ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ НА ПЛЕНКАХ ЖИГ С BI ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ НАПРЯЖЕННОСТИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ И СИЛЫ ТОКА
Берикашвили В.Ш., Чижов В.С., Яковлев М.Я.
МИРЭА, ЦНИТИ «ТЕХНОМАШ -ВОС»
Приведены результаты исследования взаимодействия магнитного поля с тонкопленочными доменными структурами на основе железо-иттриевого граната (ЖИГ) с висмутом. Разработана конструкция и проведены испытания волоконно-оптических датчиков, на базовых пленочных сенсорных элементах ЖИГ с Bi, для дистанционного контроля напряженности магнитных полей и силы тока в магистральных тоководах высокого напряжения. Показана возможность измерений токов от 0,1 А до 100 кА с относительной точностью не хуже 2%.
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время во всем мире интенсивно ведутся работы по созданию волоконно-оптических систем сбора, обработки и передачи информации [1-10]. В таких системах используются волоконно-оптические датчики-преобразователи различных физических величин [2-10]. Бурное развитие волоконно-оптических систем сбора информации связано как с особенностями различных отраслей науки и техники, так и с замечательными свойствами этих систем. Они искро- и пожаро- безопасны, устойчивы к электромагнитным помехам, малогабаритны, потребляют мало энергии. Они также позволяют создавать как локальные так и распределённые на большом пространстве чувствительные элементы и системы непрерывного контроля. Особенно перспективны волоконно-оптические датчики и системы во взрывоопасных производствах и системах экологического мониторинга на предприятиях с вредными и пожароопасными производствами, а также на территориях больших городов[8-10].
Датчики преобразования давления, температуры, измерения перемещений, скоростей и ускорений разработаны довольно хорошо [1-5]. Сравнительно мало разработаны датчики-преобразователи электромагнитных полей и особенно мало разработок для области СВЧ -полей [6].
Волоконно-оптические датчики (ВОД) магнитных и электрических полей разрабатываются в основном для дистанционного контроля в сетях постоянного и переменного тока. Потребность в них возникает в связи с тем, что для прямого измерения токов и напряжений в высоковольтных сетях требуются специальные методы и средства для развязки высокого напряжения в сети и низкого напряжения измерительной аппаратуры. Особенно трудно проводить прямые измерения токов в высоковольтных сетях постоянного тока. В частности, известны волоконно-оптические датчики (ВОД) напряженности электрического поля [5,6], в которых элемент, чувствительный к электрическому полю, создан на основе электрооптического эффекта Поккельса. Устройства такого типа позволяют проводить измерения при гальванической развязке контролируемого объекта и регистрирующей аппаратуры.
Одной из основных проблем при разработке ВОД электрических и магнитных полей является выбор электро- или магнитооптического (ЭО, МО) материала для чувствительного элемента. Чувствительный элемент должен обладать достаточно сильным и температурно стабильным ЭО и МО эффектом. При этом требование согласования их с волоконно-оптическими линиями существенно ограничивает круг применимых материалов.
Разработки и исследования материалов для оптических датчиков измерения магнитных полей ведутся довольно давно [4-8]. Наиболее перспективным признано использование в этих датчиках эффекта Фарадея (вращение плоскости поляризации электромагнитных волн в веществе под действием продольного магнитного поля). Установлено[4-5,11], что этот эффект наиболее сильно проявляется для видимого диапазона длин волн у железо-иттриевого граната (ЖИГ) [11]. В последующих исследованиях [12] показано, что эффект Фарадея более сильно выражен у ЖИГ с присадкой висмута (ЖИГ+Bi), что позволяет регистрировать поля напряженностью 0,5 - 10 Гс тонкопленочными чувствительными элементами с толщиной пленки ЖИГ+Bi около 10 мкм. Особенно важным представляется то, что чувствительные элементы на основе тонких пленок могут иметь малые размеры и слабо влиять на распределение магнитного поля в волноводах.
Целью настоящей работы было исследование физических явлений при взаимодействии магнитного поля с тонкопленочными доменными структурами на основе ЖИГ с висмутом, а также разработка и изготовление базовых пассивных элементов многоканальных разветвленных оптоволоконных измерительных преобразователей для контроля напряженности магнитных полей и измерения токов в магистральных тоководах высокого напряжения.
ОПИСАНИЕ ИССЛЕДУЕМЫХ ОБРАЗЦОВ
В качестве чувствительного элемента волоконно-оптических датчиков-преобразователей магнитного поля использовались пленки ЖИГ с присадкой висмута (ЖИГ+Bi) толщиной около 10 мкм на подложке из галлий-гадолиниевого граната (ГГГ), выращенные из расплава окислов свинца [12]. Всего использовано 3 образца.
Образец №1 светлой оранжево-коричневой окраски с толщиной пленки ЖИГ+Bi 7,5 мкм и содержанием висмута 0,05 объема, внутренней намагниченностью 100 Гс, полем коллапса доменов 60 эрстед и вращением Фарадея в доменах - 13°. Под микроскопом в скрещенных поляроидных пленках хорошо просматривалась лабиринтная доменная структура. Под действием магнитного поля доменная структура перестраивалась и при напряженности поля больше поля коллапса полностью исчезала.
Образец №2 оранжево-коричневой окраски с толщиной пленки ЖИГ+Bi 8,5 мкм и содержанием висмута 0,06 объема, внутренней намагниченность 110 Гс, полем коллапса доменов 70 эрстед и вращением Фарадея в доменах - 18°. Под микроскопом, в скрещенных поляроидных пленках, хорошо просматривалась лабиринтная доменная структура. Под действием магнитного поля доменная структура перестраивалась и при напряженности поля больше поля коллапса полностью исчезала.
Образец №3 темно-коричневой окраски, с толщиной пленки ЖИГ+Bi 15 мкм с одной стороны и 16,5 мкм с другой стороны с содержанием висмута 0,15 объема, с внутренней намагниченность 360 Гс, полем коллапса доменов 180 эрстед и вращением Фарадея в доменах - 46°. Под микроскопом, в скрещенных поляроидных пленках, хорошо просматривалась лабиринтная доменная структура на двух сторонах образца. Под действием магнитного поля доменная структура перестраивалась и при напряженности поля больше поля коллапса полностью исчезала.
Толщина пленки измерялась методом интерференционных биений с помощью спектрофотометра СФ-16. Монохроматическое излучение со спектральной полосой 1 нм направлялось на поверхность пленки под углом 2-3°к вертикали. Отраженный свет регистрировался фотоприемником, сигнал усиливался и записывался графопостроителем с реперными метками отсчета длин волн. При равномерной перестройке длины волны излучения монохроматора можно было наблюдать периодические биения интенсивности сигнала, регистрируемого аппаратурой. По периоду биений рассчитывалась толщина пленки с точностью 0,3 мкм. Контрольные измерения толщины пленки проводили на микроскопе «Биолам» с измерительной окулярной насадкой, позволявшей проводить измерения геометрических размеров с точностью 1 мкм.
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ МАГНИТНОГО ПОЛЯ НА ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ
С целью изучения физических явлений, происходящих в пленках ЖИГ+Bi под действием магнитного поля, были проведены детальные исследования и наблюдения доменной структуры в скрещенных поляроидах под микроскопом МБС с кратностью увеличения 32 и 64. Наблюдения показали, что при поляроидах, скрещенных под углом 45°, на длинах волн вблизи 0,63 мкм, наблюдается плотная лабиринтная доменная структура с темными и светлыми полосами примерно равной толщины. Минимальная периодичность полос составляла 20 - 25 мкм. Наличие темных и светлых полос указывает на то, что доменные структуры в разрезе по вертикали к плоскости пленки представляют собой замкнутые намагниченные кольца (рис.1). Причем если в светлой области направление вектора намагничения принять за положительное, то в темной направление вектора намагничения противоположное (отрицательное).
Рис. 1. Видимые темные и светлые полосы доменов в скрещенных поляроидах (а) представление их поперечном сечении (б) и расположение силовых линий магнитной индукции (в)
Известно [11], что продольное магнитное поле в одном случае увеличивает фазовую скорость волны с левой циркуляцией и замедляет волну с правой циркуляцией. Изменение направления магнитного поля на противоположное приводит к увеличению фазовой скорости волны с правой циркуляцией и замедлению волны с левой циркуляцией. В результате, линейно поляризованное излучение, которое можно представить как суперпозицию право- и левовращающихся волн, поворачивается за счет эффекта Фарадея на угол:
j = BЧHЧZ, (1)
где H - напряженность магнитного поля в эрстедах, B - постоянная Верде в град./(эрстедЧм), Z - расстояние, пройденное светом в феррите в м.
Величина В изменяется от 10-1 град./(эрстедЧм), для кварцевого стекла до 102 град./(эрстедЧм), для ферритовых диэлектриков, причем для ЖИГ с Bi она аномально высока на длинах волн близких к краю поглощения и на длине волны l =0,63 мкм и составляет от 5 Ч102 до 5 Ч104 град./(эрстедЧм) в зависимости от содержания Bi [12].
В лабиринтной доменной структуре тонких пленок ЖИГ с Bi, наблюдаемых в скрещенных под 45? поляроидах (рис.2а), светлые полосы свидетельствуют о том, что в этих зонах магнитное поле направлено так, что за счет эффекта Фарадея линейно поляризованное излучение поворачивается на 45° в одном направлении (принятом за положительное) и проходит через поляризатор-анализатор. Наоборот, темные полосы говорят о том, что в них противоположная намагниченность, плоскость поляризации излучения поворачивается в противоположную сторону. Поляризатор-анализатор воспринимает подходящее излучение как ортогональное и не пропускает его (рис.1 и 2а).
Рис. 2. Эволюция доменной структуры (а - плотная структура с равнотолщинными темными и светлыми полосами, б - истончение темных полос, в - вытягивание доменов, г - переход в коллапс)
волоконный оптический датчик дистанционный
Детальное изучение физических явлений, происходящих при взаимодействии магнитного поля с доменной структурой тонких намагниченных пленок ЖИГ с Bi, проводилось по наблюдениям под микроскопом МБС-10 с кратностью увеличения 32 и 64. Изменения доменной структуры наблюдались под воздействием постоянного магнитного поля при изменении напряженности поля и его направленности. Изображение видимой картины изменения доменов в поле микроскопа, под действием внешнего магнитного поля с вектором напряженности перпендикулярным к плоскости пленки, приведено на рис.2. Последовательность изменения картин на рис.2 (а, б, в и г) соответствует изменениям, происходящим в доменной структуре с ростом напряженности магнитного поля.
При увеличении напряженности магнитного поля с вектором поля перпендикулярным к плоскости пленки, изменения доменной структуры происходили в следующей последовательности:
1) Изменяется ширина полос - светлая часть увеличивается, темная уменьшается. Видимые картины перехода показаны на рис.2а и 2б. При смене направления поля на противоположное - наоборот, темная часть увеличивается, светлая уменьшается.
2) При некотором уровне напряженности магнитного поля происходит перестройка доменной структуры в сторону укрупнения линейных размеров доменов.
3) При дальнейшем увеличении напряженности поля домены становятся ленточными и появляется зона коллапса (ровное поле без доменов или с островками цилиндрических доменов, рис.2в).
4) При дальнейшем увеличении напряженности поля домены полностью исчезают, поле магнитной пленки становится равномерно светлым (рис.2г).
5) При изменении полярности магнитного поля, примерно при той же напряженности, поле магнитной пленки становится равномерно темным.
Последние явления свидетельствуют о том, что при достаточно большой напряженности магнитного поля электронные оболочки атомов ориентируются в одном направлении и угол вращения плоскости поляризации света за счет эффекта Фарадея становится одинаковым для всего поля магнитной пленки. Напряженность магнитного поля, соответствующая этому переходу соответствует напряженности поля коллапса. Последовательность изменения картин в поле микроскопа, приведенная на рис.2, соответствует последовательности вышеописанных эффектов, происходящих в доменной структуре при увеличении напряженности магнитного поля.
КОНСТРУКЦИЯ ДАТЧИКОВ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА
Для волоконно-оптических датчиков (ВОД) напряженности магнитного поля и силы тока важно, чтобы соблюдалась линейная зависимость выходного оптического сигнала от уровня напряженности поля или силы тока. Для проверки линейной зависимости и оценки ошибок, связанных с нелинейностью и гистерезисом были изготовлены экспериментальные образцы волоконно-оптических датчиков для измерения напряженности магнитного поля и силы тока: М1, М2 и М3.
Конструкция чувствительной головки датчиков с волоконно-оптическими магистралями приведена на рис.3. Чувствительная головка состоит из следующих элементов: 1 - диск ГГГ с пленкой ЖИГ+Bi, 2 - поляроидная пленка (поляризатор), 3 - поляроидная пленка (анализатор), 4 - полиамидная опорная трубка, 5 и 6 - штекеры подводящего 7 и отводящего 8 оптических волокон, 9 и 10 - штекеры для подключения к излучающему и фотоприемному блокам.