプルを使用する必要があります。充分に小さい変位量の場合は、内部応力が閾値を超えることはありませんが、その場合でもサンプルのばね定数の上限は5x106 N/Mとなります。過度に堅いサンプルはセル内部に許容量を超えるねじり荷重を生じ、ポジションセンサーの精度に悪影響を及ぼす恐れがあります。

動作原理

Cryostrain動作原理図

左図はCS100セルを示しています。この図表はサンプルに引っ張りまたは圧縮負荷をかけたときの動作をあらわしています。分かりやすく表現するために、図表内のセルの動作を誇張して描写してあります。

  • 熱補償
    ピエゾスタックは冷却したときに分極方向に延びる性質があります。この延長はスタックのストロークよりも遥かに大きいことから、対策を講じない限り、温度が変化したときに負荷を正確に制御することができません。しかし、Razorbill Instruments社製引張圧縮セルCryostrainシリーズは、引張圧縮負荷がスタックの熱延長による影響を受けることなく熱膨張を打ち消すことができるよう、ピエゾスタックを配置することにより、この問題を克服しました。
  • 変位範囲の増大
    熱補償対策として以外にも、対になるピエゾスタックをお互いに逆方向に動作させることで、一つのピエゾスタックにサンプルに固定する場合と比較して、より大きな変位を生じることを可能にします。本来、ピエゾスタックのストロークが短いことを考慮すると、このことをは非常に有用な改善方法を言えます。
  • サンプルへの優れたアクセス性
    セルの最上部にサンプルを取り付けることにより、アクセス角が最大になっています。例えば、サンプルがセルに取り付けられた状態で、走査プローブチップがサンプル表面をスキャンすることが可能です。

必要機器

最善の結果を得るために、以下に示す機器をご準備いただくことを推奨しています。

  • 4象限ソース&シンク電源(500µA @ ±200Vが可能なもの)
  • フィードバックセンサーを使用するためには、ユーザーが準備するケーブルの寄生要領を~10nF以下に削減し、~1pFの電気容量を検出する必要があります。センサーは初期板間距離~50µmの3.3mm x 1.7mm平板コンデンサにより構成されています。初期電気容量は~1pFで、変位の検出精度は、この電気容量の測定精度に比例します。Razorbill Instruments社の推奨するキャパシタンスブリッジは2種類あります。最も精度の高い測定のためには、Andeen-Hagerling社製AH2550Aをお勧めします。このブリッジは1pFオーダーの電気容量を1.4ppmの精度で測定することができ、それにより1nm以下の感度でセルの変位を測定することができます。より安価なブリッジとしては、Keysight社製E4980AL(20Hz-300kHz)を推奨します。このブリッジでも10nm以下の感度での変位測定が可能です。

資料請求

Cryostrainシリーズの製品カタログデータシートおよびサンプル取付ガイドをご用意しています。お気軽にお問い合わせください。