Computergestutzte¨ Uberwachung und Kontrolle¨ …...Physik-Department Walther-Meißner-Institut...

Physik-Department Walther-Meißner-Institut Bayerische AkademieLehrstuhl E23 fur Tieftemperaturforschung der Wissenschaften

ComputergestutzteUberwachung und Kontrolle

eines Kryostaten

Abschlussarbeit im Bachelorstudiengang PhysikMarkus Kunzl

Themensteller: PD Dr. Rudi HacklGarching, August 2011

Technische Universitat Munchen

Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung 11.1. Grundzuge des physikalischen Messaufbaus . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2. Ziel der Arbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

2. Beschreibung des experimentellen Aufbaus 7

3. Darstellung des neuen Aufbaus 133.1. Technische Realisierung des Anschlusses . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133.2. Steuerung des DMM uber LABVIEW . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

4. Zusammenfassung 23

A. Anhang 25A.1. Experimenteller Aufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25A.2. Beschreibung des neuen Aufbaus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

A.2.1. Schaltplan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26A.2.2. Remote-Befehle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

A.3. Benutzeroberflache . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

Literaturverzeichnis 33

Danksagungen 35

i

Inhaltsverzeichnis

ii

Abbildungsverzeichnis

1.1. Phasendiagramm von BaVS3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.2. Bisheriger Aufbau der Messinstrumente . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41.3. Neuer Aufbau der Messinstrumente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

2.1. Kryostat im Labor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72.2. Schemazeichnung des Kryostaten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

3.1. Benutzeroberflachen der beiden Laborcomputer . . . . . . . . . . . . . . 133.2. Ruckseite des Multimeters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143.3. Mulitplexeinheit des DMMs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143.4. Innenansicht des Anschlusskastchens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153.5. Frontansicht des Anschlusskastchens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153.6. Ruckseite des Anschlusskastchens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163.7. Schaltskizze fur den Dauerstromschalter . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173.8. Erste Seite der Benutzeroberflache . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

A.1. ITC und DMM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25A.2. Schaltplan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26A.3. Zweite Seite der Benutzeroberflache . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28A.4. Dritte Seite der Benutzeroberflache . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29A.5. Vierte Seite der Benutzeroberflache . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30A.6. Umrechnungsgraph der Druckmembran . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

iii

Kapitel 1.

Einleitung

1.1. Grundzuge des physikalischen Messaufbaus

In der modernen Festkorperphysik spielen immer komplexerer Materialklassen und Sys-teme eine bedeutende Rolle. Die Materialien und Verbindungen werden unter Anwen-dung vieler experimenteller Methoden hinsichtlich ihrer physikalischen Eigenschaftenuntersucht und konnen mithilfe moderner Computersoftware und Messinstrumente ana-lysiert werden.Die Physik der Phasenubergange bestimmt dabei einen großen Teil der Arbeiten und For-schungsinteressen. Phasenubergange treten in nahezu allen Materialien in unterschied-lichsten Formen auf: Supraleitung, Gitterubergange, magnetische Ordnung, Metall-Isola-tor Ubergange und viele mehr. Anders als bei klassischen Ubergangen, bei denen ther-mische Fluktuationen Einfluss auf die Ordnung in den verschiedenen Phasen nehmen,konnen auch andere Großen außer der Temperatur dazu verwendet werden, um denUbergang in eine bestimmte Phase zu erreichen. ”Dabei wird ein Kontrollparameterwie Druck, Magnetfeld oder chemische Zusammensetzung variiert, um makroskopischeOrdnung zu zerstoren.“[1]

1

Kapitel 1. Einleitung

Abbildung 1.1.: Verhalten des logarithmi-schen elektrischen Widerstands von BaVS3 inAbhangigkeit von Temperatur und Magnetfeldbei einem Druck von p = 1,8 GPa. Die isolieren-de Phase kann durch Erhohung des Magnetfel-des unterhalb von 15 K unterdruckt werden. [2]

Ein Beispiel fur ein komplexes Material,das in der aktuellen Forschung untersuchtwird, ist BaVS3. Abhangig von der Tem-peratur zeigt dieses sogar drei verschiede-ne Phasenubergange [3]: Einen Ubergangder Gitterstruktur bei TS = 240 K, einenMetall-Isolator Ubergang bei TMI = 70 Kund einen Ubergang magnetischer Ord-nung bei TX = 30 K. Die kritische Tempe-ratur des Metall-Isolator Ubergangs kanndurch Anlegen von externem Druck starkerniedrigt werden. Senkt man die Uber-gangstemperatur TMI durch außeren Druckunter 15 K herab, kann der Phasenuber-gang außerdem durch ein außeres Magnet-feld gesteuert werden (Abb. 1.1).

Die extremen Bedingungen von hohen Feldern und Drucken sind nur mit wenigen spek-troskopischen Methoden kompatibel. Photonen im Rontgen-, im sichtbaren und infra-roten Spektralbereich spielen dabei ein wichtige Rolle. In dem Labor, in dem der inder vorliegenden Arbeit beschriebene Aufbau realisiert wurde, wird zur UntersuchungRaman-Streuung verwendet. Dies erfordert einen umfangreichen Aufbau von Steuerungs-und Messinstrumenten. Einen Großteil davon nimmt der optische Aufbau ein. Den an-deren wichtigen Teil des Aufbaus stellt der Kryostat dar, durch dessen Bodenfenster dieProbe mit einem Laser angeregt und das inelastische gestreute Licht beobachtet wird. ImKryostaten werden alle außeren Bedingungen an der Probe, namlich Temperatur, Druckund Magnetfeld, eingestellt. Deswegen fallen am Kryostaten viele Betriebsdaten an, diebei der Planung und Durchfuhrung der Experimente berucksichtigt werden mussen.

1.2. Ziel der Arbeit

Das Ziel dieser Arbeit ist es, ein moglichst einfaches und ubersichtliches Konzept zurUberwachung dieses Kryostaten aufzubauen und zu testen. Dies soll uber ein LABVIEW-gesteuertes digitales Multimeter mit Multiplexeinheit (DMM) erfolgen. Der bisherigeMessaufbau soll dabei nur dahingehend geandert werden, dass die bis dato verwendeten

2


Messgerate durch das DMM ersetzt werden. Die am Kryostaten fest verbundenen elektri-schen Anschlusse werden weiterhin verwendet und durch geeignete Anschlusse mit demDMM verbunden. Dies bedeutet gleichzeitig, dass sowohl die Art, als auch die Mengeder auszulesenden Daten erhalten bleibt, welche nun uber eine graphische Oberflachevon LABVIEW am Bildschirm eines Laborcomputers dargestellt werden.

Zur effizienten Arbeit im Labor und zur Vermeidung von Bedienungsfehlern, ist ei-ne intuitiv verstandliche Struktur der Messapparate und ein ubersichtlich angeordneterAufbau entscheidend. Eine wichtige Rolle spielt dabei die Anordnung der verschiede-nen Messgerate und vor allem die Art und Weise, in welcher Form die enorme Mengean Daten dem Experimentator prasentiert wird. Dabei ist zwischen den Prioritaten derverschiedenen Daten zu unterscheiden. Auf der einen Seite stehen die fur das Ziel desjeweiligen Experiments ausschlaggebenden Messwerte, die das Ergebnis des Versuchsdarstellen. Auf der anderen Seite ist es aber auch wichtig, dass diese Messungen beiden dafur vorgesehenen Bedingungen und den beabsichtigen Parametern durchgefuhrtwerden. Dazu gehort das Uberwachen einer Reihe von zusatzlichen Betriebsdaten, diefur die Auswertung der Ergebnisse zwar nicht direkt relevant, dennoch aber Bestandteilder einzelnen Versuche sind. Um sich bei den Experimenten auf den essentiellen Teil derMessdaten konzentrieren zu konnen, ist es erstrebenswert, die restlichen zu uberwachen-den Daten mit einer moglichst eingangigen und ubersichtlichen Anordnung der Gerateso darzustellen, dass sie jederzeit mit minimalem Aufwand uberblickt werden konnen.

Im bisherigen Aufbau des Labors waren eine Reihe verschiedener Messinstrumente undGerate zur Uberwachung der Betriebsdaten des Kryostaten im Einsatz (Abb. 1.2).

3


Abbildung 1.2.: Bisheriger Aufbau der Mess-instrumente

Die Anordnung des bisherigen Aufbausund die darin verwendeten Instrumentesind in Abb. 1.2 zu sehen. Die im Rahmendieser Arbeit durch das Multimeter mitMultiplexeinheit ersetzten Gerate sind rothervorgehoben. Wie in Abb. 1.2 gezeigt,wurden die zur Uberwachung notwendi-gen Daten analog an den jeweiligen Mess-geraten ausgelesen und dann an den in-tegrierten Displays angezeigt. Die Vielfaltder zu beobachtenden Werte erforderte da-her auch die Verwendung von mehrerenMultimetern. Da es aber aus Kosten- undPlatzgrunden keinen Sinn hat, fur jedenauszulesenden Wert ein eigenes Multime-ter zu verwenden, wurde jeweils ein Multi-meter fur die Anzeige mehrerer Betriebs-daten verwendet. Durch mechanische Um-schalter, uber welche die verschiedenen Mess-stellen mit den Multimetern verbunden waren, konnte der jeweils benotigte Wert einge-stellt und dann abgelesen werden. Die Verwendung dieses Aufbaus machte es unmoglich,alle Betriebsdaten des Kryostaten gleichzeitig auszulesen und zu uberblicken.

4


Abbildung 1.3.: Neuer Aufbau der Messin-strumente

Durch den Anschluss des neuen digitalenMultimeters soll dies nun verbessert wer-den. Anstelle der vielen Multimeter trittnun nur noch ein einziges, uber das alleDaten ausgelesen werden, die zur Uber-wachung des Kryostaten notig sind. DieseDaten werden uber einen Computer an-gezeigt, wodurch keine weiteren Anzeige-gerate oder Umschalter benotigt werden.Dadurch wird Platz fur neue Messgeratewie zum Beispiel einen Temperaturregleroder einen Lock-in-Verstarker frei, die bisher separat unter-gebracht werden mussten. In Abb. 1.3 istdie neue Anordnung der Instrumente ge-zeigt, wie sie nach den Veranderungen auf-gebaut wurde. Das neue Multimeter, dasnun alle Betriebsdaten ausliest, ist rot ein-gerahmt.Die auf dem (weiter unten gezeigten) Bildschirm dargestellten Daten konnen nun je-derzeit auf einen Blick angesehen werden, ohne erst an den einzelnen Umschaltern diegewunschten Daten, die auf dem Anzeigegerat dargestellt werden sollen, einstellen zumussen. Dies dient nicht nur der Ubersichtlichkeit der Messwerte, sondern auch der Be-nutzerfreundlichkeit des Uberwachungskonzepts des Kryostaten. Außerdem wird mit derkompakten Darstellung und intuitiven Bedienung die Einarbeitungszeit im Labor redu-ziert.Ein weiterer Aspekt des neuen Systems ist die Minimierung des Sicherheitsrisikos bei derUberwachung des Betriebszustands des Kryostaten. Bei der Verwendung von mehrerenDisplays, an denen noch zusatzlich unterschiedliche Daten ausgegeben werden konnen,besteht die Gefahr der Verwechslung der zugehorigen Werte. Dies fuhrt unter Umstandenzu einer Fehlinterpretation des Zustands des Kryostaten, wodurch unnotige Maßnahmenergriffen oder notwendige Schritte unterlassen werden.Das Auslesen der Daten am Computer bringt noch einen weiteren, nicht unbedeutsamenVorteil, gegenuber der Anzeige am Display der Multimeter. Durch den Anschluss desRechners an das Netzwerk und das Internet, konnen die Daten des Kryostaten jederzeit

5


uber eine Remote-Desktop Verbindung an anderen Computern beobachtet werden. Diesbietet die Moglichkeit der Fernuberwachung des Kryostaten. Fur den sicheren Betriebdes Kryostaten ist dessen tagliche Uberwachung von großer Bedeutung. Aufgrund desdavon ausgehenden Risikos war es bisher notig, auch außerhalb der eigentlichen Mess-zeiten den Zustand des Kryostaten vor Ort zu kontrollieren.Durch die zusatzlichen Informationen aus einem vom Programm erstellten Logfile, indem die wichtigsten Betriebsdaten des Kryostaten gespeichert werden, kann der Zu-stand des Kryostaten nun auch zu spateren Zeitpunkten nachkontrolliert werden.

6

Kapitel 2.

Beschreibung des experimentellenAufbaus

Abbildung 2.1.: Magnetkryostat mit regel-barer Probentemperatur. Das Bild zeigt denim Vordergrund stehenden Kryostaten, dahin-ter befinden sich die Messinstrumente, linkszur Auswertung und Uberwachung verwende-te Computer.

Abb. 2.1 zeigt den zu uberwachenden Kryo-staten. Um darin Temperatur, Druck undMagnetfeld im Experiment zu regeln undzu uberwachen, muss eine Vielzahl an ver-schiedenen Messstellen mit unterschiedlichenArten von Betriebsdaten ausgelesen wer-den. Einige dieser Daten konnen uber ein-gebaute Widerstande direkt ausgelesen wer-den und dienen zur Information uber denaktuellen Zustand des Kryostaten. Ande-re dagegen stammen von externen Steue-rungsgeraten oder werden mit Hilfe dieserausgelesen. Diese zusatzlichen Gerate sindein Druckkontrollsystem, ein elektronischerTemperaturregler (Oxford Instruments ITC)(Abb. A.1), der zur Steuerung und Mes-sung der Temperatur im fur die Messungrelevanten Zentralrohr des Kryostaten dient,und ein Stromgeber, der das Offnen undSchließen des Schalters fur den Dauerstromim Spulenmagnet ermoglicht.Der Kryostat als Ganzes ist in einen oberen und einen unteren Teil aufgeteilt. Abb. 2.2

7

Kapitel 2. Beschreibung des experimentellen Aufbaus

zeigt eine schematische Darstellung der Kryostatenteile und deren Funktion. Der obe-re dient zur Kuhlung der Probe, wahrend der untere den Spulenmagneten enthalt, indessen Bohrung die Proben eingebracht und dann untersucht werden. (Dieser Teil desKryostaten wird deshalb im Folgenden immer mit ”Magnetkryostat“ bezeichnet.)

Der Magnetkryostat wird dauerhaft mit flussigem Helium gefullt. Dies dient zum einendazu, das Isolationsvakuum (Abb. 2.2 (2)) aufrechtzuerhalten, das die kalten Teile desKryostaten vor dem aus der Umgebung stammenden Warmeubertrag abschirmt, zum an-deren wird dadurch der in das Helium getauchte Magnet supraleitend. Das Aufrechterhal-ten des Isolationsvakuums ist deshalb so wichtig, da es bei einer plotzlichen Erwarmungdes Kryostaten zu einem Quench kommen kann. Dabei bricht die Supraleitung im Ma-gneten zusammen und die gesamte in der Spule enthaltene Feldenergie wird in Warmeumgewandelt. Aufgrund der sehr geringen Warmekapazitat des Heliums, beginnt es dar-aufhin schlagartig zu verdampfen. Das Gasvolumen im Kryostatbehalter erhoht sich da-mit in Sekundenschnelle um ein Vielfaches. Ein Sicherheitsventil verhindert zu großenDruckaufbau und die Explosion des Gefaßes.Bei der Erzeugung des Hochvakuums in der Isolationsschicht spielt das flussige Heliumim Tank (Abb. 2.2 (3))eine bedeutende Rolle. Die Außenseite des Tanks wirkt beimFullen mit flussigem Helium bei 4,2 K als Kryopumpe fur das Isolationsvakuum. Dienoch im Vakuum befindlichen Gasatome kondensieren an der Grenzflache und frierendort fest. Es ist deshalb von großer Bedeutung, den Zustand des Isolationsvakuums un-ter standiger Beobachtung zu halten.Um ein unkontrolliertes Aufwarmen zu vermeiden, wird deshalb der Fullstand des He-liumstanks standig uberwacht. Trotz der Abschirmmaßnahmen fließt standig Warmezum Heliumtank, wodurch das flussige Helium darin verdampft. Um den Heliumfull-stand im Magneten beobachten und damit rechtzeitig nachfullen zu konnen, sind dortsechs Fullstandssensoren (Abb. 2.2 (8)) angebracht, die anzeigen, bis zu welcher Hoheim Kryostaten noch Helium vorhanden ist. Als Sensoren werden Kohlewiderstande ver-wendet, die mit dem Multimeter direkt ausgelesen werden.Die Widerstande sind in einer Kette miteinander verbunden und werden uber ein dafurvorgesehenes Datenkabel an das Messgerat angeschlossen. Sie sind an verschiedenen Po-sitionen im unteren Teil des Kryostaten angebracht. Der erste Widerstand befindet sichdirekt unten am Magneten, knapp uber dem Boden des Heliumtanks; der zweite Wider-stand ist am oberen Ende des Magneten befestigt. Diese beiden sind also von essentiellerWichtigkeit fur die Uberwachung des Magneten. Wenn der Widerstandswert des obe-ren zu sinken beginnt, dann reicht der Fullstand des Heliums nicht mehr aus, um die

8

Abbildung 2.2.: Schemazeichnung des Kryostaten. Die Graphik zeigt eine schematische Dar-stellung des Querschnitts des Kryostaten mit den zu uberwachenden Messstellen darin.(1) Probenstab in der Mitte des Zentralrohrs(2) Isolationsvakuum, das uber den ganzen Kryostaten verteilt ist(3) Heliumtanks im oberen und unteren Teil des Kryostaten(4) Heizelemente und Widerstande zur Temperaturbestimmung(5) Stickstofftank, der den unteren Heliumtank an der Außenseite des Kryostaten umgibt(6) Magnetspule im Inneren des unteren Heliumtanks(7) Druckzelle bzw. Position der Probe im Zentralrohr(8) Fullstandswiderstande in den beiden Heliumtanks(9) Strahlungsschild, der die beiden Heliumtanks im Kryostaten vollstandig umgibt(10) Dauerstromschalter, der von außen geoffnet und geschlossen wird(11) Widerstande M1/M2 am Strahlungssschild (oben und unten)

9


Spule vollstandig zu bedecken. Falls in der Spule Strom fließt, ist es also spatestens zudieser Zeit notwendig, den Heliumtank nachzufullen. Die anderen vier Widerstande sindalle ubereinander angeordnet und bezuglich der ersten beiden etwas zur Seite versetzt.Der unterste von diesen vier befindet sich mit dem Widerstand am oberen Ende desMagneten nahezu auf gleicher Hohe; die anderen drei liegen in annahernd aquidistantenAbstanden daruber. Durch diese Anordnung lasst sich der Fullstand bis zum kritischenPunkt beim zweiten Widerstand sehr gut beobachten und sie ermoglicht es, rechtzeitigzu reagieren.

Zur Durchfuhrung von Experimenten mit außerem Magnetfeld wird der Spulenmagnet(Abb. 2.2 (6)) in Betrieb genommen. Um die benotigten hohen Magnetfelder erreichenzu konnen, muss ein dementsprechend hoher Strom durch die Spule fließen. Dieser wirdvon einem externen Stromgeber eingespeist. Da durch den hohen Stromfluss auch eineenorme Heizleistung in den Zuleitungen auftritt, verdampft das Helium dabei sehr starkund wird schnell verbraucht. Um dem entgegenzuwirken, ist ein Schalter (Abb. 2.2 (10))direkt oberhalb der Spule angebracht, uber den der Stromkreislauf der Spule in sich selbstgeschlossen werden kann. Der Schalter besteht aus einem heizbaren Supraleiter, deruber separate Zuleitungen mit einer 100 mA Stromquelle gesteuert werden kann. Wirdder Supraleiter durch diesen Strom geheizt, so wird er normalmetallisch und die Spulesteht mit der Stromquelle in Verbindung. Wird die Heizung des Dauerstromschaltersabgestellt, wird dieser wieder supraleitend und der verlustfreie Stromkreis in der Spuleist geschlossen. So bleibt das Feld auch ohne externen Strom konstant. Deshalb kann derexterne Strom bis auf Null heruntergefahren werden und damit die starke Verdampfungdes Heliums und der hohe Stromverbrauch vermieden werden.

Um den Heliumverbrauch zu verringern ist der Heliumtank im Magnetkryostaten voneinem mit flussigem Stickstoff gefullten ringformigen Tank (Abb. 2.2 (5)) umgeben, so-dass die aus der Umgebung stammende Warmestrahlung zum Helium abgeschirmt wird.Dieser zusatzliche Tank ist mit vergoldeten Kupferblechen (Abb. 2.2 (9)) verbunden, dieim Bereich des ganzen Kryostaten die beiden Heliumtanks auf allen Seiten umgeben. DieKupferbleche sind untereinander und mit dem Stickstofftank in thermischer Verbindung.Durch die hohe Leitfahigkeit des Kupfermaterials nimmt der gesamte Strahlungsschildeine Temperatur nahe der des flussigen Stickstoffs an und schutzt die beiden Heliumtanksvor außerer Warmestrahlung. Einer der Strahlungsschilde fuhrt unter dem Heliumtankdes Magneten vorbei zum Zentralrohr des Kryostaten, verlauft dann zwischen diesemund dem Heliumtank zur Grenzflache des Magnetkryostaten und des oberen Teils. Da-

10

durch wird das Helium auch gegen eventuell hohe Temperaturen des Probenhalters imInneren des Zentralrohrs abgeschirmt. Der Heliumtank im oberen Teil des Kryostaten istebenfalls sowohl innen als auch außen von dieser schutzenden Kupferschicht umgeben.An der Grenze der beiden Kryostatenteile sind die beiden Schichten durch mehrere dickeKupferbander miteinander verbunden.Zur Uberprufung der Funktion des Strahlungsschildes sind beim oberen Teil des Kryo-staten sowohl am unteren als auch oberen Bereich des Kupferrings jeweils ein Widerstand(Abb. 2.2 (11)) angebracht, uber den die Temperatur bestimmt werden kann. Durchdas Auslesen dieser beiden Widerstande (bezeichnet mit M1 und M2) konnen Aussagenuber den Zustand des Strahlungsschildes und Schlussfolgerungen uber den Fullstand desStickstoffs gemacht werden.

Ebenso wie im unteren Teil befinden sind auch im oberen Teil des Kryostaten Full-standsensoren im Heliumtank. Allerdings sind hier nur vier Widerstande angebracht,die alle ubereinander in einer Reihe angeordnet sind.

Auf Hohe der Grenzflache des oberen und unteren Teils des Kryostaten befindet sichder Kuhlfinger mit Heliumwarmetauscher und regelbarer Heizung (Abb. 2.2 (4)), diemit dem ITC verbunden ist. Das ins Zentrum der Magnetspule reichende Probenrohr istauf der Unterseite mit einen Quarzfenster abgeschlossen. Durch den elektronischen Tem-peraturregler wird die Temperatur im Zentralrohr gesteuert und damit die gewunschteTemperatur an der Probe eingestellt. Aufgrund des endlichen Abstands zwischen demWarmetauscher und der Probenposition stimmen die Temperaturen nicht exakt uberein.Deshalb wird die Temperatur direkt an der Probe noch durch eine weitere Messung be-stimmt.Die Temperatur am Warmetauscher kann durch zwei verschiedene Widerstande aus-gelesen werden. Zur Messung von hoheren Temperaturen wird ein Platin-Widerstandverwendet, bei sehr niedrigen Temperaturen eignet sich ein Kohlewiderstand besser. Zu-sammen mit den beiden Messpunkten am stickstoffgekuhlten Strahlungsschild bilden sieeine Widerstandskette, an der die jeweiligen Spannungen separat abgegriffen werden.Fur die Messungen im Kryostaten ist es erforderlich, dass die Temperatur an der Probemoglichst genau eingestellt wird. Deshalb ist es naheliegend, die beiden Widerstandeam Warmetauscher durch eine Vierpunktmessung auszulesen. Als externe Stromquelledient dabei der ITC.

Bei den jeweiligen Messungen werden die Proben an den Probenstaben (Abb. 2.2 (1))montiert, in das Zentralrohr eingefuhrt und im Zentrum des Magneten fixiert, da dort

11


das Magnetfeld homogen ist. Um Experimente bei sehr tiefen Temperaturen durch-zufuhren wird das Rohr mit flussigem Helium geflutet und unter den Lambdapunktabgepumpt, sodass das Helium suprafluid wird und optische Messungen im Kryostatenmoglich sind. Um den Fullstand des Heliums im Rohr uberwachen zu konnen sind anallen Probenstaben Fullstandssensoren angebracht.Bei einigen Messungen wird der Druck an der Probe als zusatzlicher außerer Parameterverandert. Dazu wird die Probe in die am Probenhalter befestigte Druckzelle (Abb. 2.2(7)) eingeschlossen. Der Druck auf die Zelle wird durch eine Membran ubertragen, diemithilfe eines Gaskontrollsystems gesteuert wird.Da die unterschiedlichen Probenstabe verschiedene Funktionen und messtechnische Mo-glichkeiten (Verkippung, Verdrehung, etc...) bieten, werden die Daten aus den Pro-benstaben jeweils uber eigene separate Anschlusskastchen, die außerhalb des Rahmensdieser Arbeit entwickelt werden, auf die Messgerate verteilt. Dadurch konnen die im Ex-periment relevanten Daten einzeln uber optimal geeignete Messgerate ausgelesen werden.Die zur Uberwachung notwendigen Widerstandswerte werden uber die individuellen An-schlusskastchen in einheitlicher Datenfuhrung zum DMM weitergeleitet, sodass jederProbenstab zum Anschlusskastchen des DMM kompatibel ist.

12

Kapitel 3.

Darstellung des neuen Aufbaus

Im folgenden Kapitel werden die Merkmale und Neuerungen des Aufbaus naher erlautert.Durch den Umbau der Messapparate treten sowohl Anderungen beim Auslesevorgangder Daten als auch bei der Bedienung und dem Anschluss der Gerate auf. Daher wer-den in den folgenden Abschnitten zuerst die technischen Details zu den Anschlussen derverschiedenen Gerate und Messstellen an das DMM und die damit verbundenen Struk-tur der Datenleitung beschrieben. Desweiteren wird auf den Aufbau des LABVIEW-Programms, das zur Steuerung des Auslesevorgangs der Daten verwendet wird, nahereingegangen. Dies soll die Funktionsweise des Programms verdeutlichen und die Bedie-nung des neuen Aufbaus erleichtern.

3.1. Technische Realisierung des Anschlusses

Abbildung 3.1.: Benutzeroberflachen.Links der Bildschirm des Rechners, mitdem die Experimentdaten bearbeitetwerden, rechts der fur die Anzeige derBetriebsdaten des Kryostaten.

Im Labor werden zwei Computer zur Auswer-tung der aus Messungen und Uberwachung an-fallenden Daten verwendet. Einer davon dientzur reinen Aufnahme der experimentell essen-tiellen Daten, die bei der Auswertung des Ver-suches analysiert werden. Mit dem anderen wer-den all diejenigen Daten, die zur Uberwachungund Regelung des Kryostaten verwendet wer-den, angezeigt (Abb. 3.1). An diesem Compu-ter werden also sowohl das LABVIEW Pro-

13

Kapitel 3. Darstellung des neuen Aufbaus

gramm, als auch das Steuerungsprogramm fur den elektronischen Temperaturregler aus-gefuhrt. Die beiden Gerate, der ITC und das DMM, werden uber einen seriellen An-schluss mit dem Rechner verbunden. Da dieser nur uber einen seriellen Port verfugt,ist das DMM uber einen Adapter an der USB-Schnittstelle des Rechners angeschlossen.Dies ist bei der Wahl der Datenquelle im Programm zu beachten.

Abbildung 3.2.: Ruckseite des DMM. Derobere Steckplatz wird fur die Multiplexkar-te genutzt. Die beiden grauen Datenleitungenhaben je 21 Adern.

Die in dem neuen Multimeter enthalteneMultiplexeinheit, welche den Anschluss meh-rerer Messstellen ermoglicht, ist in Form ei-ner Steckkarte im DMM eingebaut, wie inAbb. 3.2 gezeigt. Die Karte kann einfachaus dem DMM herausgezogen und mit denDatenleitungen verbunden werden. Das Mul-timeter verfugt uber zwei Steckplatze fursolche Karten, sodass mit demselben Multi-meter verschiedene Gerate uberwacht wer-den konnen und dazu die Anschlusse nichtumgesteckt werden mussen. Vorerst ist indem geplanten Aufbau nur eine Karte vor-handen und auch in Verwendung. Der untere Steckplatz auf der Ruckseite des Multime-ters bleibt frei.

Abbildung 3.3.: Mulitplexeinheit desDMMs mit allen Datenzuleitungen.

Die Karte besitzt Anschlusse fur bis zu zwan-zig verschiedene (2-polige) Messstellen (Abb.3.3), die alle auf unterschiedliche Art ausgele-sen werden konnen. Die am Multimeter aus-zulesenden Daten werden uber ein externesAnschlusskastchen, das fest mit dem DMMverbunden ist, zu den einzelnen Anschlussender Karte gefuhrt. Dabei werden die Daten imAnschlusskastchen auf zwei jeweils 21-poligeKabel1 verteilt, die sie dann zu der Karte wei-terleiten.

1Jeweils zwei Adern fur einen Anschluss in der Karte (Plus- und Minuspol). Jeweils eine Ader bleibtbei den beiden Kabeln unbelegt.

14

3.1. Technische Realisierung des Anschlusses

Abbildung 3.4.: Innenansicht des An-schlusskastchens

Das Anschlusskastchen (Abb. 3.4) wurdeim Rahmen dieser Arbeit gefertigt und istauf die Anforderungen im dafur vorgesehe-nen Labor und den sich darin befindlichenMessapparaturen zugeschnitten. Um einemoglichst fehlerfreie und ungestorte Daten-ubertragung zu gewahrleisten sind alle Ka-bel und auch das Kastchen abgeschirmt undgeerdet. Damit die Schirmung keine Erd-schleifen verursacht hat das Kastchen eineisolierende Frontplatte, auf der die Buch-sen fur die Anschlusse der Datenkabel an-gebracht sind. Dadurch ergibt sich eine sternformige Anordnung der Schirmungen, dieeinzelnen Datenkabel sind mit ihren zugehorigen Messgeraten geerdet, die Kabel vomDMM zum Kastchen sind zusammen mit dessen Gehause mit einem Erdungskontaktverbunden. Die einzelnen Pole der Datenkabel werden im Inneren des Kastchens auf dieverschiedenen Anschlussbuchsen fur die Instrumente verteilt.

Abbildung 3.5.: Frontansicht des An-schlusskastchens mit allen Buchsen fur dieVerbindung mit dem Kryostaten.

Die Frontplatte (Abb. 3.5), auf der die Buch-sen angebracht sind, enthalt vier 12-polige Tu-chelbuchsen; davon dienen zwei zum Auslesender Fullstandswiderstande im Kryostaten, ei-ner fur den Anschluss der verschiedenen Pro-benstabe und der letzte ist fur das Ausle-sen und Regeln der Temperatur im Zentral-rohr und am Strahlungsschild. Weiterhin sindauf der Frontplatte noch drei BNC-Buchsen,eine 9-polige Sub-D Buchse und ein Schal-ter angebracht. Die drei BNC-Buchsen die-nen dem Anschluss der Mess- oder Regelungs-gerate des Isolationsvakuums, des Membrandrucks und des Dauerstromschalters fur dieMagnetspule. Uber den Sub-D Anschluss ist der ITC mit dem Anschluss fur die Tem-peraturmessung und -regelung verbunden. Uber diese Verbindung werden sowohl derStrom fur die Widerstandsmessungen als auch die Leitung der Heizdrahte zum Regelnder Temperatur im Kryostaten weitergefuhrt. Die Belegung der einzelnen Pins auf denSteckern und Buchsen wurde fur den Bau des Kastchens ausgemessen und dann bei der

15


Verlotung der Kontakte berucksichtigt. Die bisher verwendeten Kabel und Anschlussewerden also fur die Uberwachung durch das Multimeter weiterverwendet. Nur fur denAnschluss der Probenstabe wurde eine neue Belegung der Pins festgelegt, da die fur dieVerwendung am DMM notwendigen Anschlusskastchen der Stabe, die die Daten zu denexternen Messgeraten weiterleiten, wie oben erwahnt individuell auf die Probenstabezugeschnitten sein mussen.Mit dem Schalter an der Frontplatte kann ausgewahlt werden, ob der ITC den Platin-oder den Kohlewiderstand am Warmetauscher des Kuhlfingers zur Temperaturregelungbenutzt. Der Wert des ausgewahlten Widerstands wird dann am Display des ITC ange-zeigt. Am Multimeter werden beide Werte gleichzeitig ausgelesen.

Abbildung 3.6.: Ruckseite des An-schlusskastchens mit den 21-poligenKabeln zum Multimeter und den Buchsenfur die Steuerung des Dauerstroms.

Ebenso kann bei Bedarf, durch Anschließeneines externen Messgerates an die dafur vor-gesehene BNC-Buchse, der Heizstrom fur denDauerstromschalter am Magneten ausgelesenwerden. Dieser Wert wird gleichzeitig auchimmer durch das DMM ausgelesen und in LAB-VIEW angezeigt. Zur Steuerung des Stromsfur den Schalter befinden sich auf der Ruck-seite des Kastchens (Abb. 3.6) bei den Durch-fuhrungen der Datenkabel zum Multimeterzwei Bananenbuchsen, uber die eine externe Stromquelle angeschlossen werden kann.

16

3.2. Steuerung des DMM uber LABVIEW

Abbildung 3.7.: Ersatzschaltbild des Schalt-kreises zur Messung des Heizstroms fur denDauerstromschalter. Der Strom wird gleichge-richtet, um eine zusatzliche Umschaltung imMultimeter von DC auf AC zu vermeiden.

Im Inneren des Gehauses befindet sich,wie in Abb. 3.7 gezeigt, ein Gleichrichter,der den Wechselstrom aus der Quelle ineinen fur die Messung benotigten Gleich-strom umwandelt. Nach dem Gleichrich-ter ist ein Widerstand mit einem nomi-nalen Wert von 10 Ω in den Schaltkreiseingefugt, wobei der eigentliche Wert desWiderstandes zu 10,4 Ω bestimmt wurde.An diesem wird uber den Spannungsab-fall der Heizstrom gemessen und an dasDMM und die BNC-Buchse weitergelei-tet. Die Steuerung des Dauerstromschal-ters erfolgt uber dasselbe Kabel wie derAuslesevorgang der Fullstandswiderstandeim Magnetkryostaten, weshalb der Strom-kreis innerhalb des Gehauses zu der 12-poligen Buchse fur den Magnetkryostatenfuhrt.

Die einzelnen Kontakte und Verbindun-gen des Multimeters mit dem Kastchenund dessen Verbindung mit den im Kryostaten befindlichen Messstellen konnen im An-hang beim Schaltplan (Abb. A.2) genauer eingesehen werden.


Beim Auslesevorgang des digitalen Multimeters wurde die Option der Remote-Schnittstel-le am Gerat ausgenutzt. Das DMM erhalt von einem Computer die Einstellungen undBefehle, uber welche die Daten der angeschlossenen Instrumente und Messgerate ausgele-sen werden. Als Programmiersprache, in welcher das Programm zur Steuerung geschrie-ben ist, wurde die zum Zeitpunkt dieser Arbeit aktuelle Version 10.0 von LABVIEWverwendet.

17


Der grundlegende Aufbau des Steuerungsprogramms und der Kommunikation zwischenden Geraten beruht auf den VISA-Strukturen von LABVIEW. Diese starten und been-den das Programm und ermoglichen sowohl die Vermittlung der Befehle an das DMMals auch das Auslesen der vom Multimeter empfangenen Daten. Sie bilden den Kern desProgramms und enthalten alle wichtigen Informationen zur Kommunikation zwischenComputer und Multimeter.Die Remote-Befehle, die zur Steuerung des Multimeters verwendet wurden, sind aus dervom Hersteller mitgelieferten Anleitung fur das DMM entnommen und werden in derfur den hier erwunschten Zweck benotigten Art und Weise durch die VISA-Strukturenubergeben. Eine genaue Beschreibung der verschiedenen Befehle findet sich in der An-leitung [4] des DMM. Eine Auflistung der im Programm verwendeten Remote-Befehlebefindet sich im Anhang (A.2.2) dieser Arbeit.Auf die Funktionen aller im Programm verwendeten Strukturen kann hier nicht einge-gangen werden, weshalb hier nur ausgewahlte im Zusammenhang mit der im Folgendengeschilderten Bedienung und Funktionsweise der Benutzeroberflache erlautert werden.Teilweise sind die verschiedenen Strukturelemente selbsterklarend und konnen ohne jeg-liches Vorwissen verstanden werden.

Die Benutzeroberflache des Programms ist relativ einfach aufgebaut und dient zur An-zeige der verschiedenen Werte, die vom Multimeter ausgelesen werden. Das Programmenthalt eine ”Tab-Kontrollstruktur“ (Abb. 3.8), die verschiedene Anzeigeelemente in un-terschiedlichen Zusammensetzungen enthalt. Durch das Umschalten zwischen den vor-handenen Seiten kann, je nachdem welche Daten bei der aktuellen Uberwachung desKryostaten benotigt werden, eine passende Zusammenstellung ausgewahlt und ange-zeigt werden. Links der Tabstruktur befindet sich am Rand des Bildschirms der Stopp-knopf zum Beenden des Programmes, eine Anzeige fur eventuell auftretende Fehler undein Schalter, mit dem zwischen zwei unterschiedlichen Auslesemodi am Multimeter aus-gewahlt werden kann. Auf die Funktion des Schalters wird weiter unten noch eingegan-gen.

Auf der ersten Seite werden alle 20 Daten, so wie sie vom Multimeter ausgelesen werden,auf einen Blick dargestellt. Links befinden sich die Werte der sechs Fullstandswiderstandeim Magnetkryostat, angegeben in Ohm. Daneben werden, ebenfalls in Ohm, die Werteder vier Widerstande im oberen Teil des Kryostaten und die drei der Probenstabe ange-zeigt. Jeder dieser 13 Werte wird vom Multimeter direkt uber eine Widerstandsmessungausgelesen und angezeigt. Die restlichen sieben Werte am rechten Rand des Bildschirmes

18


werden uber eine Spannungsmessung ausgelesen und in Volt angezeigt.Das Multimeter wurde so programmiert, dass alle 20 Werte der Reihe nach von links

Abbildung 3.8.: Erste Seite der Benutzeroberflache mit allen Rohdaten, die vom Multimeterausgelesen werden. Von links nach rechts werden zuerst die Fullstandssensoren angezeigt, ganzrechts befinden sich die Spannungswerte der ubrigen 7 Messstellen. Zur Interpretation derFarben siehe Abb. A.3 und A.4

nach rechts zyklisch ausgelesen werden. Sobald also der letzte Wert, der den Heizstromfur die Steuerung des Dauerstromschalters angibt, ausgelesen wurde, beginnt das Mul-timeter wieder mit dem Auslesen des ersten Widerstandes im Magnetkryostaten. DieZyklusdauer wurde in der Programmstruktur durch eine zeitgesteuerte While-Schleifeauf T = 1 s festgelegt. Dies bedeutet, dass jeder der 20 Werte einmal pro Sekunde aus-gelesen wird.Da das DMM bei jedem Durchlauf des Auslesevorgangs zwischen Widerstands- undSpannungsmessung wechseln muss, hat dies ein Umschalten und Zuruckschalten einesRelais in jedem Zyklus zur Folge. Dies außert sich in einem regelmaßigen Klicken. Umdas Relais, trotz seiner sehr hohen Lebensdauer von 1010 Schaltungen, nicht unnotig ab-

19


zunutzen, wurden zwei verschiedene Auslesemodi in das Programm integriert, die uberden bereits erwahnten Schalter am linken Bildschirmrand gesteuert werden konnen. Im

”filling mode“ werden die Daten wie oben erlautert einfach zyklisch ausgelesen. Wieder Name schon sagt, eignet sich dieser Modus besonders zum Fullen des Kryostatenmit Helium, da dabei kontinuierlich der Fullstand der Tanks beobachtet werden muss.Wahrend des allgemeinen Uberwachens des Kryostaten bei Messungen oder Vorberei-tungen von Experimenten ist das kontinuierliche Auslesen der Fullstandswiderstandeallerdings unnotig. Dafur ist es ausreichend das Programm im ”observation mode“ aus-zufuhren. Hierbei liest das Multimeter nur die Spannungswerte zyklisch aus, wodurchdas Umschalten des Relais entfallt. Da aber das Auslesen der Fullstandswiderstandenicht ganzlich vernachlassigt werden kann, werden diese auch im ”observation mode“ inregelmaßigen Abstanden ausgelesen. Dazu schaltet das DMM im Abstand von 60 s furkurze Zeit auf den vollstandigen Zyklus, um aktuelle Werte fur die Widerstandsmessun-gen zu erhalten. Es ist zu beachten, dass wahrend dieses Umschaltvorgangs und auchbei der manuellen Umschaltung vom Uberwachungs- in den Fullmodus fur einen kurz-en Moment Messfehler auftreten, die aber im nachsten Auslesezyklus bereits korrigiertwerden.

Die restlichen Seiten sind fur eine speziellere Uberwachung der einzelnen Betriebsdatenvorgesehen. Im Gegensatz zur ersten, auf der alle gemessenen Daten angezeigt werden,sind auf den folgenden Seiten aus Grunden der Ubersichtlichkeit nur die Daten zu sehen,die fur bestimmte Messungen und Kontrollen relevant sind.

Die zweite Seite (Abb. A.3) ist speziell fur die Uberwachung des Fullstands des Kryo-staten gedacht. Sie eignet sich daher vor allem zur Verwendung in Verknupfung mit demFullmodus. In dieser Anzeige ist eine einfache schematische Zeichnung des Kryostatendargestellt. Sie besteht aus sechs breiten rechteckigen Blocken, die die dazugehorigenFullstandswiderstande im Magnetkryostaten symbolisieren sollen, und vier daruberlie-genden schmaleren Blocken fur den oberen Teil des Kryostaten. Links neben dieser Dar-stellung werden zu den Blocken die jeweiligen Werte der Widerstande und eine Signal-leuchte angezeigt. Befindet sich ein Widerstand noch im Helium, so zeigt die Signal-leuchte grunes Licht und der entsprechende rechts befindliche Block ist blaulich gefarbt.Sinkt der Heliumstand unter einen bestimmten Widerstand, sodass dessen Wert abfallt,leuchtet das Signal rot und der Block farbt sich schwarz. Die gesamte Anzeige wurdemoglichst groß und zentral eingerichtet, sodass sie auch wahrend des Fullens aus eini-gen Metern Abstand zum Bildschirm relativ gut erkennbar ist. Aus diesem Grund sind

20


auch die Anzeigen fur die Werte des oberen Teil des Kryostaten relativ zu denen desMagnetkryostaten seitlich verruckt, damit sie auf einen Blick richtig zugeordnet werdenkonnen.

Die dritte Seite (Abb. A.4) dient vor allem zur Uberwachung des Kryostaten bei Mes-sungen, die tiefe Temperaturen erfordern. Auf ihr sind die Werte fur die Druckmembran,den Kohlewiderstand und die Widerstande des Probenstabes zu sehen. Die Widerstands-werte des Probenstabes sind wichtig fur die Uberwachung des Heliumstandes im Zen-tralrohr, das zur Messung bei sehr tiefen Temperaturen gefullt wird. Da in diesem Fallder Platinwiderstand keine vernunftigen Messwerte liefert, ist hier nur der Kohlewider-stand dargestellt. Fur die beiden vom Multimeter ausgelesenen Werte des Drucks undder Temperatur wurde noch zusatzlich eine Umrechnung der Spannungswerte in die je-weils ublichen Einheiten in das Programm eingefugt, die hier ebenfalls dargestellt sind.Die Umrechnung fur den Temperaturwert stammt aus einer fruheren Kalibrierungsmes-sung des Kohlewiderstands am Institut. Dabei wurde experimentell eine Spannungs-Temperatur-Kurve aufgenommen, aus der dann die Parameter fur eine passende Um-rechnungsformel bestimmt wurden. Die Messkurve wurde unterhalb einer Temperaturvon 80 K aufgenommen, sodass der umgerechnete Wert auch nur bis zu dieser Tempera-tur sinnvoll ist.Die fur die Umrechnung des Drucks integrierte Formel basiert auf einer mit Origin be-stimmten Fitkurve (Abb. A.6), die aus einer Wertetabelle [5] fur ein Druckkontrollsystemerrechnet wurde. Diese Tabelle stammt aus einer parallel am Institut durchgefuhrten Ba-chelorarbeit, in deren Rahmen das Kontrollsystem entwickelt wurde. Nur in Verbindungmit diesem Gerat liefert die Anzeige einen brauchbaren Wert.

Die vierte und letzte Seite (Abb. A.5) soll nochmal einen Uberblick uber die wichtigs-ten Betriebsdaten des Kryostaten geben. Im oberen Teil werden die beiden Messwerteund Umrechnungen fur die Temperatur im Zentralrohr angezeigt. Die Umrechnung desPlatinwiderstands wird durch die Verwendung eines dafur entwickelten Unterprogrammsdurchgefuhrt. Das Unterprogramm bestimmt aus dem gemessenen Spannungswert unterVerwendung einer gut bekannten Tabelle den zugehorigen Temperaturwert durch Inter-polation.Es sollte noch erwahnt werden, dass aus Grunden der hohen Genauigkeit des Spannungs-wertes (bis zu 6 oder 7 Dezimalstellen), die zur Bestimmung der Temperatur notwendigist, eine Stabilisierung dieses Wertes in das Hauptprogramm eingebaut wurde. Dazuwerden unter Verwendung mehrerer Schieberegister im Programmcode bei jedem Ausle-

21


sevorgang des Platinwiderstands einige vorangehende Datenwerte wiederaufgenommenund mit dem aktuell gemessenen ein Mittelwert errechnet, der dann angezeigt und auchfur die Umrechnung verwendet wird.Im unteren Teil der Anzeige werden wieder der Membrandruck mit Umrechnung, so-wie die Werte fur den Strahlungsschild und das Isolationsvakuum angezeigt, fur welcheallerdings keine Umrechnung vorhanden ist.

Außerhalb der oben genannten Whileschleife, die den gesamten Auslesevorgang steuert,lauft parallel noch eine zweite zeitgesteuerte Schleife, die die gemessenen Daten in einTextdokument schreibt und dies auf dem im Programm angegebenen Pfad abspeichert.Dies dient dazu, den zeitlichen Verlauf des Zustands des Kryostaten nachvollziehen undim Falle einer Fehlfunktion oder Storung deren Zeitpunkt und eventuell Ursache fest-stellen zu konnen.

22

Kapitel 4.

Zusammenfassung

Das Ziel dieser Arbeit war es, die Uberwachung der Betriebsdaten eines Kryostaten zuverbessern. Dazu wurde ein digitales Multimeter mit Multiplexeinheit mit den verschie-denen Messstellen des Kryostaten verbunden und der Auslesevorgang der Betriebsdatenuber einen Computer gesteuert.

Zur Verbesserung der Ubersichtlichkeit und erleichterten Bedienung wurde ein neuesUberwachungskonzept fur den zur Raman-Streuung verwendeten Kryostaten entworfen.In dem Labor wurden dazu einige Messgerate entfernt und durch ein neues ersetzt, dasalle notwendigen Betriebsdaten ausliest. Sowohl der Anschluss des digitalen Multimetersmit Multiplexeinheit an den Kryostaten, als auch das Schreiben eines speziell zum Aus-lesen der Daten entwickelten LABVIEW Programms waren Teil dieser Bachelorarbeit.Die 20 auszulesenden Werte werden nun in LABVIEW am Computerbildschirm ange-zeigt, und es kann zwischen verschiedenen Zusammenstellungen der Daten ausgewahltwerden, je nach dem, welche zum Zeitpunkt der Arbeit im Labor benotigt werden.

Das angeschlossene DMM wurde im Laufe der alltaglichen Laborarbeit, wie zum Bei-spiel beim Fullen des Kryostaten, getestet und auf seine Funktionsfahigkeit uberpruft.Außerdem wurde es zur Durchfuhrung von Experimenten mit Raman-Streuung verwen-det, fur die das neue Uberwachungskonzept in Zukunft zum Einsatz kommen soll. BeiRaman-Messungen an BaVS3 und ZnCr2Se4 wurde die Funktionsfahigkeit in vollem Um-fang in einer konkreten experimentellen Situation nachgewiesen.

23

Kapitel 4. Zusammenfassung

24

Anhang A.

Anhang

A.1. Experimenteller Aufbau

Abbildung A.1.: Elektronischer Temperaturregler ”Oxford ITC“ mit dem neuen Multimeterdaruber.

25

Anhang A. Anhang

A.2. Beschreibung des neuen Aufbaus

A.2.1. Schaltplan

Abbildung A.2.: Plan der verschiedenen Kontakte und Buchsen des Anschlusskastchens mitder Multiplexeinheit des neuen Multimeters.

26

A.2. Beschreibung des neuen Aufbaus

A.2.2. Remote-Befehle

General setting, commands:

*rst (Reset)trac:cle:auto\soff (Automatisches Loschen des Speichers: Aus)func\s’res’,\s(@101:113) (2-Punkt-Widerstandsmessung fur Kanale 101-113)res:rang\s10000,\s(@101:113) (Messbereich fur Widerstande bis zu 10000 Ohm)res:nplc\s1,\s(@101:113) (Integrationsrate fur Widerstande)func\s’volt’,\s(@114:120) (DC-Spannungsmessung fur Kanale 114-120)volt:rang\s10,\s(@114:116)volt:rang\s0.1,\s(@117)volt:rang\s10,\s(@118:120)volt:nplc\s1,\s(@114:116) (Integrationsrate fur Spannungen)volt:nplc\s1,\s(@117)volt:nplc\s1,\s(@118:120)syst:azer:stat\soff (Autozero: Aus)volt:aver:state\soff (Filter: Aus)trigger:delay\s0\n (Ausloser-Verzogerung: Keine)

Configuration filling mode, commands:

trac:cle (Speicher loschen)samp:coun\s20 (Anzahl der Messungen)rout:open:all (Offnet alle Kanale fur die Messung)rout:scan\s(@101:120) (Befehl zur Messung aller Kanale)rout:scan:lsel\sint (Scan aktivieren)form:elem\sread (Anzeigeformat der Messwerte)read?\n (Auslesebefehl)

Configuration observation mode, commands:

trac:clesamp:coun\s7rout:open:all

27

Anhang A. Anhang

rout:scan\s(@114:120)rout:scan:lsel\sintform:elem\sreadread?\n

A.3. Benutzeroberflache

Abbildung A.3.: Dritte Seite der Benutzeroberflache mit der Anzeige der im Kryostat vor-handenen Fullstandssensoren. Rotes Licht bedeutet, dass an dieser Stelle kein Helium mehrvorhanden ist, grunes Licht zeigt an, dass der Sensor sich noch im Helium befindet.

28


Abbildung A.4.: Dritte Seite der Benutzeroberflache zur Uberwachung des Kryostaten beitiefen Temperaturen. Gelbes Licht bei den Fullstandssensoren zeigt an, dass diese im Momentnicht an das Multimeter angeschlossen sind.

29

Anhang A. Anhang

Abbildung A.5.: Vierte Seite der Benutzeroberflache mit den wichtigsten Daten und umge-rechneten Werten zur Uberwachung des Kryostaten.

30


Abbildung A.6.: Origin-Graphik zur Umrechnung der gemessenen Spannungswerte fur dieDruckmembran in bar.

31

Literaturverzeichnis

[1] M. Vojta, Physik Journal 1, 55 (2002).

[2] P. Fazekas, N. Barisic, I. Kezsmarki, L. Demko, H. Berger, L. Forro, and G. Mihaly,Phys. Rev. B 75, 035128 (2007).

[3] K.-Y. Choi, D. Wulferding, H. Berger, and P. Lemmens, Phys. Rev. B 80, 245108(2009).

[4] K. Instruments, Model 2701 Ethernet-Based DMM User Manual, 512 (2008).

[5] V. Kunkel, private Mitteilung (2011).

33

Anhang A. Literaturverzeichnis

34

Danksagungen

Zum Abschluss mochte ich mich noch bei allen bedanken, die mich bei meiner Bache-lorarbeit unterstutzt haben.Insbesondere gilt mein Dank

Prof. Dr. Rudolf Groß, der mir die Arbeit am Walther-Meissner-Institut ermoglichthat.

Dr. Rudi Hackl fur die gute Betreuung wahrend meiner Arbeit.

Andreas Baum fur die sehr hilfreiche Unterstutzung und guten Ratschlage wahrendder praktischen Arbeit im Labor und Institut.

Hans-Martin Eiter fur die große Hilfe bei den Messungen im Labor und die Beant-wortung vieler experimenteller und physikalischer Fragen.

Reinhard Roßner fur die tatkraftige und lehrreiche Unterstutzung bei den techni-schen Arbeiten in Labor und Werkstatt.

Thomas Bohm fur die Hilfe bei den Experimenten und deren Analyse.

dem technischen Personal und allen Mitarbeitern des Instituts, die mir bei derAnfertigung der Arbeit mit Ratschlagen und Auskunften stets weitergeholfen haben.

Ganz besonders mochte ich mich noch bei meinen Eltern Herbert und Hildegardbedanken, die mich wahrend meines ganzen Studiums unterstutzt, und mir dies alleserst ermoglicht haben.

35

Computergestutzte¨ Uberwachung und Kontrolle¨ …...Physik-Department Walther-Meißner-Institut...

Documents

Transcript of Computergestutzte¨ Uberwachung und Kontrolle¨ …...Physik-Department Walther-Meißner-Institut...