Материал: Методические указания к лабораторным работам по специальным вопросам микро- и нанотехнологий. Стогней О.В., Косилов А.Т

го заключается в возникновении электрического тока в замкнутом контуре при изменении плотности магнитного потока, проходящего через этот контур.

Применительно к вибрационному магнетометру этот закон выражает связь между ЭДС (eи), возникающей на концах электропроводящего контура площадью S, и величиной магнитного момента образца (pm), при условии, что данный контур пересекается некоторой частью ( ) магнитного потока ( ), создаваемого образцом, объем которого V :

pm – магнитный момент образца,

B – индукция, создаваемая образцом,0 - магнитная постоянная.

В случае вибрационного магнетометра электропроводящим контуром являются измерительные катушки. Обычно применяют четыре измерительные катушки, соединенные последовательно. Такая конфигурация из четырех катушек снижает паразитные шумы и повышает чувствительность метода. Магнитным потоком является магнитное поле, которое создает вокруг себя образец, обладающий магнитным моментом. Таким образом, величина eи, возникающая в измерительных катушках, зависит от величины магнитного момента образца. Если намагниченный образец колеблется (вибрирует) с частотой вдоль оси y относительно катушки с числом витков w’ по закону y=y’+Ycos t, то магнитный поток через контур будет равен W= 0 w’SV-1pmY sin t, где Y – амплитуда колебаний; y’- неточность установки начального положения образца по оси y (рис. 1). Отсюда следует, что возникающая в контуре ЭДС также будет меняться синусоидальному закону:

а постоянная составляющая возникающего сигнала будет равна

14

Рис.1. Схема магнитометрического метода измерения намагниченности пленок при колебании образца в поперечной геометрии.

Таким образом, сигнал, возникающий в измерительных катушках, будет пропорционален частоте колебаний, амплитуде колебаний, площади контура, сцепленной с потоком, объѐму образца и, самое главное, магнитному моменту образца.

Аппаратно вибрационный магнетометр устроен следующим образом (см. рис. 2). Образец 1, расположенный между измерительными катушками 2, обладая собственным магнитным моментом pm , создает вокруг себя магнитное поле (собственное поле образца), которое пересекает витки измерительных катушек 2. Если образец совершает колебания (вибрирует в вертикальном направлении), то вместе с ним в вертикальном направлении перемещается и магнитный поток (его собственное магнитное поле), связанный с образцом. Таким образом, получается, что поле, в котором находятся витки измерительных катушек 2, постоянно меняется.

Еще раз следует подчеркнуть, что поле, пронизывающее катушки 2, меняется потому что сам образец перемещается относительно катушек. Изменяющееся магнитное поле индуцирует в витках измерительных катушек ЭДС (eИ), пропорциональную магнитному моменту образца в соответствии с выражением (1). Если образец неподвижен, то тогда изменение потока в измерительных катушках отсутствует и ЭДС, соответственно, не возникает.

15

Рис. 2. Схема вибрационного магнетометра 1 – образец, 2 – измерительные катушки, 3 – шток, 4 – источ-

ник механических колебаний, 5 – генератор синусоидальных сигналов Г6-26 , 6 - селективный усилитель УПИ-2, 7 – канал подачи опорного сигнала на усилитель, 8 – регистрирующий компьютер с платой аналого-цифрового преобразования,

9 – датчик Холла

Образец закреплен на длинном штоке (3), передающем ему колебания от специального устройства (4), в котором механические колебания возбуждаются благодаря электрическому синусоидальному сигналу, поступающему с генератора (5). Полезный сигнал, возникающий в измерительных катушках, представляет собой синусоиду с частотой, равной частоте колебания образца. Сигнал, возникающий в измерительных катушках, как правило, очень слабый, поэтому он подается на селективный усилитель УПИ-2 (6). С помощью этого усилителя сигнал, идущий от измерительных катушек, преобразуется в постоянный и усиливается до значений, которые могут быть зарегистрированы с помощью обычных приборов (в данном случае это плата аналого-цифрового преобразования компьютера). Особенностью усилителя УПИ-2 является то, что он усиливает лишь те колебания, частота которых совпадает с частотой опорного сигнала (7). Поскольку в качестве опорного сигнала используется тот же сигнал, что и сигнал, поступающий на устройство возбуждения механических колебаний (4),

16

именно ЭДС, наводимая образцом в измерительных катушках

(2), будет усиливаться УПИ-2, в то время как колебания других частот (различные шумы) усиливаться не будут. Усиленный полезный сигнал поступает на плату АЦП регистрирующего компьютера (8). Этот сигнал, пропорциональный по величине магнитному моменту образца, будет откладываться по оси ординат на измеряемой зависимости.

При исследовании кривых намагничивания необходимо плавно менять магнитное поле, воздействующее на образец. C этой целью вибрационный магнетометр смонтирован в зазоре между кернами электромагнита. Цепь питания электромагнита показана на (рис. 3).

Рис. 3. Система создания внешнего магнитного поля для перемагничивания образца:

1 – трехфазный переменный автотрансформатор, 2 – выпрямитель, 3- RC-фильтр, 4 – переключатель полярности электромагнита, 5 -катушки электромагнита, 6 – источник постоянного тока, 7 – амперметр, 8 – измерительные катушки магнетометра (на рис. 2 они обозначены цифрой 2), 9 - датчик Холла

Цепь питания включает в себя переменный трехфазный автотрансформатор 1 с помощью которого можно изменять питающее напряжение катушек электромагнита (5) от нуля до 150 В. Переменное напряжение с автотрансформатора подается на диодный выпрямитель (2) и R-C фильтр (3), после чего (уже постоянное и с минимальными биениями) через переключатель полярности магнита (4) поступает на катушки (5).

17

Таким образом, цепь питания позволяет плавно и равномерно менять магнитное поле в зазоре между кернами электромагнита в пределах 0 – 11 кЭ. Напряженность магнитного поля в зазоре электромагнита определяется с помощью датчика Холла 9, запитываемого источником постоянного тока (6), стабильность которого контролируется амперметром (7). Холловское напряжение, пропорциональное напряженности магнитного поля в зазоре электромагнита, подается на регистрирующий компьютер (на рис. 2, поз. 8).

При измерении образцов произвольной формы на вибрационном магнетометре всегда возникает проблема, связанная с тем, что вследствие наличия внутреннего поля размагничивания образца реальное значение напряженности эффективного поля внутри его оказывается меньше прикладываемого. В случае тонких пленок эта проблема решается просто. Известно, что, когда толщина образца (d) значительно меньше его ширины (s) и длины (l), т.е. выполняется условие d/s << 1 и d/l << 1, а намагничивание осуществляется вдоль плоскости образца - коэффициент размагничивания близок к единице. Поэтому исследуемые образцы располагают параллельно внешнему магнитному полю. Поскольку толщина образцов составляла несколько мкм, а линейные размеры 10х3 мм, то вполне корректным является приближение, в соответствии с которым поле внутри образцов равно приложенному внешнему полю.

Практическое задание

1.Закрепить образец аморфной ленты, полученной закалкой из жидкого состояния, на штоке магнетометра.

2.Снять кривую намагничивания этого образца в соответствии с установленным порядком.

3.По кривой намагничивания определить величину коэрцитивной силы исследуемого аморфного сплава.

4.Извлечь измеренный аморфный образец и закристаллизовать его, подвергнув термическому отжигу.

18