Введение к работе
Актуальность темы. Метрология магнитных полей наряду с традиционными задачами оценки значений однородного поля в одной или нескольких точках пространства включает в себя задачу исследования неоднородного распределения вектора магнитной индукции В последнем случае объём полезной информации определяется не только характеристиками отдельно взятого датчика, но и количеством точек измерения и их распределением в пространстве Контроль распределения магнитного поля приобретает особое значение при разработке устройств, основной характеристикой которых является поле заданной конфигурации - магнитные головки, носители информации, магнитные сигналограммы, электроприводы, магнитные системы на постоянных магнитах, микро- и наноэлектромеханические системы (МЭМС и НЭМС), а также при решении обратных задач магнитометрии - определения внутренней структуры источника по его внешнему полю Визуализация распределений неоднородных статических магнитных полей, локализованных или резко изменяющихся в областях пространства с характерными размерами порядка единиц микрон, относится к наиболее сложным проблемам магнитных измерений Самостоятельный интерес представляет разработка эффективных методов определения значений поля на визуализированных силовых (векторных) линиях или на изолиниях его пространственных составляющих
Оценивая проблему визуализации микрораспределений магнитного поля в исторической перспективе, нельзя не отметить ранние ключевые работы 1930-х гг по созданию метода выявления магнитной доменной структуры с помощью порошковых осадков [1,2] При всей своей кажущейся простоте этот метод дал мощный импульс для развития не только теории доменной структуры, но и физики магнетизма в целом
В последующие годы были разработаны новые способы выявления и анализа магнитных микроструктур [2, 3], к числу которых относятся магнитная силовая микроскопия, электронная голография, лоренцева микроскопия, растровая электронная микроскопия с поляризационным анализом, магнитооптическая микроскопия Керра и Фарадея, сканирующая микроскопия на основе СКВИД и миниатюрных элементов Холла и др В этой связи можно отметить два характерных момента Во-первых, число задач исследования магнитных структур постоянно возрастает
почти в геометрической прогрессии, при одновременном значительном повышении требований к объему и качеству получаемой информации Однако признаков возникновения некой единой и универсальной (пусть и дорогостоящей) методики не наблюдается Наоборот, все чаще физически разные методы используются в комплементарных комбинациях Второй особенностью является то, что практически половина из всех разработанных за 70 лет методик была создана за одно-два последних десятилетия, как следствие, опыт работы с ними ещё невелик, а их возможности изучены недостаточно
К числу таких новых методик относится визуализация и
топографирование микрораспределений магнитного поля с
помощью магнитооптических пленок К числу первых сообщений
на эту тему можно отнести работу Алерса 1957 г [4], которая не
получила, однако, заметного развития вплоть до 1980-х гг, когда
было обнаружено, что пленки ферритов-гранатов могут быть
эффективно использованы для исследований
высокотемпературной сверхпроводимости [5, 6] Работы по изучению сверхпроводников получили развитие и интенсивно продолжаются и в настоящее время Кроме того, в последние годы сфера применений магнитооптических пленок стала активно расширяться и находить новые приложения в современном материаловедении и различных технологиях
Вместе с тем следует отметить, что в исследовательской
практике получили в основном распространение лишь несколько
типов "планарных" и одноосных магнитооптических пленок на
основе висмутзамещённых ферритов-гранатов, что ни в коей мере
не исчерпывает разнообразных возможностей, предоставляемых
этими и другими современными магнитооптическими
материалами В свою очередь, разработка материала активной
среды и датчика на его основе требует определения необходимой
для этого совокупности физических свойств и поиска компромисса
между часто противоречивыми требованиями и ограничивающими
факторами Недостаточно разработаны частные методики
применения магнитооптических индикаторных пленок для
решения специфических исследовательских задач (в условиях
воздействия внешних квазистатических и переменных магнитных
полей и механических нагрузок, изменений температуры
изучаемых объектов и др) и процедуры градуировки этих
преобразователей для получения количественной информации Не
найдены эффективные заменители дорогостоящим
монокристаллическим пленкам на основе ферритов-гранатов
Таким образом, актуальность работы определяется практическими потребностями сенсорной техники в новых активных средах и способах реализации магнитных преобразователей на их основе
Цель работы — экспериментальное исследование твердотельных магнитооптических сред для визуализации, топографирования и количественной оценки пространственно-распределенных магнитных полей и выработка рекомендаций по их применению в различных отраслях науки и техники
Решались следующие задачи:
провести сравнительный анализ магнитных свойств и условий работы одноосных и квазиизотропных (с минимизированными константами естественной и наведенной анизотропии) магнитооптических индикаторных пленок
Исследовать магнитные свойства и возможности использования термомагнитных (с резкой зависимостью магнитных свойств от температуры) магнитооптических пленок в качестве индикаторных сред для визуализации и топографирования пространственно - распределённых магнитных полей
Применительно к задачам магнитной дефектоскопии разработать методику использования индикаторных пленок для вихретокового контроля дефектов ферромагнитных и неферромагнитных материалов
Применить разработанные устройства магнитной визуализации и количественной оценки распределений магнитного поля для исследований технически ценных миниатюрных источников магнитного поля
Научная новизна и результаты, выносимые на защиту:
проведен сравнительный анализ функциональных возможностей топографирования пространственных распределений магнитного поля с помопц>ю одноосных и планарных индикаторных пленок и выработаны рекомендации по их использованию,
на основе цифрового анализа угловой зависимости интенсивности изображений доменов разной ориентации разработана методика расшифровки собственной доменной структуры плёнок ферритов-гранатов с преимущественными направлениями намагничивания, лежащими в плоскости образца,
предложен и реализован метод топографирования магнитных полей с помощью импульсной термомагнитной записи информации на магнитооптические высококоэрцитивные плёнки,
предложена и реализована методика неразрушающего контроля с помощью стробоскопической магнитооптической визуализации распределений поля вихревых токов в токопроводящих неферромагнитных материалах,
продемонстрированы оригинальные примеры практического применения метода магнитооптической визуализации для анализа технически ценных материалов и компонентов опытных образцов МЭМСиНЭМС.
Практическая значимость. Практическая значимость работы
обусловлена интенсивным развитием магнитных технологий и
быстрым внедрением их в современное производство Непрерывно
совершенствуются все виды магнитных носителей и устройств для
записи и хранения информации Миниатюрные магнитные
элементы служат основой для создания разнообразных датчиков и
приводов (микроэлектромеханических систем - МЭМС)
Создаются новые виды магнитных материалов -
наноструктурированных, композитных, многослойных
Индикаторные магнитные среды необходимы как для проведения физических исследований и создании технологий получения новых магнитных материалов (решение задач физического материаловедения), так и при разработке различных магнитных устройств (магнитная запись, сенсорная техника, МЭМС и НЭМС, магнитоэлектроника и др) Интенсивное развитие этих направлений обусловливает непрерывный и возрастающий интерес к магнитным индикаторным средам
Апробация работы. Результаты работы были представлены на Международной конференции студентов и аспирантов по фундаментальным наукам "Ломоносов - 2002" (Москва, МГУ, 2002), 18th International Workshop on High Performance Magnets and their Application HPMA-2004 (Armecy, France, 2004), 5th European Magnetic Sensors and Actuators Conference EMSA (Cardiff, United Kingdom, 2004), XIX Международной школе-семинаре "Новые магнитные материалы в микроэлектронике" (Москва, 2004), XII Региональных Каргинских чтениях (Тверь, 2005), Ш Московском международном симпозиуме по магнетизму МИСМ-2005 (Москва, 2005), Magnetic Nanostracmres for Micro-Electromechanical Systems and Spintromc Applications (Villa San Giovanni, Italy, 2006), The 17th International Conference on Magnetism (ICM) (Kyoto, Japan, 2006),
XVI Международной конференции "Магниты и магнитные материалы" (Суздаль, 2006), UK Magnetics seminar on Permanent Magnets (Birmingham, United Kingdom, 2006), Workshop "Nanodesign, Technology and Computer Simulations m Science and Engineering" (Bayreuth, Germany, 2007), XIX Международной конференции "Материалы с особыми физическими свойствами и магнитные системы" (Суздаль, 2007)
Реализация и внедрение результатов работы. Результаты
работы использовались в ряде научно-исследовательских работ,
проведенных на кафедре прикладной физики Тверского
государственного университета - «Разработка технологии и
исследование образцов микроактюаторов на основе композитных
материалов с эффектом памяти формы» (контракт с ИРЭ РАН (г
Москва) в рамках работы по государственному контракту №
02 513 11 3008, 2007 г), «Фундаментальные экспериментальные и
теоретические исследования нелинейных свойств
полупроводниковых, магнитных и сегнетоактивных материалов для микро- и наноэлектроники» (ведомственная целевая программа «Развитие научного потенциала высшей школы», контракт РНП 2 11 3674 2006-2007 г), «Разработка и контроль магнитных систем для ядерного магнитного каротажа и релаксометрии» (хоздоговор с АОЗТ НПФ «Каротаж» (г Тверь) №7/05 от 1 апреля 2005 г, 2005-2007 г )
Публикации и вклад автора. Основные результаты исследований опубликованы в 12 статьях, из них одна в издании, рекомендованном ВАК, одна включена в самостоятельную главу монографии, изданной за рубежом, и семь статей опубликовано в трудах международных конференций Авторство всех разделов диссертации принадлежит соискателю В диссертации использовались компьютерные программы усреднения и выравнивания фона изображений, разработанные научным сотрудником кафедры прикладной физики С С Сошиным Образцы использованных в работе магнитооптических плёнок ферритов-гранатов плёнок предоставлены М Ю Гусевым и Н С Неустроевым (НИИ материаловедения, г Зеленоград)
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов и библиографии, изложена на 122 страницах текста и содержит 51 рисунок Библиография включает 117 наименований
