Électronique d’acquisition

Nous allons finir par une présentation du dispositif électronique expérimental que nous utilisons afin de générer les courants de lecture et d’excitations et de déterminer les tensions

Calorimètre (perpendiculaire) Calorimètre

(orientable) Condensateurde calibration Connecteurscalorimètres Chauffages Thermomètre

principal SondeHall Thermomètresecondaire

F i g u r e 3.9Photographies du porte échantillon utilisé en champs intenses. Haut : vue du dessous, montrant le thermomètre principal (RuO), le thermomètre secondaire (Cernox), la sonde Hall (permettant de vérifier l’orientation du champ lors de l’utilisation de bobines horizontales) et les chauffages de régulation. Bas : vue du dessus, montrant les deux montages possibles des calorimètres (montage longitudinal/orientable et perpendiculaire, lorsque le champ est appliqué avec une bobine verticale), le condensateur de calibration et les connecteurs électriques des calorimètres.

aux bornes du chauffage et du thermomètre, ce qui nous permet de mesurer la capacité thermique de nos échantillons en utilisant la méthode présentée en section3.2.2.

Tous les courants alternatifs utilisés, c’est-à-dire les courants de lecture de la température du thermomètre et du chauffage iTet iH, ainsi que le courant d’excitation IAC, sont générés par une source de courant commandée en tension par un double lock-inZurich Instrument HF2LI, dont un côté est utilisé pour le chauffage et l’autre pour le thermomètre. Le courant continu de lecture des oscillations de température du thermomètre IDCest généré par une source de tension continueYokogawa 7651 DC Voltage Source, et additionné au signal alternatif iTgrâce à la fonction add du côté thermomètre du lock-in. La source de courant qui convertit les tensions générées par le lock-in est développée au CNRS et permet de convertir une tension d’entrée de±1 V en un courant proportionnel sur différentes gammes, de±1 µA à±10 mA.

À basse température (en dessous de 4 K), les amplitudes de iTet iHsont de l’ordre de 0.1 µA, tandis que les courants IACet IDCvarient de 1 à 10 µA. La puissance générée par les courants de lecture est donc plusieurs ordres de grandeur plus faible que celle générée par le courant d’excitation. De plus, les fréquences élevées ωTet ωHsupérieures à 100 Hz, sont choisies bien au-delà du temps de réponse du système afin de ne pas induire d’oscillations

de température. Les tensions aux bornes du chauffage et du thermomètre sont ensuite filtrées (passe-bande 0.03 Hz et 30 kHz) et amplifiées par deux amplificateurs à bas bruit Stanford SR560 low noise Preamplifier, de 5 à 200 fois afin d’obtenir des tensions à V2ω et V3ω de l’ordre de la fraction à la dizaine de millivolts. Ceci permet d’obtenir un rapport signal sur bruit inférieur à 10−4sur la tension, qui engendre un bruit inférieur à 10−3sur la capacité thermique (aux plus basses températures, l’utilisation de courant de lecture plus faible pour limiter l’effet de découplage du thermomètre augmente le bruit de mesure, comme le montre la Fig.3.8b)).

O Lock-in + I Source Courant Source Tension DC O I Ampli Ampli

F i g u r e 3.10Schéma électronique du dispositif de calorimétrie. La source de courant com- mandée en tension par le lock-in et la source de tension DC génère les courants

de lecture de température iTet iH, d’excitation du chauffage IACet de lecture

des oscillations de température du thermomètre IDC. Ces courants sont injectés

dans les deux résistances RTet RHde la Cernox, qui jouent le rôle de chauffage

et de thermomètre. Les tensions générées aux bornes de ces deux résistances

sont amplifiées et filtrées et les composantes VωT, VωH, V2ωet V3ωsont analysées

par le lock-in.

Le lock-in permet ensuite d’obtenir les amplitudes et phases des tensions VωT, VωH, V2ω

et V3ω. Tout le dispositif électronique de notre chaîne d’acquisition est illustré en Fig.3.10. Bien qu’étant adapté aux hautes fréquences, le HF2LI a l’avantage de pouvoir mesurer des fréquences communes ainsi que leurs harmoniques sur les deux entrées, ce qui permet la lecture des tensions à 2ω du thermomètre, celle à 3ω du chauffage ainsi que les températures de base à ωTet ωHen utilisant un seul instrument.

La non-reproductibilité de nos mesures provient de variations d’une mesure à une autre des températures du thermomètre et du chauffage par rapport à celle du thermomètre de référence. Comme le thermomètre et le chauffage du calorimètre sont calibrés par rapport à ce thermomètre de référence, ils devraient par définition indiquer les mêmes températures (lorsque l’on ne chauffe pas avec les courants IACet IDC). Pour tenir compte de ces variations, causées a priori par des dérives lentes des instruments, nous corrigeons manuellement les gains des préamplificateurs afin de fixer les températures à celle du thermomètre de référence. Cet ajustement des gains est généralement inférieur à 1 % et entraîne une variation

typique de la capacité thermique d’une mesure à une autre d’environ 5 %.

Une fois les tensions et courants déterminés, on peut calculer les puissances, les tempé- ratures moyennes et les oscillations de température en utilisant les calibrations de RT et RH

comme nous l’avons vu dans la section précédente. Tout ceci est fait grâce à un programme LabVIEW développé spécifiquement pour piloter toute l’expérience de calorimétrie. Il assure la communication avec tous les instruments, notamment le lock-in et la source de tension DC pour paramétrer les courants de mesures. Les calibrations implémentées dans le programme permettent également de déterminer la température des thermomètres principaux mesurés par des ponts de résistances et celles du calorimètre avec le lock-in.

Tous les paramètres de calorimétrie (oscillations de températures, puissances, phases, couplages, et les autres vus en section3.2.2) sont calculés en temps réel, ce qui permet de vérifier les conditions d’application de notre modèle idéal, de déterminer la capacité thermique en utilisant l’équation (3.6) puis d’exporter toutes les données dans un fichier de données. Finalement, le programme permet de contrôler la température et le champ magnétique, et ainsi de paramétrer des séquences de mesure, simplement en remplissant un tableau qui configure les rampes en température et en champ magnétique à effectuer.